一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法，属于扬声器设计领域。首先，在绘图软件中绘制扬声器的几何模型及空气域几何模型。然后，在有限元分析软件中对建立的几何模型进行材料特性定义、物理场环境设置、网格划分和边界条件定义，得到有限元模型。其次，通过有限元求解器对有限元模型进行三场耦合瞬态求解，得到扬声器在空间指定点处产生的时域声压信号。最后，对时域声压信号的稳定区域进行频谱分析，提取不同频率点的幅值后就可以分别计算得到扬声器的谐波失真、互调失真或分谐波失真等扬声器失真。该方法可以在扬声器设计初期，即在尚未生产制造样品之前分析得到扬声器的失真特性，从而使扬声器的设计和制作快速便捷。
【专利说明】一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法，属于扬声器仿真设计 领域。
【背景技术】
[0002] 扬声器失真分为线性失真及非线性失真，后者是由扬声器的振幅非线性引起的， 其对扬声器忠实地重放声音的能力产生主要影响，包括谐波失真、互调失真和分谐波失真 等。
[0003] 谐波失真是指当扬声器输入某一频率的正弦信号时，扬声器输出的声信号中，除 了原输入的信号外，同时出现二次、三次谐波等谐波分量。通常扬声器谐波失真出现在低频 段，特别是在振动系统共振频率A附近时较大，其主要来源有三个：振动系统非线性，其导 致扬声器在大振幅振动时出现三次谐波失真；磁隙中磁感应强度分布不均匀，其导致扬声 器在大振幅振动时出现二次谐波失真；空气弹性的非线性，防尘帽下封闭的空气、定心支片 和盆架间封闭的空气会导致二次谐波失真。
[0004] 互调失真是指当两个频率分别为Z1和Z2的正弦信号同时加到扬声器时，由于扬声 器的非线性，它的输出声压中，会出现Z1和Z2的和差频率(/2±/；、/ 2±2 /"?)信号。除了 扬声器振幅非线性以外，由于多普勒效应、扬声器的指向性、音箱中高频低频扬声器的干涉 等原因都会产生互调失真。
[0005] 分谐波失真是指当给扬声器加强的正弦信号时，在中频、低频段会产生频率为1/2 或1/3等信号频率的模糊信号，在生产厂被称之为"半音"，断续出现，它是由振膜非线性引 起的。
[0006] 失真是扬声器的一项非常重要的性能指标，其直接关系到扬声器的声音重放质 量，因此各扬声器制造企业对扬声器的失真特性非常重视，但是目前企业里分析扬声器失 真特性的方法仍为传统的经验法，一般为样品试做、测试、再改善样品、再测试的反复循环 过程，这种方式必须等到设计后期才能发现扬声器问题，而且开发周期长、成本高。
[0007] 随着计算机技术的发展，使用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扬声器设计可以在样品试做前期预估扬声器的性能，从而加快 扬声器的设计进度，减少开发成本。目前在国内还没有关于使用数值仿真分析方法来分析 扬声器失真特性的公开发表的先例。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是得到一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法； 本发明要解决的是分析扬声器失真特性时，经验法存在的须等到设计后期才能发现扬 声器问题且开发周期长、成本高的问题。本发明基于扬声器磁路、振动系统和声场的三场耦 合分析来进行失真特性分析，从而分析结果相比于单场或两场独立分析更加全面和准确； 本发明的一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法，具体步骤为： (1) 建立扬声器及空气域的几何模型图 使用绘图软件或直接在有限元分析软件中绘制扬声器和空气域的三维3D几何模型 图，其中扬声器的几何模型应包括扬声器磁路系统和振动系统在内，若模型为圆形，贝1J建立 扬声器的2D轴对称简化模型； (2) 建立扬声器及空气域几何模型的有限元模型，具体步骤如下： A. 