COMSOLMultiphysics微型揚(yáng)聲器分析設(shè)計(jì)項(xiàng)目解決方案-郭枝權(quán)

..oftWare軟件世界..COMSOLMultiphysics微型揚(yáng)聲器分析設(shè)計(jì)解決方案□中仿科技〔CnTech公司郭枝權(quán)安琳..一、背景分析在中國(guó)乃至世界范圍內(nèi),消費(fèi)數(shù)碼產(chǎn)業(yè)在過去十年間發(fā)展迅猛。20XX前后,MP3出現(xiàn)。MP3引起的風(fēng)潮刺激了市場(chǎng),帶來了需求,也催生了更多諸如MP4、MP5這樣的產(chǎn)品。今天,智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦都把影音播放功能作為賣點(diǎn)之一,價(jià)格幾百乃至幾千的耳塞／耳機(jī)在公交車或者地鐵上隨處可見。就連手機(jī)的外放和配套耳機(jī),也開始注重音效。另一方面,汽車消費(fèi)在中國(guó)的強(qiáng)勁增長(zhǎng),更是大大推動(dòng)了小型揚(yáng)聲系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和擴(kuò)大。當(dāng)前世界正處于刺激消費(fèi)、拉動(dòng)增長(zhǎng)的主旋律之中。中國(guó)市場(chǎng)如果排除投資性增長(zhǎng)的因素,國(guó)民消費(fèi)幾乎全部集中于房產(chǎn)、教育、醫(yī)療、汽車、數(shù)碼電子這幾大領(lǐng)域。微型揚(yáng)聲器產(chǎn)業(yè)面對(duì)的市場(chǎng)異常龐大而且充滿機(jī)會(huì)。1.揚(yáng)聲器分析技術(shù)背景揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)離不開聲學(xué)分析,從技術(shù)上說,這是一個(gè)波動(dòng)問題的求解過程,在我們選擇分析方法的時(shí)候,頻率〔或者是波長(zhǎng)是一個(gè)很重要的參考量。如果分析的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng),這個(gè)時(shí)候波動(dòng)性的體現(xiàn)并不明顯,工程計(jì)算一般采用路徑追跡的方法,也才有人把這稱為幾何聲學(xué)的方法。即認(rèn)為聲波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播,并按照已知的立體角發(fā)散；遇有介質(zhì)突變的界面時(shí),聲波按照可預(yù)測(cè)的角度發(fā)生反射,同時(shí)存在可描述的功率衰減。這種追跡的方法,業(yè)內(nèi)通常喜歡使用Matlab一類的工具,用幾行代碼即可實(shí)現(xiàn)。如果分析的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),這個(gè)時(shí)候的波動(dòng)性也不明顯。彈性波動(dòng)現(xiàn)象在這個(gè)時(shí)候弱化為彈性振動(dòng),問題變成了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析過程。只有當(dāng)分析的結(jié)構(gòu)尺寸與波長(zhǎng)可比擬時(shí),波動(dòng)效應(yīng)〔衍射、散射體現(xiàn)得最為突出?？諝庵械穆曀贋?40m/s,一般的樂聲和人聲的頻率范圍約為200~4000Hz,換算成波長(zhǎng)即為85mm~1.7m。這正是我們常見的微型、小型揚(yáng)聲器,乃至家用級(jí)音箱的結(jié)構(gòu)尺寸范圍。這時(shí),需要求解波動(dòng)方程來進(jìn)行分析。除聲學(xué)之外,揚(yáng)聲器中還涉及電磁線圈的頻率分析、功耗分析和結(jié)構(gòu)失效分析等。2SOLMultiphysics應(yīng)用背景微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)工作涉及三個(gè)基礎(chǔ)領(lǐng)域：電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和聲學(xué)設(shè)計(jì)。業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)的廠商,其研發(fā)中心也基本照此劃分為三個(gè)團(tuán)隊(duì)。