[发明专利]一种扬声器音圈及磁路的温度特性数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于扬声器领域，涉及扬声器音圈及磁路在工作过程中由热效应引起的温度分布特性、热流分布特性等的数值模拟方法。采用该方法可模拟实际工作中扬声器的音圈及磁路稳态温度特性分布，继而根据稳态分析得到的温度值模拟扬声器任意点在任意时刻的温度。该模拟方法可以用于扬声器的热效应分析、传热理论的检验、为标定额定功率以及研究非线性失真随温度变化的影响提供参考。

背景技术

扬声器的温度过高不仅通过影响各项线性和非线性参数来影响听音质量，还会带来音圈及音圈骨架的变形、脱胶、音圈漆包线老化进而降低扬声器的使用寿命，甚至直接造成扬声器音圈的烧毁。传统扬声器基于对扬声器音圈直流电阻进行测量的方法间接计算音圈实时温度。这就需要对设计的样品进行试做，通过硬件产生一个模拟激励信号来仿真音圈及磁路的温度，再通过改进磁路的散热结构来降低音圈的温度。这种方法只能在样品制作出来以后才能发现扬声器磁路、音圈存在的问题，而反复制样则会耗费大量的人力、物力和时间。基于数值模拟方法来预估扬声器音圈及磁路在特定激励下的温度特性不需要试制扬声器就可以预估扬声器音圈及磁路的温度，继而了解温度的变化过程、热流分布的情况，获取整个磁路的传热情况。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于扬声器音圈及磁路的温度特性的数值模拟方法。

本发明要解决的主要问题是：（1）以往预测方法存在的依赖专用硬件设备通过施加特殊激励信号来预估温度带来的成本高的问题；（2）以往预测方法需要对扬声器进行试制后以后再通入激励信号的硬件仿真手段带来的开发周期长的问题；（3）改变传统预测方法中只能预测磁路及音圈的温度，新的数值仿真方法可以预测除音圈及磁路以外的部分的温度分布情况,并可以做到模拟热流的分布，从而了解热量的传递过程。

本发明中所提及的一种扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法，该方法至少包括以下步骤：

（1）建立几何模型：建立扬声器的半剖2D模型，为了更加精确地模拟气流对传热的影响，在扬声器内部需填充空气模型；

（2）建立扬声器的有限元模型,具体步骤如下：

A.定义单元类型：定义自由度为温度的2D热分析单元，该单元是拥有四节点的四边形单元，每个节点有一个温度自由度，可模拟传导、对流和辐射；

B.定义材料属性：定义材料参数，包括热传导率、质量、比热容；

C.划分网格：利用定义的单元对扬声器2D模型连同空气模型划分网格；同时，分配材料属性和单元类型；划分网格时需要细化音圈附近网格，使温度结果有较为明显的梯度变化，最终生成的有限元模型；

（3）施加载荷和边界条件，包括以下步骤：

    A.在代表音圈的面中施加热生成率载荷，用以模拟电流生热；热生成率根据扬声器的额定电压、音圈直流电阻和音圈的体积计算得到，其计算方法依据公式                                                ，其中为热生成率，为额定电流，为直流电阻，为额定电压，为音圈的体积；

B.施加对流换热边界条件：对流换热因输入信号频率不同从而引起的振动幅度不同分为强迫对流换热和自然对流换热；强迫对流是指由于外力作用所引起的被迫对流，是指由于音圈、音圈骨架、定心支片及防尘帽的外表面在低频输入信号下所引起的较大幅度的振动，强迫对流施加在音圈、音圈骨架、定心支片及防尘帽的外表面，低频输入信号是指小于三倍谐振频率的输入信号；自然对流是指空气在重力作用或者分子热运动等非强加条件下引起的对流换热，自然对流边界条件施加在扬声器几何模型轮廓线上；

C.定义初始条件：将室温作为初始条件施加给要分析的模型；

D.在音圈的外表面、磁钢及T铁构成的磁路内壁添加辐射热流：辐射热流依据公式计算；其中，为辐射热流量，周围介质温度，为辐射系统黑度，为音圈外壁表面积，为黑体辐射系数，其值为；

（4）求解：基于有限元法应用步骤（3）中的载荷和边界条件对步骤（2）所建立的有限元模型进行数值分析，其基于的理论方程如下：

                  公式（1）

——温度，单位℃；

——密度，单位；

——比热容，单位；

——沿x、y、z方向的热传导系数，单位；

——结构内部热源的生热密度，单位；

——时间，单位s，