CN116132882B - 一种扬声器的安装位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扬声器的安装位置确定方法。该安装位置确定方法包括：计算所述扬声器的振动系统的传输力，预设所述扬声器在扬声器安装板上的安装位置，并建立将所述传输力施加到所述扬声器安装板的安装位置处的有限元模型，仿真计算得到所述扬声器安装板的变形情况，根据变形情况判断扬声器在该扬声器安装板上的所述预设安装位置是否合理；其中，根据扬声器的振动系统的振动位移、振动速度幅度、振动加速度幅值、阻尼、质量及劲度系数计算所述传输力。本发明的扬声器的安装位置确定方法能够在扬声器安装板上确定合理的扬声器安装位置，避免盲目加强扬声器安装板的强度。

Description

一种扬声器的安装位置确定方法

技术领域

本发明涉及一种扬声器的安装位置确定方法，特别是汽车扬声器在汽车中的安装位置确定方法。

背景技术

随着新能源汽车的蓬勃发展，车载娱乐系统也取得了突飞猛进的发展。随着扬声器功率的增大，车门共振、内饰共振的问题也一直困扰了各大主机厂。由于扬声器振膜的特殊性，无法直接用力传感器精确测量得到相关的力参数，这是由于扬声器振膜的重量通常都在10克以内，与力传感器的重量相近，无法直接测量。为了避免扬声器的振动系统的共振问题，汽车厂商普遍加强安装扬声器的车门或内饰件的强度，然而这种做法盲目，存在过量加强或是加强不够的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种扬声器的安装位置确定方法，能够在扬声器安装板上确定合理的扬声器安装位置，避免盲目加强扬声器安装板的强度。

本发明的一个方面提供一种扬声器的安装位置确定方法，用于确定扬声器在扬声器安装板上的安装位置，所述安装位置确定方法包括：计算所述扬声器的振动系统的传输力，预设所述扬声器在扬声器安装板上的安装位置，并建立将所述传输力施加到所述扬声器安装板的安装位置处的有限元模型，仿真计算得到所述扬声器安装板的变形情况，根据变形情况判断扬声器在该扬声器安装板上的所述预设安装位置是否合理；

其中，通过下述步骤计算所述扬声器的振动系统的传输力：

(1)测量所述扬声器的振动系统的振动位移；

(2)根据所述振动位移计算所述扬声器的振动系统的振动速度幅度；

(3)根据所述振动速度计算所述扬声器的振动系统的振动加速度幅值；

(4)测量所述扬声器的振动系统的阻尼、质量及劲度系数；

(5)根据步骤(1)至(4)的结果计算所述传输力。

本文中，“扬声器的振动系统”具体包括扬声器的振膜和音圈，对于具有防尘罩的扬声器，“振动系统”还包括防尘罩；对于具有定位支片的扬声器，“振动系统”还包括定位支片。振膜包括但不限于纸盆。

优选地，步骤(5)中，根据下式计算所述传输力：

F＝ξ_a×K_ms+a_a×M_ms+v_a×R_ms

其中，F表示传输力，ξ表示扬声器的振动系统的振动位移，K_ms表示扬声器的振动系统的劲度系数，a_a表示扬声器的振动系统的振动加速度幅值，M_ms表示扬声器的振动系统的质量，v_a表示扬声器的振动系统的振动速度幅值，R_ms表示扬声器的振动系统的阻尼。

优选地，步骤(1)中，扬声器的振动位移ξ由下式计算得到：

ξ＝ξ_acos(ωt-θ)

其中，ξ_a表示扬声器的振动系统的振动系统的振幅，ω表示扬声器的振动系统的角频率，t表示时间，θ表示扬声器的振动系统的相位。

优选地，步骤(2)具体包括：

将振动位移ξ对时间t一阶导数，得到扬声器的振动系统的振动速度v，方程如下式：

振动速度的幅值v_a如下式：

v_a＝ξ_aω；

其中，ξ_a表示扬声器的振动系统的振幅，ω表示扬声器的振动系统的角频率，t表示时间，θ表示扬声器的振动系统的相位。

优选地，步骤(3)具体包括：

将扬声器的振动系统振动速度v对时间t一阶导数，得到扬声器的振动系统的振动加速度a，方程如下式：

a＝ξ_aω²cos(ωt-θ+π)

