COMSOLMultiphysics微型扬声器分析设计解决方案_郭枝权

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。

这时，需要求解波动方程来进行分析。

除声学之外，扬声器中还涉及电磁线圈的频率分析、功耗分析和结构失效分析等。

SOL Multiphysics应用背景
微型扬声器设计工作涉及三个基础领域：电磁设计、结构设计和声学设计。

业内绝大多数的厂商，其研发中心也基本照此划分为三个团队。

显然，这是一个多物理耦合的工程应用。

另外，工业级的应用对计算分析在很多细节上有着很高的要求。

比如耳机结构中存在动圈结构和音膜，二者尺寸跨度很大。

同时音膜的结构往往非常复杂，各部分厚度可能不同、材质可能不同，同时存在多层膜复合的情况，这些都需要仿真工具有专门的解决方案。

COMSOL Multiphysics就是这样一个专门的解决方案，而且就目前而言，是世界上唯一能够完美解决微型扬声器设计中所有问题的工业级解决方案。

在微型扬声器设计领域，COMSOL Multiphysics是行业标准。

二、微型扬声器设计分析要点
从工业应用的角度，用户的典型需求如下。

（1）结构微型化：小型电子设备（如手机）中使用的微型扬声器的尺寸相对来说较小，在毫米（局部微米级）的结构上是否能够实现多种物理现象的模拟？能否保证精度？
（2）对于电磁线圈的模拟与分析：在扬声器的线圈中通入电流后，电场会产生磁场，同原有永磁体的磁场相互影响，同时线圈存在感应电动势。

这一系列的模拟能否提供明确的模拟方法和解决方案？能否得到符合实际的驱动力？能否给出线圈的阻抗、电感的频率曲线？
（3）在扬声器中所使用的音膜为复合材料，是由两层或多层不同材料的薄膜构成，每层膜的不同局部，采用不同的厚度和材质，如何在厚度很小的情况下模拟出符合实际情况的音膜整体性能？
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（4）音膜在实际生产中使用时，在其表面会有些通过模拟薄膜产生声场在无限大开放环境中的传播。

通过进行频蚀刻或成型制造出来的纹路，通过纹路的位置和深浅来调率扫描计算，得到结构内部空气响应和振动模态。

根据这一节音膜的响应频率，在模拟中是否能实现对存在纹路的音思路，设计人员可以调整任何参数，如改变驱动电信号、选膜模拟？择材料和设计结构等，直到达到最佳的结果。

（5）声学模拟：扬声器声学特性的模拟，如何实现？下面通过一系列案例说明这一过程。

由于我们需要保无限远的区域如何实现？护相关厂商的技术秘密，因此本方案中的模型均为简化过的（6）C A D模型导入：由于微型扬声器结构的较为复模型，并有意把模型分离成各小部分分别演示，同时隐去厂杂，尤其是薄膜结构蚀刻或成型后的结构，如果使用不是很商的信息和重要的技术参数，如结构细节尺寸、各部分材料熟悉的软件进行建模是比较困难的，同时对于已有C A D模型特性等，旨在说明COMSOL Multiphysics如何进行分析。

文件，是否能够直接导入C A E软件中进行计算？对于通过读 1.扬声器驱动分析
取CAD文件导入到CAE软件中的模型能否在软件中进行修改？图1展示了一个典型的动圈扬声器的基本结构。

永磁如何修改？修改后的模型是否会影响模拟的结果？铁产生的磁场被极片、顶板和底板所收集，然后在气隙处（7）经验方程或特殊材料属性的输入：对于一些研究集中释放。

气隙中的音圈被一个面弹簧悬挂。

当音圈通有人员自己的一些经验方程能否直接输入到软件中，实现求变化的电流（音频信号）时，磁场产生的罗仑兹力和面弹解？对于一些特殊的或新研发使用的材料，其属性是软件材簧共同作用会导致音圈上下振动，从而带动音膜振动，声料库所无法提供的，在模拟时这些数据是否能够直接输入？波在空气中传播出去，其声场空间分布受到喇叭轮廓的影（8）结构变形失效研究：结构工作时会有振动（变响，如图2所示。

形）的发生，需要研究在长时间工作后是否会发生变形失效
问题，导致响应频率的改变，这种研究软件中是否能够通过
模拟来实现？
（9）散热问题的模拟：在某些稍大型扬声器设计中，
随着功率的增加，其发热量显著增大，如何模拟热量对于结
构的影响（如结构热变形，受热材料属性发生变化），及结
构散热的仿真？
三、COMSOL Multiphyscis微型扬声器设计
由于微型扬声器模拟仿真中所涉及问题的复杂性，其
多物理场耦合的解决是常规单场分析软件所无法做到的。

在
这种情况下，多物理场耦合耦合分析软件 C O M S O L
Multiphysics能够发挥很大的作用。

对于多物理场耦合系统
的建模和仿真分析，COMSOL Multiphysics提供了一个科
学的软件分析环境。

可选择的模块功能包括电磁学、声学、
热传递、微机电、化学工程反应实验室以及结构力学等专业
学科的专门工具。

用户可以通过求解微型结构的力-电-磁-声
-热耦合问题，来精确模拟微型扬声器工作中的各种物理现
象，进一步预测分析扬声器的工作性能及可靠性。

COMSOL Multiphysics集前处理器、求解器和后处理器
于一体，在同一个图形化操作界面中可以完成几何建模、网
格剖分、方程和边界参数设定、求解以及后处理。

