專利名稱：一種揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于揚(yáng)聲器領(lǐng)域，涉及揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的模擬方法，特別是涉及一 種揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法。采用該方法分析揚(yáng)聲器的振動(dòng)和聲學(xué)特性，能 夠得到揚(yáng)聲器的固有頻率、振動(dòng)模態(tài)(振型)、位移、應(yīng)變、應(yīng)力、頻響曲線、指向性曲線。可 廣泛應(yīng)用于揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)開發(fā)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器分析設(shè)計(jì)方法有兩種(1)經(jīng)驗(yàn)法。一般為樣品試做、測(cè)試、再改善 樣品、再測(cè)試的反復(fù)循環(huán)過程，這種方式必須等到設(shè)計(jì)后期才能發(fā)現(xiàn)揚(yáng)聲器問題，而且開發(fā) 周期長(zhǎng)、成本高；(2)等效電路法。當(dāng)揚(yáng)聲器工作在低頻時(shí)，揚(yáng)聲器振膜做整體的活塞運(yùn)動(dòng)， 這時(shí)揚(yáng)聲器可看作是集中參數(shù)系統(tǒng)，根據(jù)電-力-聲類比，各部件等效為集中參數(shù)的電路元 件，可快速準(zhǔn)確地得到分析結(jié)果，但當(dāng)頻率較高時(shí)，由于揚(yáng)聲器振膜會(huì)產(chǎn)生分割振動(dòng)，揚(yáng)聲 器成為分布參數(shù)系統(tǒng)，無法用等效電路分析揚(yáng)聲器特性。丹麥LoudSoft公司開發(fā)了 FINEMotor、FINECone等揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)軟件，可以對(duì)揚(yáng)聲 器磁路、音圈、振膜進(jìn)行分析，得到T/S參數(shù)、阻抗曲線、頻響曲線及指向性曲線等參數(shù)，但 是此兩款軟件所分析揚(yáng)聲器模型必須為軸對(duì)稱模型，對(duì)于跑道型揚(yáng)聲器及振膜表面有加強(qiáng) 筋的揚(yáng)聲器，它的局限性很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)出一種揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法。本發(fā)明要解決的是經(jīng)驗(yàn)法存在的須等到設(shè)計(jì)后期才能發(fā)現(xiàn)揚(yáng)聲器問題且開發(fā)周 期長(zhǎng)、成本高的問題和等效電路法存在的在頻率較高時(shí)無法用等效電路分析揚(yáng)聲器特性的 問題。本發(fā)明的一種揚(yáng)聲器的振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，具體步驟為(1)使用三維繪圖軟件繪制揚(yáng)聲器的三維(3D)幾何模型圖。(2)建立揚(yáng)聲器有限元模型。具體步驟如下A、將揚(yáng)聲器3D幾何模型圖導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元分 析所用的體單元。若需考慮空氣對(duì)揚(yáng)聲器振動(dòng)的影響，還要在模型中加入空氣并將其網(wǎng)格 劃分為體單元。B、定義單元類型。為A步驟中各部分單元定義相匹配的單元類型。C、定義材料參數(shù)。定義模型各部件的材料參數(shù)，包括楊氏模量、泊松比、密度及材 料阻尼。若模型中包含空氣，還需定義空氣的材料參數(shù)，包括聲速、密度及吸聲系數(shù)。D、定義邊界條件。揚(yáng)聲器有限元模型的邊界條件如下1)固定邊界條件。由于揚(yáng) 聲器振膜邊緣是固定在盆架上的，需在其邊緣定義固定邊界條件，若揚(yáng)聲器還包含有定位 支片，它與盆架接觸的邊緣也應(yīng)定義固定邊界條件；2)流固耦合邊界條件。若分析揚(yáng)聲器 的振動(dòng)特性時(shí)考慮空氣的影響，在揚(yáng)聲器和空氣的接觸面兩者會(huì)發(fā)生耦合作用，需在揚(yáng)聲器和空氣的分界面定義流固耦合邊界條件。E、給有限元模型施加載荷，在模型的音圈部位施加驅(qū)動(dòng)力。F、將上述模型保存為有限元模型文件。(3)建立揚(yáng)聲器邊界元模型。提取揚(yáng)聲器有限元模型的表面得到與有限元模型體 單元匹配的面網(wǎng)格，由于障板對(duì)揚(yáng)聲器的聲學(xué)特性有很大的影響，還要建立障板的面網(wǎng)格， 定義上述面網(wǎng)格的單元類型，將上述模型保存為邊界元模型文件。(4)用有限元求解器對(duì)有限元模型文件進(jìn)行求解。將有限元模型文件導(dǎo)入有限元 求解器并進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到揚(yáng)聲器的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)(振型)，再進(jìn)行諧波分 析，可以得到揚(yáng)聲器的位移響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)及應(yīng)力響應(yīng)。