振动加速度的幅值a_a如下式：

a_a＝ξ_aω²；

其中，ξ_a表示扬声器的振动系统的振幅，ω表示扬声器的振动系统的角频率，t表示时间，θ表示扬声器的振动系统的相位。

优选地，所述扬声器安装板为汽车内的不规则形状的钣金件，所述扬声器安装到所述钣金件上开设的扬声器安装孔中，对所述钣金件及其上开设的扬声器安装孔进行仿真，建立将所述传输力施加到所述扬声器安装孔处的有限元模型，仿真得到所述钣金件的变形情况，根据变形情况判断所述扬声器安装孔的开孔位置是否合理。

优选地，所述变形情况包括应力分布、应变分布及形变位移中的一种或多种。

优选地，若应力小于设定应力值、应变小于设定应变值且形变位移小于设定形变位移值，则判定所述预设安装位置合理。

优选地，根据所述扬声器安装板的几何模型以及计算得到的传输力建立所述有限元模型。

优选地，建立所述有限元模型的过程中，在“固体力学”物理场中设置计算得到的传输力为载荷力。

更优选地，所述有限元模型的建立及计算具体包括：1)建立几何模型；2)在“固体力学”物理场中设置材料模型、约束条件和载荷力(即为计算得到的传输力F)；3)设定材料参数；4)设置网格类型和尺寸，划分网格生成有限元模型。然后，采用频域分析方法对该有限元模型进行求解，并通过后处理得到钣金的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图。

在一具体的实施例中，建立将所述传输力施加到所述扬声器安装板的安装位置处的有限元模型及仿真得到所述扬声器安装板的变形情况的具体步骤如下：

(1)建立有限元模型

1)建立几何模型。该几何模型包括扬声器单体和扬声器安装板，具体建模步骤如下：

A.扬声器安装板几何模型导入：将仅扬声器安装板的三维几何模型，以下简称:简化几何模型；由于研究的是扬声器安装板的强度问题，所以在仿真分析中均将扬声器忽略，以达到减少计算量，提高计算效率的目的；

B.几何清理：在有限元模型构建过程中，由于几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量造成较大的影响，故导入几何模型后，需采用几何清理功能清除模型中多余的点、线、面和体，提高网格质量；

2)设置物理场及材料模型，详细步骤如下：

A.设置物理场：选择“固体力学”物理场来仿真分析扬声器的安装位置确定；

B.设置材料模型：将扬声器安装板设置为线弹性模型；

3)定义边界条件和载荷，详细步骤如下：

A.约束条件：为扬声器安装板的边缘添加固定约束；

B.定义载荷：为扬声器安装板加载扬声器的传输力F，

4)定义材料属性：有限元仿真模型的材料属性与物理场、材料模型及边界条件有关，这里需设置的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比；

5)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，采用自由四面体网格类型；

(2)求解及后处理

1)求解：在扬声器的安装位置确定分析中包含了非线性的频域分析

2)后处理：通过后处理可对求解有限元模型得到的结果进行图像化处理或列表显示，可得到的结果主要包括：扬声器安装板的位移分布图；扬声器安装板的应力分布图；扬声器安装板的应变分布图；扬声器安装板的振动位移曲线图。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

本发明的方法，根据所要安装的扬声器的振动系统的传输力，对扬声器安装板通过有限元模型进行仿真，仿真得到扬声器安装板的变形情况，进而确定扬声器在扬声器安装板上的最佳安装位置，在减小或消除扬声器的振动系统的共振问题带来的不良影响的同时，避免满足对扬声器安装板进行盲目加强，减少冗余，避免成本增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为仿真例1至3采用的低音扬声器的振动系统的振动位移曲线。

