扬声器数值仿真分析方法

1、扬声器数值仿真分析方法 浙江中科电声研发中心浙江省嘉善电声产业技术创新服务平台陆晓，2014 年 11 月 22 日2目录浙江中科电声研发中心简介数值仿真分析方法简介扬声器数值仿真分析方法的主要研究内容有待深入研究的工作3浙江中科电声研发中心简介-1研发中心于2007年11月7日由中国科学院声学研究所与浙江省嘉善县人民政府合作共建，位于嘉善科创中心，面积约2000m2。浙江省嘉善电声产业技术创新服务平台。浙江省电子电声产品质量检验中心（CAL和CMA）。全消声室和半消声室。电声（及其他声学）基准参数测量系统、扬声器线性及非线性参数测量系统、扬声器振动模态扫描系统和扬声器被动元件和材料测试系统等

2、多个测量系统，以及声学信号采集、分析处理和输入输出系统和嵌入式软件开发系统等。CONFIDENTIALKlippel R&D系统有效容积：9.258.46.95= 540 m3截止频率: 50Hz本底噪声：1.0dB(A)自由场半径：4 mPULSE 3560CNI PXI 硬件系统 & NI Developer Suite 软件系统美国ADI DSP软硬件开发系统、意大利Clio 3D指向性测量系统、GPU数值计算服务器等。4浙江中科电声研发中心简介-2CONFIDENTIAL检测设计研发声场重建系统声学照相机异音检测仪（异音和常规参数）5目录浙江中科电声研发中心简介数值仿真分析方法简介基本

3、概念和定义主要软件工具分类扬声器数值仿真分析方法的主要研究内容有待深入研究的工作6基本概念和定义求解方法解析法数值分析方法实验法有限差分法有限元法边界元法有限变分法将物理模型作离散化处理，细分成单元和节点，借助计算机求解微分方程得到其近似解。目前比较常用的数值分析方法是有限元法（FEM）和边界元法（BEM）。有限元法（FEM）一种通用的解偏微分方程的方法，它使用积分方法代替偏微分方程来建立系统的代数方程组。通过建立求解域并将其离散化为有限个性质相同又极其微小的单元，它将对系统问题的处理分解成对模型节点和单元的处理。用一个描述单元物理属性的形函数来近似描述每个单元的解，由于内部单元的边界是连续的

4、，整个系统的解可以通过单个的解连接或组装起来，即由节点解通过差值函数来求解单元内各处的解，进而获得整个系统的特性。数值分析方法CONFIDENTIAL7主要软件工具几何模型绘制Unigraphics、Solidworks、Pro/E、Auto CAD 等。网格划分HyperMesh 等。有限元分析COMSOL Multiphysics 、ANSYS、ABAQUS、Fine系列、FLUX、FEMM 等。边界元分析LMS Virtual lab等。数据处理Origin、Matlab 等。CONFIDENTIAL8分类按分析模式分类静力分析静载荷作用下的结构变形、应力和应变。模态分析f0、谐振频率等

5、。谐响应分析不同频率简谐力作用时的振动形态等。瞬态分析载荷随时间变化时的结构和声场响应。小信号微扰分析预应力分析按物理模块分类结构力学分析位移、应力和应变等。热分析热量扩散和分布等。电磁场分析电场分布和磁场分布等。声场分析声场分布等。电化学分析流体力学分析CONFIDENTIAL9目录浙江中科电声研发中心简介数值仿真分析方法简介扬声器数值仿真分析方法的主要研究内容扬声器驱动力系数的非线性特性 Bl(x)扬声器电感的非线性特性 Le(x, i)扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)扬声器共振频率 f0扬声器的振动形态扬声器三场耦合扬声器音圈和磁路结构的温度特性扬声器的失真有待深入研究的工作10 软

6、磁材料BH特性曲线软磁材料通过软磁直流磁特性标准测量装置测量BH曲线（相对磁导率）。通过磁通计测量得到磁通密度 B磁场强度 其中，L 为铁环平均长度，N 为激励线圈的匝数，I 为激励电流。相对磁导率硬磁材料根据材料牌号查找剩磁Br和矫顽力Hcb等特性。扬声器驱动力系数的非线性特性 Bl(x) -参数测量CONFIDENTIAL软磁直流磁特性标准测量装置11序号部件材料1空气2音圈Cu3磁铁N354导磁材料Q235 磁路的主要非线性特性是 Bl(x)。1243扬声器驱动力系数的非线性特性 Bl(x) -仿真分析CONFIDENTIAL磁通密度磁场强度磁通线分布磁导率12使用 Klippel R&

