基于等效声容的高频调容腔体设计与仿真

基于等效声容的高频调容腔体设计与仿真
李文;尹宇鹤;檀丽莎
【摘要】针对目前入耳武耳机高频调节困难的问题,提出了一种基于等效声容原理的高频调容动圈式腔体结构设计,并进行了理论分析与仿真设计.分析了耳机各声学元件对频响曲线的影响,通过“等效容性”改变该腔体结构使得在较宽的高频范围内具有好的频响.采用声学有限元法,根据变分原理对声-结构界面阻抗非均匀分布的腔体声场特性进行仿真.仿真的声压云图和频响图说明容值的改变对高频调节的显著作用,且该腔体结构在1 kHz开始,随腔体范围变化,频率调整范围可达10 dB.同时,为防止耳机内调容运动机构由于应力集中造成的损害和保证耳机实效性,对活动结构进行了运动过程的受力仿真.
【期刊名称】《电声技术》
【年(卷),期】2015(039)002
【总页数】6页(P18-23)
【关键词】高频可调;等效声容;声学仿真;变分原理
【作者】李文;尹宇鹤;檀丽莎
【作者单位】北方工业大学,北京100041;北方工业大学,北京100041;北方工业大学,北京100041
【正文语种】中文
【中图分类】TN643
耳机电声转换方法主要有4种：动圈式、静电式、平面振膜式与动铁式。

目前,由
于耳机制作的单元选择、匹配和安装难度大,因此耳机一旦制作完成后音质很难调整。

目前存在的调音方式主要有音频分频器[1]和可替换式滤网设计结构。

音频分
频器将不同频段的信号分配给不同的单元,通常用于多单元发声耳机,由于分频点设
计不同,因此音频分频器声音可能完全不同,各频段之间的衔接连续性差。

可替换式
滤网设计结构采用增加阻尼物的方式,实际多应用于动铁高频峰值的抑制,需手动拆
卸耳机更换滤网,仅可切换有限的声音特性,而且市场价格极高。

实现耳机频率调节,必须明确声负载以及各声学元件对频响的影响规律。

耳机的声
负载为压力场环境,声学元件主要包括发声单元、声容、声阻、声质量以及声学结
构单元等。

每种声学元件在微型电声器件中有多种不同形式,每种形式的声学元件
对耳机频响都有很大的影响[2-6] 。

2.1 各声学元件对频响曲线的影响
在压力场条件下,耳机单元与在自由场条件下的发声单元一样,可以分为弹性控制区、力阻控制区以及质量控制区[7] 。

但是由于声负载的不同,在压力场测试的谐振频率fh叠加了负载的声质量和声容,因此谐振频率fh与在自由场条件下有所差异。

在压力场测试条件下,弹性控制区在谐振频率fh以下的频段；力阻控制区在fh附近,质
量控制区在fh～3 kHz左右,3 kHz以上的频段属于高频分割震动和腔体谐振区域。

马鲁建、奚爱军[8]等人通过PSPICE电路仿真软件,运用等效电路的方法对受话器(耳机单元)各个部件进行了仿真分析,揭示出各部件的特征参数对频响曲线的影响并找到一定的规律。

研究表明：顺性元件主要影响弹性控制区,即fh以下的低频段；阻性元件主要影响力阻控制区即fh附近的中频段；容性元件的大小主要影响受话
器的中高频部分,此结论即本文提出的高频调容动圈式腔体结构设计原理。

2.2 入耳式耳机高频声学电路与容性元件分析
高频时,后腔的声阻与频率和容积成反比,一般后腔的容积比较大,后腔的声阻很小可
近似短路。

耳机在高频段时,声学电路图可简化为图1所示[9]。

根据等效电路图,耳机高频共振频率公式[7]为
式中:fh为装入耳机壳之后的高频共振频率；Ch为系统的声容(顺)；Mh为系统的声质量。

将式(2)～(3)带入式(1),整理可得高频共振频率与等效声容的关系如下
腔体容积同等效声容关系如式(5)所示
式中：C为腔体容积的等效声容；V为腔体容积(单位：m3)；空气密度ρ0=1.21 kg/ m3；空气中的声速C0=344 m/s(20 ℃时)。

将式(4)和式(5)整理得出腔体容积等效声容C同高频共振频率fh关系
前腔等效声容C2的大小主要影响发声单元中的高频部分。

声容C2与前盖等效声质量形成的谐振,直接影响频响曲线中高频峰所在的频率；增大前腔腔体体积V2 时,根据式(6)可知,fh会降低,进而调节频率。

基于以上耳机调音方法缺陷,本文提出了一种基于等效声容原理的高频调容动圈式腔体结构设计方法,能够随时对中高段频率(1 kHz以上)量进行调节,且结构简单,具有实用性和创新性。

3.1 高频调容动圈式腔体结构设计建模
根据上述对入耳式耳机高频声学电路同容性元件关系的分析,本文设计了一种基于等效声容的高频调容动圈式腔体结构设计,该结构可应用于市场中绝大部分的发声单元,通过改变“等效容性”腔体的体积,调节高频部分频响。