A、對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析動(dòng)力學(xué)分析的基本方程如下[M] {U} + [C] {U} + [K] {U} = {F}上式中，[Μ]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，[C]為系統(tǒng)阻尼矩陣，[K]為系統(tǒng)剛度矩陣，M為節(jié) 點(diǎn)加速度向量，M為節(jié)點(diǎn)速度向量，{u}為節(jié)點(diǎn)位移向量，{F}為施加的載荷向量，與時(shí)間相關(guān)。假設(shè)揚(yáng)聲器做無阻尼的自由振動(dòng)，方程為[M]{u} + [K]{u} = {0}對(duì)于線性系統(tǒng)，假定系統(tǒng)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng){u} = Iuji cos ω J上述運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)?[Κ -ω^Μ]) Iuji = {0}求解上述方程可得到(Oi和{u} ^coi為第i階固有圓周頻率，{uh為特征向量，即 第i階固有圓周頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)(振型)。，為第i階固有頻率。B、對(duì)有限元模型進(jìn)行諧波分析在諧波分析中，{F}、{u}是簡(jiǎn)諧的。有{F} = ({Fj+i (F2Deifit{u} = ({uj+i {u2})eifit([K] - Ω2 [Μ] +i Ω [C]) ({uj +i {u2}) = {Fj +i {Fj上式中，{uj、{u2}分別為位移的實(shí)部及虛部，{FJ、{FJ分別為加載力的實(shí)部及虛 部，Ω為加載力的角頻率。求解上述方程可以得到位移的實(shí)部IuJ和虛部{u2}，進(jìn)一步由位移可推導(dǎo)出應(yīng)變 及應(yīng)力。(5)將有限元求解器求解得到的位移和邊界元模型文件提交到邊界元求解器，可 求解得到揚(yáng)聲器的頻響曲線和指向性曲線。在各向同性的理想流體介質(zhì)中，對(duì)于簡(jiǎn)諧變化的聲波，聲壓滿足亥姆霍茲方程V 2p (r) +k2p (r) = 0根據(jù)散度定理，可以將上述方程變成邊界上的積分方程
5
P(r) = [{p{rq)dG{^rq)-d^-Gir,rq)\dS式中，k為聲波的波數(shù)，p(r)為揚(yáng)聲器外聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲壓，為邊界上一點(diǎn)， G(r,rq)為格林函數(shù)， 為邊界的單位法向矢量。聲壓級(jí)
權(quán)利要求
1. 一種揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于該方法至少包括以下步驟(1)使用三維繪圖軟件繪制揚(yáng)聲器的三維幾何模型圖；(2)建立揚(yáng)聲器有限元模型，具體步驟如下A、將揚(yáng)聲器三維幾何模型圖導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元分析 所用的體單元；若需考慮空氣對(duì)揚(yáng)聲器振動(dòng)的影響，還要在模型中加入空氣并將其網(wǎng)格劃 分為體單元；B、定義單元類型為A步驟中各部分單元定義相匹配的單元類型；C、定義材料參數(shù)定義模型各部件的材料參數(shù)，包括楊氏模量、泊松比、密度及材料阻 尼；若模型中包含空氣，還需定義空氣的材料參數(shù)，包括聲速、密度及吸聲系數(shù)；D、定義邊界條件揚(yáng)聲器有限元模型的邊界條件如下1)固定邊界條件由于揚(yáng)聲器 振膜邊緣是固定在盆架上的，需在其邊緣定義固定邊界條件，若揚(yáng)聲器還包含有定位支片， 它與盆架接觸的邊緣也應(yīng)定義固定邊界條件；2)流固耦合邊界條件若分析揚(yáng)聲器的振動(dòng) 特性時(shí)考慮空氣的影響，在揚(yáng)聲器和空氣的接觸面兩者會(huì)發(fā)生耦合作用，需在揚(yáng)聲器和空 氣的分界面定義流固耦合邊界條件；E、給有限元模型施加載荷在模型的音圈部位施加驅(qū)動(dòng)力；F、將上述模型保存為有限元模型文件；(3)建立揚(yáng)聲器邊界元模型提取揚(yáng)聲器有限元模型的表面得到與有限元模型體單元 匹配的面網(wǎng)格，由于障板對(duì)揚(yáng)聲器的聲學(xué)特性有很大的影響，還要建立障板的面網(wǎng)格，定義 上述面網(wǎng)格的單元類型，將上述模型保存為邊界元模型文件；(4)用有限元求解器對(duì)有限元模型文件進(jìn)行求解將有限元模型文件導(dǎo)入有限元求解 器并進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到揚(yáng)聲器的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)，再進(jìn)行諧波分析，得到揚(yáng)聲器 的位移響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)及應(yīng)力響應(yīng)；A、對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析 