7、D 系统测量Bl (x) 的仿真分析结果和测量结果（平均值）两者误差小于5%采用 Klippel R&D 系统 LSI 模块可测量扬声器的 Bl(x)扬声器驱动力系数的非线性特性 Bl(x) -测量验证CONFIDENTIAL13L(i)L(x)仿真分析测量扬声器电感的非线性特性 L(x,i) -仿真分析与测量验证CONFIDENTIAL磁路的另一个主要非线性特性是 L(x，i)。14采用 Klippel R&D系统MPM模块测量杨氏模量和损耗因子。布复合膜PENPEI、PEEK、PET等功率放大器分析仪激光传感器P扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)-参数测量CONFIDENTIAL基于一端

8、固定棒的振动方程15定心支片定心支片半剖面应力位移振动系统的主要非线性特性为 K(x)。K(x)的仿真分析结果扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)-仿真分析CONFIDENTIAL16劲度系数的非线性特性 K(x) 的测量方法动态测量法 Klippel R&D 系统（SPM 模块）扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)-测量验证1CONFIDENTIAL1、铜棒，2、激光测距传感器，3、数据线，4、中心夹具，5、被测部件，6、固定盘，7、数据采集分析处理器，8、数据线，9、滑轨，10、力传感器静态测量法美国NI虚拟仪器和力传感器，以及激光测量位移等方式。17扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)-

9、测量验证2CONFIDENTIAL直径113mm直径64mm几何模型有限元模型力与位移的关系（仿真结果和测量结果非常接近）劲度系数-位移特性 K(x)（仿真和测量结果最大误差约为20%） 纸盆折环粘弹性特性的测量研究粘弹性是指材料特性随时间发生变化，分为蠕变和松弛。蠕变是指部件在固定力作用时变形随时间发生变化，在一定时间后部件变形趋于稳定；松弛是指部件在固定位移作用时内部应力随时间发生变化，在一定时间后部件内部应力趋于稳定。 蠕变18CONFIDENTIAL力与位移的变化曲线形成一个回路松弛扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)-粘弹性1力随时间变化的仿真和测量结果19 纸盆折环粘弹性特性的仿真

10、分析研究CONFIDENTIAL通过广义Maxwell模型建立粘弹性模型将粘弹性特性的材料模型应用到扬声器的非线性瞬态分析中。扬声器劲度系数的非线性特性 K(x)-粘弹性220 仿真分析振膜和纸盆的共振频率 f0 。扬声器的共振频率 f0 -仿真分析CONFIDENTIAL21自主研发的微型扬声器振膜 f0 测量系统。扬声器的共振频率 f0 -测量验证CONFIDENTIAL22 纸盆折环阻尼特性的测量研究阻尼使振动系统的振幅逐渐衰减，振动系统的幅频特性和相频特性均与阻尼密切相关。CONFIDENTIAL幅频特性曲线相频特性曲线扬声器的振动形态-参数研究阻尼相关物理量定义式阻尼系数c-阻尼比

11、损耗因子 对数衰减系数 以一款定心支片为例，测量其振动振幅的衰减特征，从而研究阻尼的计算方法。23 位移衰减过程 纸盆折环阻尼特性的仿真分析研究分析定心支片在考虑阻尼模型下的瞬态位移响应：选择 Rayleigh Damping（瑞利阻尼） ：CONFIDENTIAL扬声器的振动形态-参数研究23CONFIDENTIAL半功率点带宽法，24防尘帽中心点的幅值响应的仿真分析和测量结果仿真分析测量仿真分析振膜和纸盆在不同频率下的振动形态及频率响应曲线。扬声器的振动形态CONFIDENTIAL扬声器三场耦合-扬声器中的耦合因素25振动系统声场带动空气振动形成声波对振动系统表面每一点形成变化的加载力磁路

12、提供驱动力音圈振动产生反电动势扬声器中磁路、振动系统和声场三个物理场是耦合的音圈通电后受磁场中安培力作用而在磁隙中上下运动，并带动振动系统振动。 振动系统中音圈在磁隙中运动切割磁感线，使得振动系统对磁路产生反电动势。 振动系统振动带动周围的空气振动，其相当于声场的速度源。 声场中的声波反作用于振动系统的表面，相当于施加了额外的面加载力。CONFIDENTIAL26阻抗曲线振幅频率响应声压级频率响应声压级分布扬声器三场耦合-耦合分析结果1Helmholtz方程式：CONFIDENTIAL指向性图3D声场分布（a）905.7Hz27（b）2591.8Hz（c）3500Hz扬声器三场耦合-耦合分析结

