动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法，该方法分成两个部分。它的第一部分是仿真分析平衡衔铁位置变化引起的磁场变化，而磁场变化会引起电动势及电磁力的变化。第一部分最后将计算得到线圈上电动势和衔铁上的电磁力随衔铁位移的变化关系；它的第二部分是在第一部分的基础上，仿真分析动铁式扬声器的基本特性，这些基本特性包括该扬声器的阻抗曲线、声压级频响曲线、声压和声压级分布等。本发明专利技术方法的两个部分均包括6个主要步骤：1)建立几何模型；2)设置物理场和边界条件；3)定义材料参数；4)设置网格类型和尺寸并划分网格；5)求解计算；6)结果后处理。

Numerical simulation analysis method of basic characteristics of moving iron loudspeaker

The invention discloses a numerical simulation analysis method for the basic characteristics of a moving iron loudspeaker, which is divided into two parts. The first part is to simulate and analyze the change of magnetic field caused by the change of balance armature position, and the change of magnetic field will cause the change of electromotive force and electromagnetic force. In the first part, the relationship between the electromotive force on the coil and the electromagnetic force on the armature and the armature displacement is calculated. In the second part, based on the first part, the basic characteristics of the moving iron loudspeaker are simulated and analyzed, including the impedance curve, the sound pressure level frequency response curve, the sound pressure and the sound pressure level distribution. The two parts of the method of the invention include six main steps: 1) establishing geometric model; 2) setting physical field and boundary conditions; 3) defining material parameters; 4) setting mesh type and size and dividing mesh; 5) solving calculation; 6) post-processing of results.

【技术实现步骤摘要】
动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法
本专利技术属于动铁式扬声器领域，是一种涉及电磁学、结构力学和声学的数值仿真分析方法。采用本专利技术公开的数值仿真分析方法，可以得到动铁式扬声器的声压级频响曲线、阻抗曲线、声压和声压级分布等结果。这些仿真分析结果可以用于指导动铁式扬声器的结构设计和改良，以提升其性能。
技术介绍
动铁式扬声器也称为平衡电枢式(BalancedArmature)扬声器，它具有尺寸小、电声转换效率高和灵敏度高的优点。相比传统的动圈式扬声器，动铁式扬声器还具有高解析力，可以很真实地还原出原始信号的细节；此外，得益于其体积小的优势，在耳机中可以放置多个发声单元，并让它们分别负责不同音域的声还原，从而达到低、中、高频的均衡，带来更高的灵敏度、优异的瞬态响应和声音的密度感。动铁式扬声器已被证明是小体积产品中实现高品质音频还原的理想方案之一。企业里设计和改良动铁式扬声器的方法仍为传统的经验法，由于设计理论还不完善，采用“试制样品-测试-改善样品-再测试”的开发过程，其开发成本较高，开发周期较长。随着计算机技术的发展，数值仿真分析方法进行辅助设计变得越来越广泛，将数值仿真分析方法应用于动铁式扬声器设计可以在样品试做前期预估产品的性能，这样，既弥补了设计理论的不足，还可以加快动铁式扬声器的开发进度，降低开发成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计出一动铁式扬声器基本特性的数值仿真方法，本专利技术解决了目前动铁式扬声器产品设计理论不完善、设计和改良动铁式扬声器的方法仍为传统的经验法、开发成本高等问题。本专利技术通过建立动铁式扬声器的有限元仿真分析模型，可计算得到该动铁式扬声器的声压级频响曲线、阻抗曲线、声压和声压级分布图等，通过仿真分析结果可预估该动铁式扬声器的基本特性，并将结果用于指导该动铁式扬声器的结构设计和改良。