【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于热场仿真领域，尤其是涉及一种基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术。
技术介绍
1、随着手机、耳机等电子设备的大量使用，微型扬声器成为应用在小微型电子设备上的主要音频器件。其由音圈、磁体、振膜等主要部件构成。音圈为多匝包铜导线绕制，其位于磁体产生的磁场中，加载激励后产生热量，热量通过空气对流传导至腔体内，同时以热辐射的形式耗散热量。微型扬声器所处空间狭小，温度容易影响磁体的导磁性和振膜材料属性，从而影响发声效果。同时，长时间的高温也会导致微型扬声器的寿命减短与可靠性下降。因而，提出数值方法来模拟扬声器的工作温度，以此指导扬声器的设计和改善其材料，对获得更好的声场效果和更长的使用寿命具有重要意义。
2、实验过程中，一般使用klippel-pwt模块测量微型扬声器的工作温度。扬声器通电后，klippel首先会测量微型扬声器的参考电阻作为内置温度计算公式的基准，然后扬声器通电一段时间后温度开始升高，并逐渐达到稳定，最后以恒温室的室内温度作为初始温度测绘温升曲线。zhiliang zhang等人通过电路建立适用于微型扬声器的三级非线性电路模型，再根据klippel计算音圈功率与音圈温度、磁路温度和空气温度变化，最后由各自的温度变化构建微型扬声器的温变模型。(zhang z,shen y,xia j,et al.three-stagenonlinear thermal model for microspeakers in mobile phones[j].sound&vibration,2018,5
技术实现思路
1、本专利技术目的是提高微型扬声器工作温度仿真速度，提供一种基于区域分解有限元法(finite element method based on domain decompositionmethod,ddm-fem)的微型扬声器热场仿真技术，采用基于区域分解的有限元方法按模型尺寸剖分不同尺度网格单元并计算，减少求解时间，提升计算效率，最终得到微型扬声器的稳态温度分布情况。
2、本专利技术包括以下步骤：
3、1)建立微型扬声器模型，外围添加空气模拟扬声器热量的对流；
4、2)选取合适的材料赋予各个部件，设定具体的介质材料参数；
5、3)扬声器热场仿真模型以四面体网格分区域进行不同密度的网格剖分，扬声器部件采用细化网格单元，其余部分采用较大尺度的网格单元，相邻子区域之间为非相容网格；
6、4)建立三维传热方程，设置边界条件，选取合适的基函数和物理单元映射；
7、5)输入热源，选择合适的时间步长和总迭代时间；
8、6)使用基于区域分解有限元法计算扬声器的热场分布，绘制不同部件指定位置的温度场变化曲线，根据设置的总迭代时间计算直至完成。
9、步骤1)中，所述基于区域分解有限元法的扬声器热场仿真技术，建立微型扬声器模型时，确定其物理尺寸以及计算区域，根据需求确定具体物理尺寸、材料参数、边界条件等信息构建模型。
10、步骤2)中，所述基于区域分解有限元法的扬声器热场仿真技术，应确定其介质材料参数，包括介质的恒压热容、传热系数和密度。
11、步骤3)中，基于区域分解有限元法的扬声器热场仿真技术，模型进行网格剖分时，将网格分为不同子区域；振膜和球顶属于薄层区使用细化网格、磁体与极板之间的通孔区域使用细化网格，扬声器的其余部分采用稍微粗化网格，其他部分采用大尺度网格；相邻子区域交界面处使用非相容网格，且选定区域包含的热场边界是已知的。
12、步骤4)中，所述基于区域分解有限元法的扬声器热场仿真技术，根据基于区域分解有限元法建立三维传热方程，算法求解的方程建立如下：
13、
14、其中，t(x,y,z,t)表示随时间和位置变化的温度；ρ表示介质密度；cp表示恒压热容；k表示传热系数；qe表示热源，源项为电磁损耗；下列各式简记：t(x,y,z,t)-t；
15、所述三维传热方程中边界条件：
16、
17、
18、其中，γ1表示对流边界；γ2表示辐射边界；hc表示对流系数；ε0表示表面辐射系数；σ表示stefan-boltzmann常数，取值为5.669×10-8w/(m2·k4)；tambient表示外界环境温度。
19、步骤中5)，所述基于区域分解有限元法的扬声器热场仿真技术，电磁损耗qe来自音圈的电阻热，电压激励下的热源计算公式如下：
20、
21、
22、
23、其中，vrms表示激励电压的均方值，一般为2.83v；rcoil表示线圈组电阻；n表示线圈匝数；l表示线圈组内径lin与外径lout的平均长度；σcoil表示线圈电导率；acoil表示单匝导线截面积；a表示线圈组横截面积。
24、步骤6)中，所述基于区域分解有限元法的扬声器热场仿真技术，区域分解后使用内罚方法保证交界面处的温度和热通量的连续性，位于交界面处的连续性条件：
25、
26、t(m)＝t(n) (5)
27、其中，m与n表示不同的网格区域(m,n＝1,2,3,···,n)；子区域m满足的传热方程由式(1)改写为如下形式：
28、
29、传热方程采用伽辽金方法，残差加权后，得到下式：
30、
31、其中，wi表示测试函数；c1和c2设定为内罚常数项系数；式中(·，·)表示子区域上积分计算；式中<·，·>表示交界面上的积分；和表示子区域m和子区域n上的残差；和表示子区域m和子区域n交界面上的残差；根据格林恒等式变换，并设c1＝c2＝1抵消微分项；第m个子区域内求解温度t的弱形式方程如下：
32、
33、则子区域的系统矩阵方程形式：
34、
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【技术保护点】
1.基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于包括以下步骤：
2.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤1)中，所述建立微型扬声器模型，根据需求确定具体物理尺寸、材料参数、边界条件以及计算区域信息构建。
3.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤2)中，所述介质材料参数包括介质的恒压热容、传热系数和密度。
4.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤3)中，所述网格剖分，将网格分为不同子区域；振膜和球顶属于薄层区使用细化网格、磁体与极板之间的通孔区域使用细化网格，扬声器的其余部分采用稍微粗化网格，其他部分采用大尺度网格；相邻子区域交界面处使用非相容网格，且选定区域包含的热场边界是已知的。
5.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤4)中，所述根据基于区域分解有限元法建立三维传热系统矩阵，求解的方程建立如下：
6.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器
7.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤6)中，所述使用基于区域分解有限元法计算扬声器的热场分布，区域分解后使用内罚方法保证交界面处的温度和热通量的连续性，位于交界面处的连续性条件：
...【技术特征摘要】
1.基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于包括以下步骤：
2.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤1)中，所述建立微型扬声器模型，根据需求确定具体物理尺寸、材料参数、边界条件以及计算区域信息构建。
3.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤2)中，所述介质材料参数包括介质的恒压热容、传热系数和密度。
4.如权利要求1所述基于区域分解有限元法的微型扬声器热场仿真技术，其特征在于步骤3)中，所述网格剖分，将网格分为不同子区域；振膜和球顶属于薄层区使用细化网格、磁体与极板之间的通孔区域使用细化网格，扬声器的其余部分采用稍微粗化网格，其他部...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘娜，张志，程文烁，万领，李长火，蔡国雄，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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