顯然,這是一個(gè)多物理耦合的工程應(yīng)用。另外,工業(yè)級(jí)的應(yīng)用對(duì)計(jì)算分析在很多細(xì)節(jié)上有著很高的要求。比如耳機(jī)結(jié)構(gòu)中存在動(dòng)圈結(jié)構(gòu)和音膜,二者尺寸跨度很大。同時(shí)音膜的結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜,各部分厚度可能不同、材質(zhì)可能不同,同時(shí)存在多層膜復(fù)合的情況,這些都需要仿真工具有專門的解決方案。COMSOLMultiphysics就是這樣一個(gè)專門的解決方案,而且就目前而言,是世界上唯一能夠完美解決微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中所有問題的工業(yè)級(jí)解決方案。在微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)領(lǐng)域,COMSOLMultiphysics是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。二、微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)分析要點(diǎn)從工業(yè)應(yīng)用的角度,用戶的典型需求如下。〔1結(jié)構(gòu)微型化：小型電子設(shè)備〔如手機(jī)中使用的微型揚(yáng)聲器的尺寸相對(duì)來說較小,在毫米〔局部微米級(jí)的結(jié)構(gòu)上是否能夠?qū)崿F(xiàn)多種物理現(xiàn)象的模擬？能否保證精度？〔2對(duì)于電磁線圈的模擬與分析：在揚(yáng)聲器的線圈中通入電流后,電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),同原有永磁體的磁場(chǎng)相互影響,同時(shí)線圈存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這一系列的模擬能否提供明確的模擬方法和解決方案？能否得到符合實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力？能否給出線圈的阻抗、電感的頻率曲線？〔3在揚(yáng)聲器中所使用的音膜為復(fù)合材料,是由兩層或多層不同材料的薄膜構(gòu)成,每層膜的不同局部,采用不同的厚度和材質(zhì),如何在厚度很小的情況下模擬出符合實(shí)際情況的音膜整體性能？..32idnovo..欄目主持：侯琳投稿信箱：houlidnovo〔4音膜在實(shí)際生產(chǎn)中使用時(shí),在其表面會(huì)有些通過模擬薄膜產(chǎn)生聲場(chǎng)在無限大開放環(huán)境中的傳播。通過進(jìn)行頻蝕刻或成型制造出來的紋路,通過紋路的位置和深淺來調(diào)率掃描計(jì)算,得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部空氣響應(yīng)和振動(dòng)模態(tài)。根據(jù)這一節(jié)音膜的響應(yīng)頻率,在模擬中是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)存在紋路的音思路,設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整任何參數(shù),如改變驅(qū)動(dòng)電信號(hào)、選膜模擬？擇材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等,直到達(dá)到最佳的結(jié)果。〔5聲學(xué)模擬：揚(yáng)聲器聲學(xué)特性的模擬,如何實(shí)現(xiàn)？下面通過一系列案例說明這一過程。由于我們需要保無限遠(yuǎn)的區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)？