本专利技术公开的动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法共分为两个部分：第一部分仿真分析平衡衔铁的位移对电动势和电磁力的影响；第二部分是在第一部分的基础上，仿真分析动铁式扬声器的声压级频响曲线和阻抗曲线等基本特性。下文将对这两个部分分别进行介绍。动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法中，第一部分的仿真分析方法使用了“固体力学”和“磁场”两个物理场，该部分仿真分析方法主要包括以下步骤：(1)建立有限元模型1)建立几何模型：将动铁式扬声器几何模型导入有限元分析软件，所述的几何模型采用三维绘图软件绘制或是采用有限元分析软件自带的几何建模功能建立。建立几何模型之后，还需清理多余的点、线、面和体，以提高几何模型的质量；2)设置物理场和边界条件，具体步骤如下：A.选择“磁场”物理场对应域，它包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域；B.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并设置剩余磁通密度参数值；所述的本构关系是指反映物质性质的数学模型。C.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系均为“B-H曲线”，并在材料参数下导入磁轭的B-H曲线值。这里B-H曲线由测试获得；D.在“磁场”下，设置音圈、平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”；E.选择“固体力学”物理场对应域，即平衡衔铁域；F.在“固体力学”下，设置平衡衔铁的材料本构关系为“线弹性材料”；G.在“固体力学”下，将平衡衔铁的固定位置处设置“固定约束”面；H.在“固体力学”下,将处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置为参数化的“边界力载荷”，所述的参数化的边界力载荷记作FF；I.在“固体力学”下，将平衡衔铁的对称面设置为“对称”边界；J.选择“动网格”物理场对应域，它包括平衡衔铁域和空气域；K.在“动网格”下，设置空气域为“自由变形”；L.在“动网格”下，设置平衡衔铁为“指定变形”，指定网格在X、Y和Z方向的位移分别为u、v和w；M.在“动网格”下，设置平衡衔铁外表面(除固定面和对称面)为“指定网格位移”，指定网格在X、Y和Z方向的位移分别为u、v和w；N.在“动网格”下，设置空气域和平衡衔铁的对称面为“指定网格位移”，指定其法向上的位移为0；3)定义材料参数：这里需要分别设置该动铁式扬声器的材料参数，包括平衡衔铁、振膜、软铁的材料参数，所述的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼；4)划分网格：指定网格单元类型和尺寸，并划分网格，这里需通过设置网格单元的尺寸，适当的进行局部网格细化，使计算结果更精确；(2)求解及后处理；1)求解：采用“稳态”研究，计算平衡衔铁在不同位移时，线圈内磁通量和衔铁表面麦克斯韦应力张量随衔铁位移的变化；该“稳态”研究为有限元软件内置研究方法，其求解计算过程由软件内置算法完成。2)结果后处理：求解完成后采用后处理操作可得：1)根据线圈内磁通量的变化，计算得到线圈内感应电动势随衔铁位移的变化关系,记为U(x)；2)根据衔铁的表面麦克斯韦应力张量，计算得到衔铁上的电磁力随衔铁位移的变化关系,记为F(x)；动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法中，第二部分的仿真分析方法使用了“压力声学，频域”、“磁场”、“固体力学”物理场和“声-结构边界”多物理场接口，该部分仿真分析方法主要包括以下步骤：(1)建立有限元模型1)建立几何模型，具体步骤如下：A.建立扬声器几何模型：将动铁式扬声器几何模型导入有限元分析软件(可以采用三维绘图软件绘制该扬声器的几何模型)，也可采用有限元分析软件自带的几何建模功能建立该扬声器的几何模型。建立几何模型之后，还需清理模型中的多余的点、线、面和体，以提高几何模型的质量；B.建立711耦合器声腔等效模型：动铁式扬声器的声压级频响曲线通常在711耦合器中测试；为使仿真分析方法更具通用性，建立711耦合器的声腔等效模型(含连接管)，并使之与扬声器正确连接。所述的711耦合器是指人耳模拟器；2)设置物理场和边界条件，具体步骤如下：A.选择“磁场”物理场对应域，它包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域；B.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并设置剩余磁通密度等参数值；所述的本构关系是指反映物质性质的数学模型；C.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系为“B-H曲线”，并在材料参数下导入磁轭的B-H曲线值；这里B-H曲线由测试获得；D.在“磁场”下，设置音圈、平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”；E.在“磁场”下，添加“线圈”域，并输入匝数和线径，并设置线圈“扰波扰动电压值”和“几何分析”；所述的线圈谐波扰动电压值为U0-U(x),U0为外部加载电压，U(x)是衔铁运动在线圈内产生的感应电动势；F.在“磁场”下，在平衡衔铁上设置“外部电流密度”，即平衡衔铁切割磁感线而产生的感应电流；G.