定义材料参数，定义模型各部件的材料参数，包括上夹板和导磁碗的磁化曲线值(即 BH值和HB值)，空气的特性以及振动系统各部件的杨氏模量、泊松比、密度和结构的瑞利阻 尼； B. 设置物理场环境，扬声器在工作状态下会涉及到电磁场、振动和声场多物理场的耦 合，因此需要分别设置各物理场环境：1)磁场本构关系，设置扬声器磁路系统中磁钢的剩余 磁通密度、上夹板和导磁碗的磁特性；2)多匝线圈，由于音圈是由漆包线绕制而成的，而模 型中的音圈是一个矩形区域，因此要定义音圈的匝数，截面积和端电压；3)在外空气层添加 球面波辐射边界； C. 划分网格，对扬声器的几何模型进行网格划分，得到有限元分析所用的分析单元，若 是2D模型，选择面单元，若是3D模型，则选择体单元； D. 定义边界条件，1)固定边界条件，由于扬声器折环和定心支片是固定在盆架上的，需 要在其边缘定义固定边界条件；2)施加载荷，在模型的音圈部位施加驱动力。分析不同的 失真特性时，施加的载荷形式也不同，比如在分析扬声器谐波失真和分谐波失真时，需要施 加一个单频正弦信号的驱动力，在分析扬声器互调失真时，则需要施加一个由两个频率的 正弦信号叠加的驱动力； (3) 用有限元求解器对有限元模型进行求解 求解分为两步：首先求解磁路部分静态磁场的麦克斯韦方程，得到扬声器的稳态磁通 密度分布；然后进行磁路和声固耦合瞬态求解，包括求解时变场下的麦克斯韦方程、多自由 度系统受迫振动方程和声振耦合方程，完成磁路、振动系统和声场的三场耦合瞬态分析，并 得到扬声器在指定点处产生的时域声压信号； A. 对有限元模型进行磁路稳态分析 通过求解扬声器磁路部分静态磁场的麦克斯韦方程，得到扬声器音圈所在磁隙处的稳 态磁通密度分布； B. 对有限元模型进行三场耦合瞬态分析 a.磁路与振动系统的稱合瞬态分析 扬声器磁路与振动系统的稱合表现为：一方面，通电音圈在磁场中受到洛伦兹力的作 用而产生运动，从而推动整个振动系统进行振动，同时运动的音圈会由于切割磁感线而产 生感应电动势,进而影响音圈驱动力大小；另一方面，由音圈上交变电流产生的感应电磁场 也会影响磁路系统的磁感应强度分布； 时变场下的麦克斯韦方程可以表达为：
【权利要求】
1. 一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤： (1) 建立扬声器及空气域的几何模型图 使用绘图软件或直接在有限元分析软件中绘制扬声器和空气域的三维3D几何模型 图，其中扬声器的几何模型应包括扬声器磁路系统和振动系统在内，若模型为圆形，贝1J建立 扬声器的2D轴对称简化模型； (2) 建立扬声器及空气域几何模型的有限元模型，具体步骤如下： A. 定义材料参数，定义模型各部件的材料参数，包括上夹板和导磁碗的磁化曲线值(即 BH值和HB值)，空气的特性以及振动系统各部件的杨氏模量、泊松比、密度和结构的瑞利阻 尼； B. 设置物理场环境，扬声器在工作状态下会涉及到电磁场、振动和声场多物理场的耦 合，因此需要分别设置各物理场环境；物理场环境包括：1)磁场本构关系，设置扬声器 磁路系统中磁钢的剩余磁通密度、上夹板和导磁碗的磁特性；2)多匝线圈，由于音圈是由漆 包线绕制而成的，而模型中的音圈是一个矩形区域，因此要定义音圈的匝数，截面积和端电 压；3)在外空气层添加球面波辐射边界； C. 划分网格，对扬声器的几何模型进行网格划分，得到有限元分析所用的分析单元，若 是2D模型，选择面单元，若是3D模型，则选择体单元； D. 定义边界条件，1)固定边界条件，由于扬声器折环和定心支片是固定在盆架上的，需 要在其边缘定义固定边界条件；2)施加载荷，在模型的音圈部位施加驱动力；分析不同的 失真特性时，施加的载荷形式也不同，比如在分析扬声器谐波失真和分谐波失真时，需要施 加一个单频正弦信号的驱动力，在分析扬声器互调失真时，则需要施加一个由两个频率的 正弦信号叠加的驱动力； (3) 用有限元求解器对有限元模型进行求解 求解分为两步：首先求解磁路部分静态磁场的麦克斯韦方程，得到扬声器的稳态磁通 密度分布；然后进行磁路和声固耦合瞬态求解，包括求解时变场下的麦克斯韦方程、多自由 度系统受迫振动方程和声振耦合方程，由此完成磁路、振动系统和声场的三场耦合瞬态分 析，并得到扬声器在指定点处产生的时域声压信号； A. 