微型扬声器的数值仿真分析

用于中高端扬声器设计的完整仿真分析方法
陆晓1, 温周斌1, 徐楚林1, 岳磊1
1浙江中科电声研发中心
Abstract
扬声器仿真分析方法越来越受到电声企业关注，已成为扬声器设计的重要手段和发展方向。

要想设计中高端扬声器，就必须建立一套完整的仿真分析方法。

本文介绍一种基于COMSOL Multiphysics的用于中高端扬声器设计的仿真分析方法。

该方法不仅包含了扬声器磁路、振动系统（结构）和声场的耦合分析，还模拟了温度对磁性材料和振动部件材料特性的影响。

由于扬声器振动部件材料的粘弹性等特性，因此必须建立更为准确的材料模型。

利用COMSOL Multiphisics软件丰富的第三方软件接口和二次开发功能，经数据后处理可得到声障板等条件下的声压级、谐波失真和互调失真等。

采用本方法可有效指导中高端扬声器的仿真设计，准确预估扬声器的声压级、谐波失真和温度场等关键指标，对扬声器产品的理解和设计水平亦将达到新的高度。

Reference
无
Figures used in the abstract
Figure 1。

S oftWare软件世界COMSOL Multiphysics微型扬声器分析设计解决方案□中仿科技（CnTech）公司郭枝权安琳一、背景分析在中国乃至世界范围内，消费数码产业在过去十年间发展迅猛。