在“磁场”下，为平衡衔铁域设置“力计算”，计算该衔铁在磁场中的麦克斯韦表面应力张量；H.选择“固体力学”物理场对应域，它包括平衡衔铁、振膜和连动杆；I.在“固体力学”下，设置平衡衔铁、振膜和连杆的材料本构关系为“线弹性材料”，并设置这些材料的阻尼类型和阻尼值；J.在“固体力学”下，将平衡衔铁和振膜的固定位置处设置“固定约束”面；K.在“固体力学”下，设置平衡衔铁表面的“边界载荷”，载荷类型设为“单位面积上的麦克斯韦表面应力张量”；L.在“固体力学”下，为处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置“边界载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法，其特征在于该数值仿真分析方法包括两个部分，第一部分仿真分析平衡衔铁的位移对线圈上电动势和衔铁上电磁力的影响；第二部分是在第一部分的基础上，仿真分析动铁式扬声器的基本特性，包括声压级频响曲线和阻抗曲线特征。

【技术特征摘要】
1.一种动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法，其特征在于该数值仿真分析方法包括两个部分，第一部分仿真分析平衡衔铁的位移对线圈上电动势和衔铁上电磁力的影响；第二部分是在第一部分的基础上，仿真分析动铁式扬声器的基本特性，包括声压级频响曲线和阻抗曲线特征。2.根据权利要求1所述的动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法，其特征在于第一部分的仿真分析方法使用了“固体力学”和“磁场”两个物理场接口，该部分的仿真分析方法至少包括以下步骤：(1)建立有限元模型1)建立几何模型：将动铁式扬声器几何模型导入有限元分析软件，该扬声器的几何模型采用三维绘图软件绘制或采用有限元分析软件自带的几何建模功能建立；建立几何模型之后，还需清理模型中多余的点、线、面和体，以提高几何模型的质量；2)设置物理场和边界条件A.选择“磁场”物理场对应域，对应域包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域；B.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并设置剩余磁通密度参数值；C.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系为“B-H曲线”，并在材料参数下导入磁轭的B-H曲线值；所述的B-H曲线是由测试得到的描述软磁材料磁特性的参数；D.在“磁场”下，设置音圈、平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”；E.选择“固体力学”物理场对应域，即平衡衔铁域；F.在“固体力学”下，设置平衡衔铁的材料本构关系为“线弹性材料”；G.在“固体力学”下，将平衡衔铁的固定位置处设置“固定约束”面；H.在“固体力学”下,将处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置为参数化的“边界力载荷”，所述的参数化的边界力载荷记作FF；I.在“固体力学”下，将平衡衔铁的对称面设置为“对称”边界；J.选择“动网格”物理场对应域，它包括平衡衔铁域和空气域；K.在“动网格”下，设置空气域为“自由变形”；L.在“动网格”下，设置平衡衔铁为“指定变形”，指定网格在X、Y和Z方向位移分别为u、v和w；M.在“动网格”下，设置平衡衔铁外表面为“指定网格位移”，指定网格在X、Y和Z方向的位移分别为u、v和w；所述的外表面不包括固定面和对称面；N.在“动网格”下，设置空气域和平衡衔铁的对称面为“指定网格位移”，指定其法向上的位移为0；3)定义材料参数：这里需要分别设置该动铁式扬声器的材料参数，包括平衡衔铁、振膜、软铁结构的材料参数，所述的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比和阻尼；4)划分网格：指定网格单元类型和尺寸，并划分网格：这里需通过设置网格单元的尺寸，适当地进行局部网格细化，使计算结果更精确；(2)求解及后处理1)求解：采用“稳态”研究，计算平衡衔铁在不同位移时，线圈内磁通量和衔铁表面麦克斯韦应力张量随衔铁位移的变化；2)结果后处理：求解完成后采用后处理操作可得：A.根据线圈内磁通量的变化，计算得到线圈内感应电动势随衔铁位移的变化关系,记为U(x)；B.根据衔铁的表面麦克斯韦应力张量，计算得到衔铁上的电磁力随衔铁位移的变化关系,记为F(x)。3.根据权利要求1所述的动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法，其特征在于第二部分的仿真分析方法使用了“压力声学，频域”、“磁场”和“固体力学”物理场接口，以及“声-结构边界”多物理场接口，该部分的仿真分析方法至少包括以下步骤：(1)建立有限元模型1)建立几何模型A.建立扬声器几何模型：将动铁式扬声器几何模型导入有限元分析软件，该扬声器的几何模型可以采用三维绘图软件绘制或采用有限元分析软件自带的几何建模功能建立，建立几何模型之后，还需清理模型中的多余的点、线、面和体，以提高几何模型的质量；B.建立711耦合器声腔的等效模型：动铁式扬声器的声...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆晓，徐楚林，温周斌，李陆化，岳磊，计敏君，
申请(专利权)人：浙江中科电声研发中心，
类型：发明
国别省市：浙江,33