对有限元模型进行磁路稳态分析 通过求解扬声器磁路部分静态磁场的麦克斯韦方程，得到扬声器音圈所在磁隙处的稳 态磁通密度分布； B. 对有限元模型进行三场耦合瞬态分析 a.磁路与振动系统的稱合瞬态分析 扬声器磁路与振动系统的稱合表现为：一方面，通电音圈在磁场中受到洛伦兹力的作 用而产生运动，从而推动整个振动系统进行振动，同时运动的音圈会由于切割磁感线而产 生感应电动势,进而影响音圈驱动力大小；另一方面，由音圈上交变电流产生的感应电磁场 也会影响磁路系统的磁感应强度分布； 时变场下的麦克斯韦方程可以表达为：
上式中，0为电导率，厶为音圈中的电流密度，其包括信号电流密度和感应电流密度； 通过上式可以求解得到儿从而可计算磁感应强度沒： I = fXl 另外，由于在音圈的振动范围内，磁感应强度的分布是不均匀的，因此磁路的非线性会 导致音圈驱动力的非线性； 通电线圈在磁场中所受到的力为：
上式中，#为音圈的线圈匝数，r为音圈半径，1#为音圈中的电流，包括信号电流和感应 电流； b.声振稱合瞬态分析 扬声器振动系统与声场的稱合表现为：一方面，振动系统向空气中福射声波；另一方 面，声波也会对振动系统产生反作用力，并对振动状态产生影响； 扬声器在谐载荷作用下的振动形式可由多自由度系统受迫振动来表征，其振动位移 (t)}满足以下多自由度系统受迫振动方程：
上式中，[?]为包含空气等效质量在内的振动系统质量矩阵，[c]为阻力系数矩阵，[幻 为刚度矩阵，'为驱动力幅值，为谐载荷的角频率，为声波对振动系统的反作用力； 求解上述基本方程，得： {u(t)}={y1(z^)}+{u2(t)} 该解由两部分组成，{& (〇}为对应的齐次方程的通解，其与初始条件有关，是系统做 自由衰减振动的瞬态解；{?2U)}为对应的非齐次方程的特解，是系统做受迫振动的稳态 解；在进行扬声器失真特性分析时，需要研究方程的稳态解{? 2U)}; 在空气与振动系统耦合的位置(主要是纸盆区域)，结构法线方向上的振动加速度与空 气法向的振动加速度相同，这样在耦合边界处设定加速度^通过声振耦合方程计算得 到边界上产生的空气压强:
其中，p为材料密度，n为耦合边界上的法向单位向量； 通过上式可实现振动系统振动带动空气振动形成声波，相当于声场中的加速度声源； 同时在振动系统和声场的边界上，空气压强使声压加载在边界上对振动系统产生应 力： piFd 其中，I为结构应力； 通过上式可实现声波对振动系统产生反作用力，并对振动状态产生影响； (4)计算失真 通过由三场耦合瞬态分析得到的扬声器时域声压信号可以计算得到扬声器的失真 特性，包括谐波失真、互调失真和分谐波失真等，作为算例，此处给出前两种失真的计算方 法； A. 计算谐波失真； 对时域声压信号的稳定阶段进行FFT频谱分析，并提取高次谐波，然后通过下式计算 得到扬声器的《次谐波失真（《=2或3)及总谐波失真：
上式中，Pt表不包括基频在内的总声压； B. 计算互调失真； 设和/2是输入信号的两个频率，其中小于/2，且两个频率之间没有整数倍的关 系； 对时域声压信号的稳定阶段进行FFT频谱分析，并提取频率/2±fc-l)A对应的互调 分量，然后通过下式计算得到扬声器的第《次互调失真，如：
一般不考虑四次以上的高次互调失真。
2. 如权利要求1所述的扬声器失真特性的数值仿真分析方法，其特征在于选择的扬声 器包括各种动圈式电动扬声器。
3. 如权利要求1所述的扬声器失真特性的数值仿真分析方法，其特征在于扬声器失真 包括谐波失真、互调失真和分谐波失真。
4. 如权利要求1所述的扬声器失真特性的数值仿真分析方法，其特征在于绘图软件包 括Solidworks、Pro/E;有限元分析软件包括COMSOL和ANSYS。
【文档编号】G06F17/50GK104408227SQ201410586208
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】陆晓, 温周斌, 岳磊, 徐楚林 申请人:浙江中科电声研发中心, 嘉善恩益迪电声技术服务有限公司