2001年前后，M P3出现。

M P3引起的风潮刺激了市场，带来了需求，也催生了更多诸如MP4、MP5这样的产品。

今天，智能手机、平板电脑、笔记本电脑都把影音播放功能作为卖点之一，价格几百乃至几千的耳塞／耳机在公交车或者地铁上随处可见。

就连手机的外放和配套耳机，也开始注重音效。

另一方面，汽车消费在中国的强劲增长，更是大大推动了小型扬声系统产业的发展和扩大。

当前世界正处于刺激消费、拉动增长的主旋律之中。

中国市场如果排除投资性增长的因素，国民消费几乎全部集中于房产、教育、医疗、汽车、数码电子这几大领域。

微型扬声器产业面对的市场异常庞大而且充满机会。

1.扬声器分析技术背景扬声器设计离不开声学分析，从技术上说，这是一个波动问题的求解过程，在我们选择分析方法的时候，频率（或者是波长）是一个很重要的参考量。

如果分析的结构尺寸远远大于波长，这个时候波动性的体现并不明显，工程计算一般采用路径追迹的方法，也才有人把这称为几何声学的方法。

即认为声波在均匀介质中沿直线传播，并按照已知的立体角发散；遇有介质突变的界面时，声波按照可预测的角度发生反射，同时存在可描述的功率衰减。

这种追迹的方法，业内通常喜欢使用Matlab一类的工具，用几行代码即可实现。

如果分析的结构尺寸远远小于波长，这个时候的波动性也不明显。

弹性波动现象在这个时候弱化为弹性振动，问题变成了结构的动态力学分析过程。

只有当分析的结构尺寸与波长可比拟时，波动效应（衍射、散射）体现得最为突出。

空气中的声速为340m/s，一般的乐声和人声的频率范围约为200~4 000H z，换算成波长即为85mm~1.7m。

这正是我们常见的微型、小型扬声器，乃至家用级音箱的结构尺寸范围。

扬声器声学特性的数值分析和优化研究随着科技的发展，扬声器作为声音输出的重要部件，已经成为各种电子设备中不可缺少的一部分。

从手机、电视、电脑到公共广播系统，扬声器的用途已经无处不在。

因此，研究扬声器声学特性，进行数值分析和优化，对于提高扬声器的音质和性能，具有非常重要的意义。

首先，扬声器的声学特性包括声场、频率响应、谐波失真、直流偏置等方面。

声学特性的好坏与扬声器的材料、结构、设计有关。

对于不同类型的扬声器，其声学特性也会存在差异。

在进行扬声器声学特性的数值分析和优化研究时，需要使用一些专业的软件和工具，例如：ANSYS、COMSOL Multiphysics等。

这些软件可以帮助研究者模拟扬声器的声学特性，并进行优化。

同时，这些工具还可以提供一些辅助工具，例如自动化模型构建和网格划分，使得分析和优化更加高效和准确。

在对扬声器进行声学特性研究时，需要从以下几个方面入手。

1.材料和结构扬声器的材料和结构是影响声学特性的重要因素。

在材料选择方面，需要考虑材料的密度和硬度等物理参数，并根据合适的材料性能作为扬声器的主要材料。

在结构设计方面，需要考虑扬声器的振动构造和振膜形状等因素。

根据材料和结构设计出一种优越的扬声器，可以提高其音质和性能。

2.声场特性扬声器的声场特性可以通过模拟扬声器的声场分布来进行分析。

声场分析可以帮助了解扬声器的辐射特性和声波传输情况，从而优化扬声器声学特性。

3.频率响应扬声器的频率响应是衡量其音频输出能力的重要参数。

频率响应可以通过扬声器的声学模型和电气模型来分析。

根据频率响应，可以优化扬声器的电气特性和设计，以得到更好的音质和性能。

4.谐波失真谐波失真是扬声器不可避免的问题之一。

通过在设计和制造过程中进行谐波失真分析和控制，可以显著改善扬声器的音质。

总之，扬声器声学特性的数值分析和优化研究，能够提高扬声器的音质和性能，优化其声学特性。

因此，这个领域的研究具有非常重要的意义。

未来，随着科技的不断发展，研究者们还将在扬声器声学特性的研究及优化领域做出更加深入的探索和研究。

微型扬声器谐波失真分析李绩科;尚新春;金明昱【摘要】总谐波失真(THD)是评价一个扬声器好坏的主要参数,而谐波失真产生的原因是来自于扬声器振膜的非线性振动.针对一类典型的微型扬声器的谐波失真问题进行了研究.首先根据扬声器的结构特点和力学分析建立了振膜非线性振动的数学模型.其次,应用四阶龙格-库塔法和傅里叶变换法给出了此扬声器总谐波失真的数值计算结果.并且采用KLIPPEL声学测量仪器,在消声试验室中测试测得此扬声器样品的总谐波失真数据.总谐波失真的数值计算结果与实验测量值符合较好,佐证了本文理论模型和数值方法的正确性.最后,通过数值模拟讨论了减小扬声器谐波失真优化设计的可能性.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2014(038)011【总页数】6页(P26-30,37)【关键词】微型扬声器;谐波失真;非线性效应;声学实验;数值模拟【作者】李绩科;尚新春;金明昱【作者单位】北京科技大学应用力学系,北京100083;北京科技大学应用力学系,北京100083;楼氏(北京)电子有限公司研发部,北京100176【正文语种】中文【中图分类】TN6431 引言小微型扬声器已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。

为了给手机等移动通信设备提供性能优良的小微型扬声器设备，就要对其性能做具体的分析和改善。

小微型扬声器的总谐波失真（THD）则是评价一个扬声器性能是否优良的最主要参数。

在扬声器谐波失真问题的相关研究中，主要有两种分析方法[1－4]。

一种是在分析小信号激励响应中，将扬声器的振膜刚度和磁场强度等参数进行常数化处理;另一种方法是在大信号激励响应分析时，将扬声器的参数视为其音圈振动位移和输入电流的函数。

前者是针对振膜微小振动特征进行线性化近似分析。

理论上讲如果输入电流是谐波信号，则振膜（音圈）的振动位移是谐响应的;后一方法主要针对较大振幅的振膜振动，分析过程中必须考虑非线性效应。

对小微型扬声器来说，其非线性声学特点主要体现在:在输入信号的激励下，响应信号中包含有不同于输入信号频率的信号成分。

细解扬声器的Q值细解扬声器的Q值在扬声器的Thiele-Small参数中，其品质因素Q值作为评价低频性能和低音箱体设计的关键参数，经常被大家提起和引用；但作为一个数学模型的辅助参量，Q值的概念是非常抽象的，远远不如Fs（谐振频率）、Vas（等效容积）等参数容易得到感性的认识。