護(hù)相關(guān)廠商的技術(shù)秘密,因此本方案中的模型均為簡(jiǎn)化過的〔6CAD模型導(dǎo)入：由于微型揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)的較為復(fù)模型,并有意把模型分離成各小部分分別演示,同時(shí)隱去廠雜,尤其是薄膜結(jié)構(gòu)蝕刻或成型后的結(jié)構(gòu),如果使用不是很商的信息和重要的技術(shù)參數(shù),如結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)尺寸、各部分材料熟悉的軟件進(jìn)行建模是比較困難的,同時(shí)對(duì)于已有CAD模型特性等,旨在說明COMSOLMultiphysics如何進(jìn)行分析。文件,是否能夠直接導(dǎo)入CAE軟件中進(jìn)行計(jì)算？對(duì)于通過讀1.揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)分析取CAD文件導(dǎo)入到CAE軟件中的模型能否在軟件中進(jìn)行修改？圖1展示了一個(gè)典型的動(dòng)圈揚(yáng)聲器的基本結(jié)構(gòu)。永磁如何修改？修改后的模型是否會(huì)影響模擬的結(jié)果？鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)被極片、頂板和底板所收集,然后在氣隙處〔7經(jīng)驗(yàn)方程或特殊材料屬性的輸入：對(duì)于一些研究集中釋放。氣隙中的音圈被一個(gè)面彈簧懸掛。當(dāng)音圈通有人員自己的一些經(jīng)驗(yàn)方程能否直接輸入到軟件中,實(shí)現(xiàn)求變化的電流〔音頻信號(hào)時(shí),磁場(chǎng)產(chǎn)生的羅侖茲力和面彈解？對(duì)于一些特殊的或新研發(fā)使用的材料,其屬性是軟件材簧共同作用會(huì)導(dǎo)致音圈上下振動(dòng),從而帶動(dòng)音膜振動(dòng),聲料庫(kù)所無法提供的,在模擬時(shí)這些數(shù)據(jù)是否能夠直接輸入？波在空氣中傳播出去,其聲場(chǎng)空間分布受到喇叭輪廓的影〔8結(jié)構(gòu)變形失效研究：結(jié)構(gòu)工作時(shí)會(huì)有振動(dòng)〔變響,如圖2所示。形的發(fā)生,需要研究在長(zhǎng)時(shí)間工作后是否會(huì)發(fā)生變形失效問題,導(dǎo)致響應(yīng)頻率的改變,這種研究軟件中是否能夠通過模擬來實(shí)現(xiàn)？〔9散熱問題的模擬：在某些稍大型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中,隨著功率的增加,其發(fā)熱量顯著增大,如何模擬熱量對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響〔如結(jié)構(gòu)熱變形,受熱材料屬性發(fā)生變化,及結(jié)構(gòu)散熱的仿真？..三、COMSOLMultiphyscis微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)由于微型揚(yáng)聲器模擬仿真中所涉及問題的復(fù)雜性,其多物理場(chǎng)耦合的解決是常規(guī)單場(chǎng)分析軟件所無法做到的。在這種情況下,多物理場(chǎng)耦合耦合分析軟件COMSOLMultiphysics能夠發(fā)揮很大的作用。對(duì)于多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)的建模和仿真分析,COMSOLMultiphysics提供了一個(gè)科學(xué)的軟件分析環(huán)境?？蛇x擇的模塊功能包括電磁學(xué)、聲學(xué)、熱傳遞、微機(jī)電、化學(xué)工程反應(yīng)實(shí)驗(yàn)室以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)學(xué)科的專門工具。用戶可以通過求解微型結(jié)構(gòu)的力-電-磁-聲-熱耦合問題,來精確模擬微型揚(yáng)聲器工作中的各種物理現(xiàn)象,進(jìn)一步預(yù)測(cè)分析揚(yáng)聲器的工作性能及可靠性。COMSOLMultiphysics集前處理器、求解器和后處理器于一體,在同一個(gè)圖形化操作界面中可以完成幾何建模、網(wǎng)格剖分、方程和邊界參數(shù)設(shè)定、求解以及后處理。用戶可以在圖形化界面中構(gòu)建自己的幾何模型,或者直接導(dǎo)入SolidWorks、Inventor和Pro/ENGINEER等CAD軟件構(gòu)建的幾何模型。COMSOL還內(nèi)置了專門的材料庫(kù),支持用戶自定義材料參數(shù)。