[发明专利]动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法

权利要求书

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；

所述的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)；

所述的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：动铁式扬声器的声压级频响曲线在711耦合器中测试，为使仿真分析方法更具通用性，建立711耦合器声腔的等效模型，包括连接管，并使之与扬声器正确连接；

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.在“磁场”下，添加“线圈”域，并输入匝数和线径，并设置线圈“谐波扰动电压值”和“几何分析”；所述的线圈谐波扰动电压值为U0-U(x),U0为外加电压，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“边界载荷”，载荷大小为F(x),即考虑衔铁表面麦克斯韦应力张量随衔铁位移的变化关系；

M.在“固体力学”下，设置平衡衔铁、连杆和振膜的对称面为“对称”边界；

N.选择“压力声学,频域”物理场对应域,对应域包括扬声器内空气域和711耦合器声腔内空气域；

O.在“压力声学，频域”下,设置压力平衡孔、前腔和711耦合器的狭窄域中为“狭窄区域声学”；

P.在“压力声学，频域”下,设置711耦合器的麦克风端面为“串联耦合RCL”的“阻抗”边界，这里R为当量声阻,C为等效声顺,L为当量声惯量；

Q.在“压力声学，频域”下，设置压力平衡孔外端面为“带法兰的波导末端”的“阻抗”边界；

R.在“多物理场”接口下，设置“声-结构边界”，用于耦合“固体力学”和“声场”；

3)定义材料参数：设置该动铁式扬声器的平衡衔铁、振膜、软铁、磁钢部件及空气的材料参数值，材料参数值主要包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼、动力粘度、电导率和介电常数；

4)划分网格:指定网格单元类型,得到有限元网格模型；在压力平衡孔、前后腔空气域、平衡衔铁、磁隙和711耦合器狭窄空气域中应适当加密网格，使计算结果更精确；

(2)求解及后处理

1)求解:在该动铁式扬声器仿真分析中，采用“线圈几何分析+小信号频域扰动”研究对上述有限元模型进行求解；

2)结果后处理:求解完成后采用后处理操作，可得到该动铁式扬声器的基本特性，它们主要包括：A.该动铁式扬声器的声压级频响曲线；B.该动铁式扬声器的阻抗曲线；C.声腔中的声压和声压级分布；所述的后处理操作是有限元软件获取结果的常规操作。