[发明专利]一种扬声器振动中非线性特性的仿真计算方法

说明书

技术领域

本发明属于扬声器领域，涉及一种扬声器振动中非线性特性的仿真计算方法。使用本发明同时也可得到音圈振动中的多种线性特性，音圈电流的多种线型和非线性特性。

背景技术

扬声器在较大功率工作时，由于振动系统劲度系数（K）、音圈处的平均磁感应强度（B）和音圈电感（L）等物理量随音圈位移（x）发生变化，引起振动系统的非线性振动。振动系统的非线性振动引起扬声器的非线性失真，表现出声音不纯净、不好听，因此研究和抑制扬声器振动中的非线性失真是中高档扬声器设计中的要点。扬声器振动部件面积较大，运动状态随位置有所变化，为了便于量化研究，可以重点研究音圈处的振动情况，得到音圈振动中的各种非线性特性，例如：位移偏置（音圈稳态振动的平均位移不一定在静止时的平衡点处，偏离的距离为位移偏置）、各次谐波失真（在单频激励时，音圈振动不只包含激励频率，也包含激励频率的2倍频率、3倍频率等，这种现象称为谐波失真）、各次互调失真（在双频激励时，音圈振动不只包含激励频率，也包含激励频率的和频和差频等，这种现象称为互调失真）等。音圈处振动的非线性特性虽然与扬声器整体的非线性特性并不等同，但是有直接密切的联系，音圈振动的非线性是扬声器非线性失真的最主要来源。通过仿真计算了解扬声器音圈的非线性振动特性，可以有效地指导扬声器的设计和改进。

现有的相关技术和方法：

（1）制样测量的方法。根据设计制作一个样品，测量样品的谐波失真、互调失真等特性，目前电声企业普遍采用这种方法来了解设计的失真状况。这种方法的缺点有：1.由于对每个设计改进都需要制样，因此周期长成本高；2.各项检测比较耗时，尤其是多频率互调失真的检测，各种频率组合总量很大难以全面检测；3.检测能发现失真情况，但不能说明是哪部分设计引起的非线性失真；

（2）Wolfgang Klippel的论文《Tutorial: Loudspeaker Nonlinearities—Causes, Parameters, Symptoms》对于各部件引起非线性失真的原理和特点做了全面的阐述。以这套理论为基础，Klippel测量系统可以对扬声器的非线性失真的产生给出定性的分析和建议。但是这套系统只是根据经验给出一些可能“产生10%非线性失真”的原因，而无法定量地分析具体的非线性失真状况；

（3）对扬声器包括电路、磁路和振动系统整体建模，利用非线性有限元方法计算瞬态运动特性，递推计算可得到振动系统非线性运动曲线。这种方法的缺点有：1.模型大，涉及多物理场耦合计算和动态计算，需要超大内存，计算时间超长，需要专门的计算集群才可能实现；2.多步瞬态叠加的算法容易产生误差累积；3.对使用者物理、数学水平要求高，不利于电声工程师掌握。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种根据已知的劲度系数（K）、音圈处的平均磁感应强度（B）和音圈电感（L）等物理量与音圈位移（x）的函数关系，计算在任意单频或多频电压激励下扬声器音圈振动中的非线性特性的方法。利用这一方法可以快速计算出在各种主要非线性因素耦合作用下扬声器音圈振动中和音圈电流中的多种非线性特性。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的扬声器振动中非线性特性的仿真计算方法，根据扬声器各部件物理性质，计算得到在单频或多频电压激励下，扬声器音圈振动中的非线性特性。该方法包括以下步骤：

（1）对任意周期性的电压激励函数，确定它的频率成分和各频率的幅度值；

（2）根据上述各频率值，计算在关注范围内的各次倍频、和频和差频的频率值，去除其中重复或过于接近的部分，得到计算频率集合，关注范围内一般包括20Hz到5kHz，，频率集合记为：                                                ；

（3）将扬声器音圈位移函数和音圈电流函数分别表示为一组基函数的加权和的形式：

系数 为未知量，基函数集合为：

；其中是步骤（2）中得到的计算频率集合；

（4）利用步骤（3）的结果，通过对时间求导，得到音圈速度、音圈加速度、音圈电流的时间导数：

它们都是以步骤（3）中提到的两组未知量和时间为自变量的函数；

（5）利用步骤（3）的结果，振动系统劲度系数（K）、音圈处平均磁感应强度（B）和音圈电感（L）物理量写成以步骤（3）中提到的两组未知量和时间为自变量的函数：

；