動(dòng)力學(xué)分析的基本方程如下 [M]{u} + [C]{u} + [K]{u} = {F}上式中，[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，[C]為系統(tǒng)阻尼矩陣，[K]為系統(tǒng)剛度矩陣，M為節(jié)點(diǎn)加速度向量，M為節(jié)點(diǎn)速度向量，ω為節(jié)點(diǎn)位移向量，{F}為施加的載荷向量，與時(shí)間相關(guān)；假設(shè)揚(yáng)聲器做無阻尼的自由振動(dòng)，方程為[Μ]Μ + [/:]Μ = {0}對(duì)于線性系統(tǒng)，假定系統(tǒng)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)， {u} = {u} ± cos ω上述運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)?([Kl-Wi2M) Mi= {0}求解上述方程可得到Oi和{uh，COi為第i階固有圓周頻率，Iuh為特征向量，即第i 階固有圓周頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)；乂 =S，為第i階固有頻率。B、對(duì)有限元模型進(jìn)行諧波分析 在諧波分析中，{F}、{u}是簡(jiǎn)諧的，有 {F} = (^!+!(F2Deifit {u} = ({ui}+i{u2})ei￡2t([Κ]-Ω2[Μ]+ Ω [C]) ({uj+iiuj) = {Fj+iiFj上式中，{uj、{u2}分別為位移的實(shí)部及虛部，{FJ、{F2}分別為加載力的實(shí)部及虛部， Ω為加載力的角頻率；求解上述方程可以得到位移的實(shí)部IuJ和虛部{u2}，進(jìn)一步由位移可推導(dǎo)出應(yīng)變及應(yīng)力。(5)將有限元求解器求解得到的位移和邊界元模型文件提交到邊界元求解器，可求解 得到揚(yáng)聲器的頻響曲線和指向性曲線。在各向同性的理想流體介質(zhì)中，對(duì)于簡(jiǎn)諧變化的聲波，聲壓滿足亥姆霍茲方程 根據(jù)散度定理，可以將上述方程變成邊界上的積分方程
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于揚(yáng)聲器 包括各種電動(dòng)揚(yáng)聲器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于通過求 解揚(yáng)聲器有限元模型的無阻尼自由振動(dòng)特征方程分析，分析揚(yáng)聲器的多種振動(dòng)模態(tài)，包括 塞振動(dòng)、搖擺振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其復(fù)合振動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于三維繪 圖軟件為Pro/E，用它繪制揚(yáng)聲器的三維幾何模型圖，Pro/E是一款CAD/CAM/CAE —體化的 三維軟件，功能包括零件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、鈑金件設(shè)計(jì)、虛擬裝配及工程出圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于網(wǎng)格劃 分軟件為HyperMesh，用它可以對(duì)揚(yáng)聲器3D幾何模型劃分網(wǎng)格。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于有限元 求解器為有限元軟件ANSYS，用來求解結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁問題。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，其特征在于邊界元 求解器為L(zhǎng)MS Virtual. Lab，模擬分析振動(dòng)噪聲特性。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種揚(yáng)聲器振動(dòng)和聲學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，該方法首先使用三維繪圖軟件繪制揚(yáng)聲器三維(3D)幾何模型圖，然后，將揚(yáng)聲器三維(3D)幾何模型圖導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，把其劃分為體單元，定義單元類型、材料、邊界條件并施加載荷，得到有限元模型，再建立與有限元模型相匹配的邊界元模型。最后，通過有限元求解器對(duì)有限元模型求解得到揚(yáng)聲器的振動(dòng)特性，包括固有頻率、振動(dòng)模態(tài)(振型)、位移、應(yīng)變及應(yīng)力，再通過邊界元求解器對(duì)邊界元模型求解得到揚(yáng)聲器的聲學(xué)特性，包括頻響曲線和指向性曲線。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102004823SQ20101053880
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者徐楚林, 李軍, 溫周斌, 金向鋒 申請(qǐng)人:浙江中科電聲研發(fā)中心