下面，本文将通过不同的角度，来分析、阐释Q值的意义，希望能够加深大家对Q值的理解。

基本概念根据T-S参数的定义，Q(quality factor)是描述扬声器阻尼系数（damping factor）的一组参数。

在T-S参数中，Q值分为Qms，Qes和Qts。

Qms为机械系统的阻尼，体现了扬声器支片、边等支撑系统对能量的消耗、吸收和音盆、音圈、防尘帽等质量系统对能量的内在消耗；Qes为电力系统的阻尼，主要体现在音圈直流电阻对电能的消耗； Qts为总阻尼，为上述两者的并联。

即Qts=Qms*Qes/(Qms+Qes)。

扬声器Qts对低频声压特性的影响如图（1）所示，这在很多参考书上都有描述，这儿不再讨论。

图（1）Qts对扬声器低频声压特性的影响阻抗曲线的数学模型考虑到扬声器Q值与阻抗Ze密不可分的关系，在具体分析Q值前，我们简单了解一下扬声器阻抗曲线。

在阻抗型电声类比中，扬声器的等效阻抗为：其中，Re为扬声器的直流阻抗，L为音圈线圈的感抗；Res为振动系统的力学等效阻抗，Res=（BL）2/（Rms+2Rmr），Rms振动系统的力阻，Rmr为扬声器振膜单面的辐射力阻； Cmes为质量抗，Cmes=Mms/（BL）2； Lces为弹性抗，Lces=Cms*（BL）2。

当频率在Fs的时候，动生阻抗达到最大值；同时由于在低频阶段，音圈感抗相当小，基本上可以忽略，所以我们有： Zmax=Re+|Res|参考下面Mlssa对某款扬声器的测试结果，我们可以对其进行直观地理解。

图（2）扬声器的阻抗曲线Q值与阻抗Ze的关系根据Qms的定义，有Qms=ωMms/(Rms+2Rmr)。

小型扬声器感知低音的主客观评论剖析[纲要 ]针对小型扬声器，经过语义检查剖析获得浑朴感、厚实度和力度感等适适用来评论其低音听感的主观评论术语，并依照音源制作规范和主观评论实验确立适适用来做低音听感评论的音源素材。

从而对 5 只尺寸不一样的小型扬声器进行低音听感主观评论实验，认识现阶段小型扬声器低音放音的现状。

最后对其进行客观参数丈量以及主客观参数关系性剖析。

结果表示：小型扬声器的前沿瞬态时间与其低音感知的各项主观评论参数有关性较大，频响光滑度参数也有必定关系。

[要点词 ]小型扬声器；感知低音；主观评论；客观评论文章编号：―1.前言扬声器低频部分的重放能力是用来鉴别扬声器性能好坏的一个重要指标，也是电声器件设计的一个热门和要点问题。

小型扬声器由于其自己物理尺寸等客观条件的限制，其低频部分重放能力不理想成为该领域急迫需要研究和解决的典型问题。

关于小型扬声器低音感知方面的研究，当前主要包含硬件自己的设计改良以及使用算法程序优化这两个方面。

可是，关于小型扬声器的低音听感进行的主观评论及剖析还较少，临时也没有较为明确的主观评论用语。

本文针对小型扬声器，经过语义检查剖析获得浑朴感、厚实度和力度感等适适用来评论其低音听感的主观评论术语；并经过系列范围法等主观实验确立适适用来做低音听感评论的音源素材；而后对 5 只尺寸不一样的小型扬声器进行低音听感主观评论实验以及客观参数剖析；最后对小型扬声器的主客观参数进行关系性剖析。

2.低音主观评论术语与音源2.1 语义检查剖析参照扬声器主观评论的有关标准，同时考虑小型扬声器实质的低音感知现状，本次语义检查中列出的低音听感评论用语包含力度感、浑朴感、厚实度、震惊度、低音层次感、粗暴度等共 22 项。

检盘问卷需要被检查者对每一项用语进行 1 分至 5 分的评论打分。

为保证语义检查的普适性和客观性，全部的评论用语随机地体现给被检查者。

被检查者共50 人，检盘问卷回收 49 份，有效率为 98.O%。