一种扬声器音圈及磁路的温度特性数值模拟方法

摘要

本发明提出了一种扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法。该方法首先建立包括音圈、磁路、磁路中空气的平面几何模型。定义单元类型、材料属性，并将定义的单元类型和材料属性关联到代表不同结构的面。其次，进行网格划分得到有限元模型。然后再施加生热率载荷以及对流换热边界条件，同时，在音圈表面以及靠近音圈的磁路内表面设置辐射环境。最后，经过稳态分析求解得到扬声器音圈及磁路中任意点的温度值、热流密度矢量等。

主权项

1.一种扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法，其特征在于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，公式（1）左端表示微分体单位时间升温需要的热量，右端的第1~第3项是沿x、y、z三个方向单位时间内传入微分体的热量，右端最后一项是微分体内热源单位时间产生的热量；方程表明：微分体温升需要的热量应与传入微分体的热量和内热源产生的热量相平衡；在公式（1）所表示的热传递过程中，微分体内每一个点都有一个温度值，它们构成具有物体形状的温度场，场变量就是温度T；温度可以随时间变化，称为瞬态温度场，这时；当微分体的传热过程进入平衡时，温度不再随时间而变化，从这时起所研究的结构就进入了稳态；由于假设扬声器各个部件材料特性是各向同性的，因而在几何模型所示的平面结构中，当扬声器音圈及磁路系统进入稳态以后，有这样，公式（1）表达的传热方程简化为公式（2）在音圈及磁路边界上，传热方式与音圈及磁路的内部有所不同，每一个微分体的边界由于直接与外界接触，导致传热方式同时伴有热流的传导、对流和辐射；考虑音圈表面辐射的热流全部进入磁路系统，且近似认为音圈和磁路辐射表面是封闭的，根据能量守恒定律，建立边界上的热流平衡方程作为边界条件，形式如下：公式（3）——对流换热系数；——周围介质温度；——边界上沿外法线方向的温度梯度；——辐射系统黑度；——音圈外壁表面积；——黑体辐射系数，其值为，这样，扬声器音圈稳态温度可通过求解公式（2）和公式（3）得出；（5）结果后处理：后处理就是对计算机求取微分方程的结果进行图像化处理与列表显示；经过对结果的后处理，可将温度分布用等值线图的形式显示出来，也可以将个别节点的温度值列表显示出来，并得到热流密度矢量。