图2为仿真例1至3采用的低音扬声器的振动系统的振动速度曲线。

图3为仿真例1至3采用的低音扬声器的振动系统的振动加速度曲线。

图4为仿真例1至3采用的低音扬声器的振动系统的传输力曲线。

图5为仿真例1采用的钣金件的几何模型。

图6a、图6b、图6c及图6d分别为仿真例1的钣金件的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图。

图7为仿真例2采用的钣金件的几何模型。

图8a、图8b、图8c及图8d分别为仿真例2的钣金件的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图。

图9为仿真例3采用的钣金件的几何模型。

图10a、图10b、图10c及图10d分别为仿真例3的钣金件的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图。

附图标记如下：

1、钣金件；11、扬声器安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

汽车扬声器通常会安装在汽车内的钣金件上，例如门板扬声器需要安装在车门板的钣金件上。构成汽车车门或内饰件等的钣金件大多是不规则形状的，扬声器在钣金件上的安装位置对钣金件的强度具有重要的影响。本实施例即提供一种扬声器在汽车内的安装位置确定方法，用于确定扬声器在汽车车门或内饰件的钣金件上的最优安装位置，在该位置下，扬声器的振动系统发声时施加于钣金件的传输力对钣金件的影响较小，避免产生共振，减小或消除钣金件的变形程度。

该安装位置确定方法包括：计算所述扬声器的振动系统的传输力，预设所述扬声器在扬声器安装板上的安装位置，并建立将所述传输力施加到所述扬声器安装板的安装位置处的有限元模型，仿真计算得到所述扬声器安装板的变形情况，根据变形情况判断扬声器在该扬声器安装板上的所述预设安装位置是否合理。

其中，通过下述步骤计算所述扬声器的振动系统的传输力：

S1、利用KLI PPEL R&D系统的TRF模块测量得到扬声器的振动系统的振动位移；

S2、根据步骤S1得到的振动位移计算扬声器的振动系统的振动速度以及振动速度幅值；

S3、根据步骤S2得出的振动速度计算扬声器的振动系统的振动加速度以及振动加速度幅值；

S4、利用KLI PPEL R&D系统LPM模块测量得到扬声器振动系统的阻尼、质量以及劲度系数；

S5、根据步骤S1、S2、S3、S4得出的结果计算扬声器的振动系统的传输力。

具体地，步骤S1包括：

利用KLI PPEL R&D系统TRF模块测量得到扬声器的振动系统的振动位移ξ，扬声器的振动系统的振动位移ξ的方程如下式：

ξ＝ξ_acos(ωt-θ) (1)

其中，ξ_a为振幅，ω是角频率，t是时间，θ是相位。

步骤S2包括：

计算扬声器的振动系统的振动速度v，将振动位移ξ对时间t一阶导数，即可得到振动速度v，方程如下式：

因此，振动速度的振动系统的幅值为振动位移的幅值乘以角频率，也即：

v_a＝ξ_aω (3)。

步骤S3包括：

计算扬声器的振动系统的振动加速度a，将振动速度v对时间t一阶导数，即可得到振动加速度a，方程如下式：

a＝ξ_aω² cos(ωt-θ+π) (4)

因此，振动加速度的幅值为振动位移的幅值乘以角频率的平方，也即：

a_a＝ξ_aω² (5)。

步骤S4包括：

利用KLI PPEL R&D系统LPM模块测量得到扬声器的振动系统的阻尼R_ms质量M_ms以及劲度系数K_ms。

步骤S5中，扬声器振动系统的传输力F则为：

F＝ξ_a×K_ms+a_a×M_ms+v_a×R_ms (6)。

计算扬声器的振动系统的传输力，有利于工程计算，具有实际的工程意义，非常有利于实际的操作。将传输力F施加在不同的钣金上，通过建立有限元仿真分析模型，可计算得到不同钣金的变形情况，包括应力、应变以及形变位移情况，从而判断扬声器安装在钣金的位置是否合理。

有限元仿真分析具体如下：

(1)建立有限元模型

1)建立几何模型。该几何模型包括扬声器单体和钣金件，具体建模步骤如下：

A.钣金件几何模型导入COMSOL Mu lt iphys ics软件中：将仅钣金件的三维几何模型，以下简称:简化几何模型；由于研究的是钣金件的强度问题，所以在仿真分析中均将扬声器忽略，以达到减少计算量，提高计算效率的目的；

