微型扬声器多悬吊结构顺性的数值仿真分析方法与流程

1.本发明属于电声领域，涉及微型扬声器多悬吊结构顺性的数值仿真分析方法。


背景技术：

2.微型扬声器的线性冲程大小是影响扬声器电声性能高低的重要因素。为提高微型扬声器的线性冲程范围，电声工程师在原来仅有振膜的单悬吊结构的基础上，研发出多悬吊结构，旨在提高微型扬声器的线性冲程范围和工作的稳定性。常见的多悬吊结构有“双悬吊结构(主振膜 fpc定心支片)”和“三悬吊结构(主振膜 副振膜 fpc定心支片)”。
3.相较于单悬吊结构，多悬吊结构的设计中需要系统地考虑各个悬吊部件顺性的匹配。以往为满足多悬吊结构顺性匹配的要求，工程师往往需要先根据经验设计悬吊结构，再通过试制、组装和测量等进行验证。这种方法存在一些较为明显的弊端：1)由于悬吊部件尺寸、材料和悬吊方式的改变都可能导致顺性的测量值与经验值有较大的差别，因而该方法的通用性和稳定性差；2)虽然通过样品试制与测量的研究方法可以获得几何形状或材料参数对顺性的综合(或宏观)影响，但却难以探究其物理原理，形成系统的设计方法；3)该方法需要多次、反复设计、试制、组装和测量，产品研发周期长、效率低，且存在诸多不确定因素。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，提出一种微型扬声器多悬吊结构顺性的数值仿真分析方法。
5.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的微型扬声器多悬吊结构顺性的数值仿真分析方法，采用有限元分析软件，至少包括以下关键步骤：
6.a.建立几何模型：分别建立主振膜、副振膜、fpc定心支片、音圈几何模型，并对建立的各几何模型进行清理；
7.b.设置物理场和边界条件，包括如下内容：
8.b1.选择“固体力学”和“壳”物理场；
9.b2.在各物理场下，设置“固定约束”条件；
10.b3.在指定边界设置参数化的“载荷”条件，对称模型需要进行载荷关系转换；
11.c.设置“壳”和“固体力学”的共享边界及多物理场耦合关系；
12.d.设置材料参数；
13.e.划分网格及网格质量评估，减小网格引起的计算误差；
14.f.设置研究类型，包括“几何非线性”和“助扫描”的设置；
15.g.后处理获得顺性随音圈位移的变化曲线。
16.优选地，所述多悬吊结构为由主振膜、副振膜、fpc定心支片共同组成。
17.优选地，所述的有限元分析软件为comsol multiphysics软件。
18.本发明的有益效果是：本发明可快速、准确地仿真分析微型扬声器多悬吊结构的顺性，可以优化多悬吊结构的顺性平坦度，提高微型扬声器的线性工作(行程)范围。适用于
微型扬声器的主/副振膜、fpc定心支片(振动部件)以及由它们和音圈等装配件共同组成的微型扬声器多悬吊结构振动系统。
附图说明
19.图1为本发明的实施流程图。
20.图2为微型扬声器多悬吊结构图。
21.图3为多悬吊结构的仿真分析几何模型(1/4对称)。
22.图4为多悬吊结构的有限元网格划分结果。
23.图5为多悬吊结构(系统)的顺性曲线。
24.图6为fpc定心支片(部件)的顺性曲线。
25.图7为振膜(部件)的顺性曲线。
26.图8为多悬吊结构(系统)顺性随振膜杨氏模量的变化关系。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
28.如图所示，本发明所述的微型扬声器多悬吊结构顺性的数值仿真分析方法，采用有限元分析软件，至少包括以下关键步骤：
29.a.建立几何模型：建立包含了主振膜、副振膜和fpc定心支片的多悬吊结构振动系统的整体几何模型。其中，对于主振膜和副振膜(薄结构，厚度方向变形忽略)，分别建立面(壳)的几何模型；对于fpc定心支片(厚度方向变形不忽略)、球顶和音圈，分别建立实体的几何模型。
30.b.设置物理场和边界条件：
31.b1.选择“固体力学”和“壳”物理场；
32.b2.在各物理场下设置对应的“固定约束”边界；
33.b3.在指定边界设置参数化的“力”载荷；这里参数化力载荷可以使悬吊结构分别处于不同的位移(或变形状态)，以获得顺性随位移的非线性变化曲线。
34.c.设置“壳”和“固体力学”的“共享边界”及“多物理场耦合关系”：这里“壳”和“固体力学”的共享边界包括振膜分别与fpc定心支片、球顶和音圈的接触面；在共享边界上满足位移相等的耦合关系。
35.d.定义材料参数：这里需逐个设置各悬吊部件的杨氏模量、密度、泊松比和阻尼。
36.d.划分网格：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元。“壳”(面)采用自由三角形网格；“固体力学”(体)采用自由四面体网格；这里需要自定义网格尺寸，并进行适当的网格细化和网格质量评估，减少网格引起的计算误差。
37.e.研究和求解器设置：添加“稳态”研究，启用“几何非线性”和“助扫描”功能。设置需要扫描的力载荷的大小，并采用软件默认求解方法进行计算。
38.f.后处理：计算完成后，采用“全局变量”和“全局派生值”计算得到悬吊系统的顺性随音圈位移的变化关系。
39.所述的有限元分析软件为comsolmultiphysics，它是一款多物理场仿真分析软件，主要功能包括建立几何模型、网格划分、多物理场设置与求解、结果图像化显示等。