在設(shè)計(jì)中,能夠方便的定義線圈的載荷〔如電流密度等,創(chuàng)建含有永磁體的動(dòng)圈結(jié)構(gòu),以及很薄的多層復(fù)合音膜。此外,完美匹配層〔PML、預(yù)定義的聲-殼耦合和應(yīng)用阻尼本構(gòu)模型等,使得COMSOLMultiphysics可以自如地圖1動(dòng)圈揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)示意圖2二維軸對(duì)稱建模,加入空氣域和外圍PML考慮無限大聲場(chǎng)模擬仿真分為兩步進(jìn)行。〔1電磁分析。使用AC/DC模塊中的磁場(chǎng)〔MagneticFields接口,求解音圈附近的磁場(chǎng)方程,如圖3所示。分析可以獲得驅(qū)動(dòng)力BL；并且通過計(jì)算音圈在一定頻率范圍內(nèi)的時(shí)諧場(chǎng),得到閉合線圈的阻抗Zb?！?聲學(xué)-結(jié)構(gòu)耦合分析。在聲學(xué)-結(jié)構(gòu)耦合分析中使用第一步計(jì)算得到的驅(qū)動(dòng)力BL和阻抗Zb,計(jì)算聲壓分布,及同一頻率上的驅(qū)動(dòng)器總電阻。..CAD/CAM與制造業(yè)信息化·20XX第10期33..oftWare軟件世界..靠近表面。這導(dǎo)致電感及阻抗的電阻部分隨著頻率而變化。圖6顯示的是閉合線圈的電感隨頻率變化的曲線。..圖3音圈附近的磁場(chǎng)分布〔磁場(chǎng)強(qiáng)度的模極片和頂板中的鐵芯是非線性磁性材料,其BH曲線是一組離散的數(shù)據(jù),COMSOLMultiphyscis可以直接導(dǎo)入這些數(shù)據(jù)來定義符合工程實(shí)際的材料。圖4清楚地顯示了工程中實(shí)際的頂板和極片的磁導(dǎo)率分布。圖4受磁場(chǎng)影響下的頂板和極片的磁導(dǎo)率分布軟件同時(shí)可以給出電場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果,如閉合線圈的阻抗,以及頂板和極片上的感應(yīng)渦旋電流,如圖5所示。圖5極片和頂板分別在52Hz和90Hz時(shí)的感應(yīng)電流在較高頻率處,趨膚效應(yīng)〔skineffect使得電流更圖6閉合線圈的電感時(shí)頻率的函數(shù)通過聲學(xué)-結(jié)構(gòu)耦合分析,圖7顯示的是3500Hz時(shí)聲壓級(jí)分布。最小值位于擋板上方45°附近。在較低頻率,聲壓級(jí)是平均分布的,但是峰值是在軸向上。圖73500Hz時(shí)的聲壓級(jí)分布通過進(jìn)一步的掃頻計(jì)算,我們可以獲得揚(yáng)聲器的靈敏度,即不同頻率情況下,軸向某點(diǎn)處聲壓級(jí)的變化,如圖8所示。首選的工作范圍是在響應(yīng)較平均的區(qū)域,也就是說,通常在100~1500Hz的區(qū)域內(nèi)。圖8揚(yáng)聲器靈敏度,測(cè)量距離1米處的軸向聲壓級(jí)〔dB得到總電阻,定義為Z=V0/I,如圖9所示。出現(xiàn)在40Hz的峰值是由于恰逢機(jī)械共振；在這個(gè)頻率上,阻抗的電阻部分是..34idnovo..欄目主持：侯琳投稿信箱：houlidnovo從電感式到電容式的轉(zhuǎn)換標(biāo)志。在大多數(shù)工作頻率范圍內(nèi)阻抗主要是電阻。在100Hz~1kHz,電阻變化較小。在頻率高于1kHz時(shí),阻抗持續(xù)增加,這里音圈的電感開始扮演重要作用。..圖9揚(yáng)聲器電阻抗是頻率的函數(shù)2.聲-殼耦合分析上例演示了動(dòng)圈揚(yáng)聲器整個(gè)分析的流程。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中,常常揚(yáng)聲器并不是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此就必需進(jìn)行三維建模分析。在三維結(jié)構(gòu)中,音膜相比動(dòng)圈結(jié)構(gòu)而言非常薄,所以整個(gè)模型是一個(gè)跨尺度分析問題。為了將計(jì)算量控制在可接受的范圍內(nèi),同時(shí)保證計(jì)算的精度,業(yè)內(nèi)通常使用殼結(jié)構(gòu)來描述音膜。所以在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,業(yè)內(nèi)公認(rèn)使用聲-殼耦合來模擬薄膜發(fā)聲,而不是上例所使用的聲-固耦合。