B.几何清理：在有限元模型构建过程中，由于几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量造成较大的影响，故导入几何模型后，需采用几何清理功能清除模型中多余的点、线、面和体，提高网格质量；

2)设置物理场及材料模型，详细步骤如下：

A.设置物理场：选择“固体力学”物理场来仿真分析扬声器的安装位置确定；

B.设置材料模型：将钣金件设置为线弹性模型；

3)定义边界条件和载荷，详细步骤如下：

A.约束条件：为钣金件的边缘添加固定约束；

B.定义载荷：为钣金件加载扬声器的传输力F，

4)定义材料属性：有限元仿真模型的材料属性与物理场、材料模型及边界条件有关，这里需设置的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比；

5)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，采用自由四面体网格类型；

(2)求解及后处理

1)求解：在扬声器的安装位置确定分析中包含了非线性的频域分析方法

2)后处理：通过后处理可对求解有限元模型得到的结果进行图像化处理或列表显示，可得到的结果主要包括：钣金件的位移分布图；钣金件的应力分布图；钣金件的应变分布图；钣金件的振动位移曲线图。

仿真例1

采用低音扬声器单元，利用KLI PPEL R&D系统TRF模块测量得到的扬声器振动系统的振动位移曲线，如图1所示。利用KLI PPEL R&D系统LPM模块测量得到扬声器振动系统的阻尼R_ms＝1.767Kg/s，质量M_ms＝11.956g，劲度系数K_ms＝2.51N/mm。利用上述公式(1)至(5)，计算得到扬声器振动系统的振动速度曲线，如图2所示；计算得到扬声器振动系统的振动加速度曲线，如图3所示；计算得到扬声器振动系统的传输力曲线，如图4所示。

仿真例1采用的钣金件1的几何模型如图5所示，其中，钣金件1的中部开设扬声器安装孔11，该孔即为上述低音扬声器的安装位置。将该几何模型导入有限元分析软件COMSOL Mu lt iphys ics中，将上述计算得到的传输力设置为“固体力学”物理场中的载荷力，构建有限元模型并求解，获得钣金件1的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图，依次如图6a至图6d所示。

仿真例2

仿真例2采用与仿真例1相同的低音扬声器，其具有相同的传输力曲线，如图4所示。

仿真例2采用的钣金件1的几何模型如图7所示，其中，扬声器安装孔11开设在钣金件1的左侧边缘的中部，该孔即为上述低音扬声器的安装位置。将该几何模型导入有限元分析软件COMSOL Mu lt iphys ics中，将上述计算得到的传输力设置为“固体力学”物理场中的载荷力，构建有限元模型并求解，获得钣金件1的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图，依次如图8a至图8d所示。

仿真例3

仿真例3采用与仿真例1相同的低音扬声器，其具有相同的传输力曲线，如图4所示。

仿真例3采用的钣金件1的几何模型如图9所示，其中，扬声器安装孔11开设在钣金件1的一个顶角位置处，该孔即为上述低音扬声器的安装位置。将该几何模型导入有限元分析软件COMSOL Mu lt iphys ics中，将上述计算得到的传输力设置为“固体力学”物理场中的载荷力，构建有限元模型并求解，获得钣金件1的位移分布图、应力分布图、应变分布图及振动位移曲线图，依次如图10a至图10d所示。

对比仿真例1至3的求解结果，可知仿真例1的钣金件1的位移、应力、应变及振动位移均较小，仿真例1中的扬声器安装孔的位置设置最为合理。

需要说明的是：为了便于对比和理解，故仿真例1至3采用的钣金件1为规则的正方形，依据常识或者物理受力分析即可知，对于正方形且厚度均匀的钣金件来说，在其中部施加传输力，钣金件的变形程度最小，这也与上述的有限元仿真的结果相一致。然而，在实际应用中，汽车车板或内饰件等所采用的钣金件大多为不规则形，依据常识或者受理分析难以知悉在哪个位置安装扬声器以及所选定的安装位置处能够承受多大的传输力而不变形，则采用本申请的方法能够准确知悉钣金件的不同安装位置下的应力、应变及位移等变形情况，从而筛选出最优的或合理的安装位置，方便了汽车扬声器在汽车中的安装设计，在减小或消除共振影响的同时，不需要盲目对汽车内饰件进行增强。

