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扬声器虚拟样机的建立与研究

冯梓鑫  
【摘要】:扬声器作为声重放系统的终端环节,其音质的好坏,将直接影响整个声重放系统效果的发挥。自扬声器发明以来,从经验研究到参数化分析再到计算机仿真,电声工程师一直在致力于寻找方便有效的方法来设计出高品质的扬声器,但这并不是一件容易的事。本文将虚拟样机的概念引入到扬声器设计分析中,虚拟样机技术,利用仿真软件在建立物理样机前预测其性能,可以显著减少样机的数目,缩短开发时间,节省投入。同时,作为一个学习工具,可以在物理本质方面进行更深入的了解。 本文采用多物理场耦合有限元分析软件COMSOL建立了轴对称动圈式扬声器的虚拟样机,并通过实验验证了该虚拟样机的可行性。该虚拟样机实现了电磁—振动—声场的完全耦合以及扬声器从电压输入到声压输出的全过程。不需要做任何集总参数的简化,仅仅通过扬声器CAD模型和准确的材料参数,可以预测T/S参数、电阻抗、空间任意点的声学响应等等。然后在虚拟样机的基础上进行了一系列研究,如短路环、防尘帽与相位塞在扬声器设计中的作用,磁路系统的非线性力系数,并且研究发现考虑磁隙区域的空气粘滞,虚拟样机模型会更精确。 虚拟样机是基于小信号线性范围的基础上建立的,并没有考虑扬声器非线性行为及其带来的失真。对于重现最常用的小信号性能测量结果,这已经足够。扬声器的非线性行为主要发生在低频大振幅时,通过集总参数模型,可以研究扬声器的非线性行为。本文采用COMSOL数值求解了非线性运动微分方程,可以预测悬置部件的非线性劲度系数、磁路系统的非线性力系数等引起的谐波失真、互调失真等非线性失真。另外分别测量了几种定位支片和折环的非线性劲度系数并拟合,研究了什么样的定位支片与什么样的折环最匹配。合理地选择定位支片与折环搭配,可以降低悬置部件的非线性。


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