40.现本发明以一款具有三悬吊结构(主振膜 副振膜 fpc定心支片)的微型扬声器为例，基于comsol multiphysics软件仿真分析了该多悬吊结构的顺性。具体步骤如下：
41.1)建立几何模型
42.该微型扬声器多悬吊结构如图2所示，它满足1/4对称结构。仿真分析中为减小计算量，建立该多悬吊结构整体的1/4对称仿真分析模型如图3所示。
43.几何模型建立过程中，采用“虚拟操作”和“移除细节”等几何清理操作，对模型中多余的点、短线和小面进行清理。几何清理有助于在接下来的网格划分中减少有限元网格的数量，提高有限元网格的质量。
44.2)设置物理场
45.a.添加“壳”和“固体力学”物理场，及“实体薄结构连接”多物理场。
46.b.设置“壳”物理场
47.b1：在“壳”物理场“边界选择”设置中，手动选择主/副振膜对应的边界面。
48.b2：设置“壳”(主/副振膜对应的面)的“厚度和偏移”。在本实施例中，主振膜厚度为28[um],相对偏移为1；副振膜厚度为35[um],相对偏移也为1。
[0049]
b3：设置“(边界)固定约束。将主振膜的外侧边缘面设置为“固定约束”。
[0050]
b4：设置“对称”。依次选择主/副振膜在1/4切面上的边界线并将他们设置为“对称”。在本实施例中，振膜在xz切面上的对称边界在“全局坐标系”下“用作对称平面法线的轴”为2(即y轴)；振膜在yz切面上的对称边界在“全局坐标系”下“用作对称平面法线的轴”为1(即x轴)。
[0051]
c.设置“固体力学”物理场
[0052]
c1：在“固体力学”物理场“域选择”设置中，手动选择fpc定心支片、球顶和音圈对应域。
[0053]
c2：设置“(边界)固定约束”。
[0054]
c3：设置“(边界)对称”。
[0055]
c4：设置并定义参数化“体载荷”。在本实施例中，全局定义体载荷的参数名称为ff_s，且由于采用1/4对称结构的模型，体载荷的值应设置为ff_s/4。
[0056]
d.设置多物理场
[0057]
多物理场设置实质是设置两个物理场之间的耦合关系。在本实施例中，“壳”与“固体力学”采用“实体薄结构连接”的耦合关系，在二者的“共享边界”上位移相等。
[0058]
3)设置材料参数
[0059]
添加“材料”，依次设置主振膜、副振膜、fpc定心支片、音圈和球顶的杨氏模量、密度和泊松比。在本实施例中，主振膜的杨氏模量为400[mpa],密度为1091[kg/m3]，泊松比为0.3；副振膜的杨氏模量为430[mpa],密度为1202[kg/m3]，泊松比为0.3；fpc定心支片为多层复合结构，它包括pi层和铜箔层，其中，pi材料的杨氏模量为3.7[gpa],密度为3218[kg/m3]，泊松比为0.33；铜箔材料的杨氏模量为5[gpa],密度为8932[kg/m3]，泊松比为0.33；球顶也为多层复合结构，它包括pmi层和铝层，其中pmi和铝的杨氏模量分别为2.5[gpa]和50[gpa]，球顶的密度(多层结构整体的等效值)为964[kg/m3]，泊松比为0.3；音圈的杨氏模量为126[gpa],密度(等效值)为4600[kg/m3]，泊松比为0.3。
[0060]
4)划分网格
[0061]
采用“自由三角形”单元对主副振膜(面)进行网格划分，设定网格尺寸大小。在本实施例中，网格尺寸为“较细化”；
[0062]
采用“自由四面体”单元对fpc定心支片、音圈和球顶(域)进行网格划分，设定网格尺寸大小。在本实施例中，fpc定心支片域的网格尺寸为“较细化”，音圈和球顶域的网格尺寸均为“常规”。
[0063]
该多悬吊结构的网格划分结果如图4所示。
[0064]
5)设置研究
[0065]
添加“稳态”研究。在研究设置中启用“包含几何非线性”；在“研究扩展”下启用“辅助扫描”，设置扫描的参数为ff_s(参数化体载荷)，设置扫描的范围为range(-0.1,0.0021,0.1)，单位为n。
[0066]
6)后处理
[0067]
通过“稳态”求解器计算完成后，在“结果”中采用“一维绘图组”的“点图”功能，选取球顶的中心点为计算点，再根据扬声器顺性的定义，输入“表达式”为w2/ff_s(单位为mm/n),这里w2为comsol软件内置的球顶中心点位移的表达式，ff_s为全局定义的体载荷参数。根据“表达式”w2/ff_s计算并绘制得到该多悬吊结构的顺性曲线如图5所示。
[0068]
上述实施例所述方法，还可以用于仿真分析fpc定心支片和振膜(部件)的顺性曲线，得到的仿真分析结果分别如图6和图7所示。
[0069]
上述仿真分析方法还可用于研究悬吊部件的几何形状和材料参数对顺性的影响。本实施例中，研究了改变主振膜的杨氏模量对多悬吊结构(系统)顺性的影响，仿真结果如图8所示。
[0070]
以上实施案例仅用于说明本发明的实现过程而非限制本发明所描述的方法及其应用范围。尽管本说明书参照上述的各个实施步骤对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术成员应该理解，仍然可以对本发明进行修改或等效替换，而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖于本发明的权利保护范围内。