如本说明书和权利要求书中所示，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种扬声器的安装位置确定方法，用于确定扬声器在扬声器安装板上的安装位置，其特征在于，所述安装位置确定方法包括：计算所述扬声器的振动系统的传输力，预设所述扬声器在扬声器安装板上的安装位置，并建立将所述传输力施加到所述扬声器安装板的安装位置处的有限元模型，仿真计算得到所述扬声器安装板的变形情况，根据变形情况判断扬声器在该扬声器安装板上的预设安装位置是否合理；

其中，通过下述步骤计算所述扬声器的振动系统的传输力：

(1)测量所述扬声器的振动系统的振幅；

(2)根据振动位移计算所述扬声器的振动系统的振动速度幅值；

(3)根据所述振动速度计算所述扬声器的振动系统的振动加速度幅值；

(4)测量所述扬声器的振动系统的阻尼、质量及劲度系数；

(5)根据步骤(1)至(4)的结果计算所述传输力。

2.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其特征在于，步骤(5)中，根据下式计算所述传输力：

F＝ξ_a×K_ms+a_a×M_ms+v_a×R_ms

其中，F表示传输力，ξ_a表示扬声器的振动系统的振幅，K_ms表示扬声器的振动系统的劲度系数，a_a表示扬声器的振动系统的振动加速度幅值，M_ms表示扬声器的振动系统的质量，v_a表示扬声器的振动系统的振动速度幅值，R_ms表示扬声器的振动系统的阻尼。

3.根据权利要求1或2所述的安装位置确定方法，其特征在于，步骤(1)中，扬声器的振动位移ξ由下式计算得到：

ξ＝ξ_acos(ωt-θ)

其中，ξ_a表示扬声器的振动系统的振幅，ω表示扬声器的振动系统的角频率，t表示时间，θ表示扬声器的振动系统的相位。

4.根据权利要求3所述的安装位置确定方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：

将振动位移ξ对时间t一阶导数，得到扬声器的振动系统的振动速度v，方程如下式：

振动速度的幅值v_a如下式：

v_a＝ξ_aω；

其中，ξ_a表示扬声器的振动系统的振幅，ω表示扬声器的振动系统的角频率，t表示时间，θ表示扬声器的振动系统的相位。

5.根据权利要求4所述的安装位置确定方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：

将扬声器的振动系统振动速度v对时间t一阶导数，得到扬声器的振动系统的振动加速度a，方程如下式：

a＝ξ_aω²cos(ωt-θ+π)

振动加速度的幅值a_a如下式：

a_a＝ξ_aω²；

其中，ξ_a表示扬声器的振动系统的振幅，ω表示扬声器的振动系统的角频率，t表示时间，θ表示扬声器的振动系统的相位。

6.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其特征在于，所述扬声器安装板为汽车内的不规则形状的钣金件，所述扬声器安装到所述钣金件上开设的扬声器安装孔中，对所述钣金件及其上开设的扬声器安装孔进行仿真，建立将所述传输力施加到所述扬声器安装孔处的有限元模型，仿真得到所述钣金件的变形情况，根据变形情况判断所述扬声器安装孔的开孔位置是否合理。

7.根据权利要求1或6所述的安装位置确定方法，其特征在于，所述变形情况包括应力分布、应变分布及形变位移中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的安装位置确定方法，其特征在于，若应力小于设定应力值、应变小于设定应变值且形变位移小于设定形变位移值，则判定所述预设安装位置合理。

9.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其特征在于，根据所述扬声器安装板的几何模型以及计算得到的传输力建立所述有限元模型。

10.根据权利要求9所述的安装位置确定方法，其特征在于，建立所述有限元模型的过程中，在“固体力学”物理场中设置计算得到的传输力为载荷力。