13、果2CONFIDENTIAL远场计算设置的特殊性28扬声器三场耦合-测量验证CONFIDENTIAL最大单元边长为3mm，5.70KHz以下的声场分析结果是可靠的，18.9kHz以上的的声场分析结果是不可靠的扬声器音圈和磁路结构的温度特性-基本概念 磁路（热源2） 音圈（热源1）辐射辐射传导自然对流强迫对流强迫对流辐射辐射骨架等空气29CONFIDENTIAL采用自研测量设备（基于NI 虚拟仪器的扬声器温度测量系统）测量扬声器音圈温度测量系统原理图扬声器磁路外表面温度测量系统框图30扬声器音圈和磁路结构的温度特性-测量方法采用 Klippel R&D 系统 PWT 模块测量可监控扬声器两端的电

14、压、电流、功率、音圈温度、直流电阻、共振频率、以及Bl(x)、Kms(x)和L(x)等非线性特性随时间的变化。GB/T 12060.5-2011 声系统设备 第5部分：扬声器主要性能测试方法。 CONFIDENTIAL仿真分析结果与测量结果比较仿真分析测量NO.位置测量结果()分析结果()误差(%)1音圈42.041.12.12磁钢侧面29.327.75.53T铁底面35.731.711.231扬声器音圈和磁路结构的温度特性-结果比对CONFIDENTIAL32扬声器的失真-谐波失真的原因失真的分类谐波失真的原因CONFIDENTIAL互调失真谐波失真瞬态失真输入线性模型常规线性失真非线性模型

15、常规非线性失真缺陷非常规失真输出噪声33CONFIDENTIAL三场耦合分析移动网格技术瞬态分析瞬态分析是一种分析结构在承受任意随时间变化的载荷激励下的动力学响应的数值仿真分析方法。非线性参数随状态变量音圈位移的变化特性可通过随时间的变化关系来表示。扬声器的失真-分析方法使用移动网格（非重剖网格）使用移动网格（重剖网格）扬声器的失真-单频激励34CONFIDENTIALV0-V000.1s2.5ms0.1s单频激励与测量标准一致，计算误差相对较小，但要获得多个频率点的失真数据，其计算效率较低。V0：音圈端电压最大值， ：激励信号角频率。单频脉冲填充信号（频率 400Hz ）前沿特性后沿特性分析

16、结果35CONFIDENTIAL连续对数扫频电压信号（起始频率 20Hz，截止频率 800Hz，扫频时间长度 0.5s）1：起始角频率，2 ：截止角频率，T ：扫频时间长度。扫频激励可快速得到各个频率点的失真数据，但其后处理过程会引入更多误差。分析结果音圈位移x(t)声压p(t)扬声器的失真-扫频激励36谐波失真1-单频激励FFT互调失真P(t)P(f)CONFIDENTIAL谐波失真2-扫频激励各种谐波跟踪方法，如自适应 Vold-Kalman Order Tracking算法。扬声器的失真-后处理37目录浙江中科电声研发中心简介数值仿真分析方法简介扬声器数值仿真分析方法的主要研究内容有待深

17、入研究的工作38有待深入研究的工作扬声器设计图纸与实际产品之间的差异设计图纸与实际产品的几何尺寸存在的差异会造成仿真分析结果的显著不同；以设计图纸为基础，并充分考虑扬声器的生产流程、生产工艺、设备性能等各种实际因素，通过仿真分析或实际经验（或两者相结合）的方法比较准确地预测实际扬声器的尺寸。材料参数的准确测量以及在仿真分析中的运用准确测量扬声器各部件（定心支片、纸盆和折环、磁钢等）材料参数的有效方法；关注原材料的加工过程和成型工艺等要项。材料阻尼参数的准确测量以及在仿真分析中的运用包括损耗因子、阻尼比和瑞利阻尼等的基本概念；粘弹性和阻尼之间的关系，阻尼对扬声器特性的影响；阻尼的测量方法；仿真分

18、析中阻尼的表征方法等。更多非线性特性的影响机械损耗；非线性声传播。CONFIDENTIAL39专利一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，ZL201010538802.X。一种扬声器磁路系统的数值模拟方法，ZL201101359250.0。扬声器定心支片和纸盆折环顺性测试仪，ZL201320010452.9，实用新型。一种扬声器振动中非线性特性的仿真计算方法，CN102970647A 。一种扬声器音圈及磁路的温度特性数值模拟方法，CN102968543A 。扬声器定心支片和纸盆折环顺性测试仪及顺性系数计算法，CN103079152A 。一种扬声器定心支片劲度系数非线性特性的数值仿真分析方法，CN103310052A 。一种扬声器音圈电感非线性特性的仿真分析方法， CN103294871A 。一种扬声器失真特性的