此结构主要分为动铁单元、腔体声学结构、高频调节机构、线材及耦合耳帽四大模块,共由10个零部件组成,结构及分解图如图2和图3所示。

动铁单元的前后各有一个腔体,腔体的大小、形状是影响音质的重要因素,前壳与振膜形成的前腔等效声容C2的大小主要影响中高频部分的音质,本文设计的调音机构通过改变前腔腔体的体积,实现高频调音功能。

高频调容腔体结构设计的外壳结构由外壳前端和外壳后端组成,外壳后端为耳塞的
开口,导线从这端引入；外壳内部依次布置着调节旋钮、调容动圈、活动套筒和回复弹簧。

外壳前端则是耳机的耳帽,在耳帽处,可以选择布置一块阻尼滤网,用于进一步调整声音特性。

高频调音具体操作如下：外壳里面包含一个动铁单元,动铁单元固定在活动套筒中,活动套筒筒截面一部分是斜截面,当前腔腔体体积最大时,斜截面最低点与调容动圈的S型凸起接触；调节旋钮下表面有一个由两个楔形结构组成的凸起,调容动圈的正中间是个凹槽,将凸起嵌入到凹槽中,通过这种连接方式传递扭矩,带动调容动圈旋转,即调容动圈S型凸起旋转,从而带动活动套筒在轴向导轨的约束下向前运动,改变了前腔体积,完成调音。

弹簧提供了向后运动的回复力。

3.2 声学仿真模拟研究
有限元法(FEM)是根据变分原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法,其基础是结构离散和分片插值,对于分析复杂形状腔体内的声场特性有着显著的优点,可以真实地模拟声场的波动特征,也适用于声结构界面阻抗非均匀分布的情况。

本设计采用ANASYS建立腔体的有限元模型, b Acoustics 模块对高频调容动圈式腔体结构进行声学有限元仿真[10-14]。

图4为声学仿真流程。

3.2.1 有限元模型
选用ANASYS进行有限元建模,为简化计算,方便后处理软件得到相对完善的模态计算结果,在建立腔体结构有限元模型阶段,减少倒角和梯形结构,并将倾斜导音管方向改为同后壳同轴。

本设计不涉及复杂腔体,仅为前腔腔体容积变化,模型简化处理对结果影响十分有限。

选取前腔腔体体积最大和最小两种极端请况进行建模,利用ANASYS Workbench 对简化模型进行网格划分,有限元模型如图5所示。

3.2.2 声学有限元处理
提取ANASYS网格模型,以Nastran格式导入b Acoustics声学模块,并
定义为声学网格(Acoustical)。

定义流体材料及属性,流体材料参数：声音在材料中的传播速度为340 m/s,材料密度为1.225 kg/ m3。

定义入口端边界声压激励条件,出口端吸声属性。

在仿真中,激励边界条件由某一发声单元频响数据生成,具体数据
如图6所示。

图7为频响数据生成的频响图。

3.2.3 声学仿真结果分析
定义数据采集节点,对声学仿真进行求解。

前腔等效声容C2对耳机声压、频响影响结果查看如下：
声压分布云图能够直观显示耳机前腔腔体声学测试场点声压级随距离的变化趋势,
图8(a)和图8(b)分别为最大和最小腔体情况,激励信号下的声压云图。

通过观察声
辐射声压分布云图,可知耳机前腔腔体在场点附近区域仿真声压值适宜。

图9(a)和图9(b)为最大和最小腔体情况下的频响曲线。

其横坐标为声音频率,范围
为人耳朵所能感知的频率范围,即20 Hz～20 kHz。

纵坐标为声音响度。

仿真的结
果显示：前腔体积最大和最小情况下,频响曲线均从1 kHz左右开始有变化；最大
和最小腔体之间调整范围最高达10 dB；另外,3 kHz和1 kHz的感差大于8 dB,
使得声音有层次感。

仿真结果与理论分析一致。

该设计是具有实际价值的耳机高音调节机构。

为了防止调容运动机构由于应力集中造成的损害和保证耳机实效性,对主要活动机
构调容动圈运动过程进行受力仿真。

此部分仿真内容采用Simulation软件实现。

图10、图11分别为调容动圈在运动过程中的受力、位移仿真结果。

仿真结果表明：调容动圈在运动过程中无明显应力集中,无明显形变,活动机构可靠。

(1) 本文对耳机高频段的声学等效电路与容性元件关系的理论分析,得到前腔等效声容直接影响频响曲线中高频峰所在的频率这一结论,并提出了一种基于等效声容的
新型高频调容动圈式腔体结构设计,在调音理论上具有独特性和创新性。

(2) 对高频调容动圈式腔体结构进行声学有限元仿真,计算机仿真结果显示：从1
kHz开始有变化,在最大和最小腔体之间变化平滑,调整范围最高达10 dB。

仿真结果验证了高频调容动圈式腔体结构对耳机中高频段频率起调节作用。

(3) 对调音结构主要活动机构调容动圈运动过程进行受力仿真。

结果显示：该机构无明显应力集中和变形,机构结构可靠。

尹宇鹤,硕士,主要研究方向为声信号处理;
檀丽莎,硕士,主要研究方向为声信号处理。

[责任编辑]闫雯雯
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李文,博士,讲师,主要研究方向为电声换能器技术;。