也就是把上例中的仿真第二步用本例所描述的方法進(jìn)行分析。下例展示了這項(xiàng)功能。圖10展示了揚(yáng)聲器中的錐體音膜及防塵蓋的模型。其材料設(shè)定為鈦合金,厚度為0.5mm,在模擬仿真中我們使用殼體來描述。在模型外部建立空氣域,計(jì)算在空氣域中的聲壓分布。圖10使用殼體來分析音膜振動(dòng)和發(fā)生假設(shè)電磁分析已計(jì)算完畢,電磁驅(qū)動(dòng)力的大小和頻率已知。音膜結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部音圈的受力而振動(dòng)。我們略去掃頻的過程,僅選擇1kHz和6kHz兩個(gè)頻率進(jìn)行頻域分析作為演示,如圖11~圖13所示。圖111kHz和6kHz的錐體瞬時(shí)位移〔以z方向的位移來描述圖121kHz和6kHz時(shí)空氣域中的聲壓場(chǎng)切面圖,及同零相位相比的位移變形情況圖131kHz和6kHz時(shí)空氣域中的聲壓級(jí)切面圖,及同零相位相比的位移變形情況..CAD/CAM與制造業(yè)信息化·20XX第10期35..oftWare軟件世界..在圖12和13中可以看到,在6kHz時(shí),在Z軸30°左右存在兩個(gè)低值區(qū)域。在同樣的模型上施加同樣的初始位移,可以看到在高頻時(shí)整體的聲壓級(jí)更高。3.復(fù)合薄膜性能分析有了殼分析仍然不能完美滿足工業(yè)界的需求。在業(yè)內(nèi),音膜是整個(gè)揚(yáng)聲器中最重要的部件之一。頂級(jí)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì),音膜總是最令工程師絞盡腦汁的地方。多層膜復(fù)合,每層膜中各個(gè)部分使用不同的厚度和材質(zhì),并且在特定的位置加入各種花紋和凹槽,改善音膜的頻響。在業(yè)內(nèi),各廠商多有自己的CAD環(huán)境進(jìn)行這些音膜的設(shè)計(jì)。本例演示了一個(gè)Pro/ENGINEER設(shè)計(jì)的復(fù)雜雙層復(fù)合薄膜,導(dǎo)入到COMSOLMultiphysics中進(jìn)行仿真分析,如圖14、圖15所示。圖14雙層復(fù)合音膜〔中間藍(lán)色部分為音圈圖15每層膜各個(gè)部分往往采用不同的厚度設(shè)計(jì)和材質(zhì)設(shè)計(jì)COMSOLMultiphysics為這種復(fù)雜膜分析提供了專門的解決方案。軟件中可以設(shè)定任意多層膜復(fù)合,同時(shí)分別指定每層膜中各局部的細(xì)部幾何和材料屬性。我們演示了典型的頻域掃略分析,設(shè)定一定的頻率范圍〔一般為200Hz~10kHz,并且在低頻部分設(shè)定更多的采樣點(diǎn)。特別說明：我們使用一臺(tái)4核2.66G的臺(tái)式計(jì)算機(jī),共掃描了從200Hz~10kHz范圍內(nèi)的共137個(gè)頻率,運(yùn)算時(shí)間為13小時(shí)。最終可以給出復(fù)合音膜揚(yáng)聲器的靈敏度曲線〔類似圖8。由于工業(yè)保密原因,本曲線在本方案中略去。4.結(jié)構(gòu)失效分析在工業(yè)界微型揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)制造中,一些結(jié)構(gòu)〔如揚(yáng)聲器固定彈片在長(zhǎng)時(shí)間工作中可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服失效的現(xiàn)象。這里我們建立一個(gè)如圖16所示模型。圖16彈片屈服分析模型由三部分組成,在接觸面處我們建立接觸對(duì),通過設(shè)定法向接觸系數(shù)來連接模型,如圖17所示。圖17彈片一段固定在結(jié)構(gòu)體中,一端懸空?qǐng)D18顯示了屈服的情況,圖中繪制的是mises應(yīng)力,紅色部分表示應(yīng)力超限,材料會(huì)屈服。同時(shí)結(jié)果顯示出,僅在表皮應(yīng)力超限,而不是整體屈服。圖18彈片屈服應(yīng)力分布四、小結(jié)COMSOLMultiphysics是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件,廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究及工程計(jì)算。模