用户可以
在图形化界面中构建自己的几何模型，或者直接导入
SolidWorks、Inventor和Pro/ENGINEER等CAD软件构建的
几何模型。

C O M S O L还内置了专门的材料库，支持用户自
定义材料参数。

在设计中，能够方便的定义线圈的载荷（如电
流密度等），创建含有永磁体的动圈结构，以及很薄的多层复
合音膜。

此外，完美匹配层（P M L）、预定义的声-壳耦合和
应用阻尼本构模型等，使得COMSOL Multiphysics可以自如地
图1动圈扬声器结构示意
图2二维轴对称建模，加入空气域和外围PML考虑无限大声场
模拟仿真分为两步进行。

（1）电磁分析。

使用AC/DC模块中的磁场（Magnetic F i e l d s）接口，求解音圈附近的磁场方程，
如图3所示。

分析可以获得驱动力BL；并且通过计算音圈
在一定频率范围内的时谐场，得到闭合线圈的阻抗Zb。

（2）声学-结构耦合分析。

在声学-结构耦合分析中使
用第一步计算得到的驱动力BL和阻抗Zb，计算声压分
布，及同一频率上的驱动器总电阻。

CAD/CAM与制造业信息化·2011年第10期33
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靠近表面。

这导致电感及阻抗的电阻部分随着频率而变化。

图6显示的是闭合线圈的电感随频率变化的曲线。

图3音圈附近的磁场分布（磁场强度的模）
极片和顶板中的铁芯是非线性磁性材料，其 B H曲线
是一组离散的数据，COMSOL Multiphyscis可以直接导入
这些数据来定义符合工程实际的材料。

图4清楚地显示了工程中实际的顶板和极片的磁导率分布。

图4受磁场影响下的顶板和极片的磁导率分布
软件同时可以给出电场的计算结果，如闭合线圈的阻抗，以及顶板和极片上的感应涡旋电流，如图5所示。

图5极片和顶板分别在52 Hz和90 Hz时的感应电流在较高频率处，趋肤效应（skin effect）使得电流更
图6闭合线圈的电感时频率的函数
通过声学-结构耦合分析，图7显示的是3 500H z时声压级分布。

最小值位于挡板上方45°附近。

在较低频率，声压级是平均分布的，但是峰值是在轴向上。

图73 500 Hz时的声压级分布
通过进一步的扫频计算，我们可以获得扬声器的灵敏度，即不同频率情况下，轴向某点处声压级的变化，如图8所示。

首选的工作范围是在响应较平均的区域，也就是说，
通常在100~1 500Hz的区域内。

图8扬声器灵敏度，测量距离1米处的轴向声压级（dB）得到
总电阻，定义为Z=V0/I，如图9所示。

出现在40H z
是的峰值是由于恰逢机械共振；在这个频率上，阻抗的电阻部分
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从电感式到电容式的转换标志。

在大多数工作频率范围内阻
抗主要是电阻。

在100H z~1k H z，电阻变化较小。

在频率
高于1k H z时，阻抗持续增加，这里音圈的电感开始扮演
重要作用。

图9扬声器电阻抗是频率的函数
2.声-壳耦合分析
上例演示了动圈扬声器整个分析的流程。

在实际的工业应用中，常常扬声器并不是轴对称结构，因此就必需进行三维建模分析。

在三维结构中，音膜相比动圈结构而言非常薄，所以整个模型是一个跨尺度分析问题。

为了将计算量控制在可接受的范围内，同时保证计算的精度，业内通常使用壳结构来描述音膜。

所以在实际工业应用中，业内公认使用声-壳耦合来模拟薄膜发声，而不是上例所使用的声-固耦合。

也就是把上例中的仿真第二步用本例所描述的方法进行分析。

下例展示了这项功能。

图10展示了扬声器中的锥体音膜及防尘盖的模型。

其材料设定为钛合金，厚度为0.5m m，在模拟仿真中我们使用壳体来描述。

在模型外部建立空气域，计算在空气域中的声压分布。

图10使用壳体来分析音膜振动和发生
假设电磁分析已计算完毕，电磁驱动力的大小和频率已知。

音膜结构由于内部音圈的受力而振动。

我们略去扫频的过程，仅选择1k H z和6k H z两个频率进行频域分析作为演示，如图11~图13所示。

图111 kHz和6 kHz的锥体瞬时位移（以z方向的位移来描述）图12 1 kHz和6 kHz时空气域中的声压场切面图，及同零相位相
比的位移变形情况
图13 1 kHz和6 kHz时空气域中的声压级切面图，及同零相位相
比的位移变形情况
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在图12和13中可以看到，在6kHz时，在Z轴30°左右存在两个低值区域。

在同样的模型上施加同样的初始位移，可以看到在高频时整体的声压级更高。

3.复合薄膜性能分析
有了壳分析仍然不能完美满足工业界的需求。

在业内，音膜是整个扬声器中最重要的部件之一。

顶级扬声器设计，音膜总是最令工程师绞尽脑汁的地方。

多层膜复合，每层膜中各个部分使用不同的厚度和材质，并且在特定的位置加入各种花纹和凹槽，改善音膜的频响。

在业内，各厂商多有自己的CAD环境进行这些音膜的设计。

本例演示了一个Pro/ENGINEER设计的复杂双层复合薄膜，导入到COMSOL Multiphysics中进行仿真分析，如图
14、图15所示。

图14双层复合音膜（中间蓝色部分为音圈）
图15每层膜各个部分往往采用不同的厚度设计和材质设计
COMSOL Multiphysics为这种复杂膜分析提供了专门的解决方案。

软件中可以设定任意多层膜复合，同时分别指定每层膜中各局部的细部几何和材料属性。

我们演示了典型的频域扫略分析，设定一定的频率范围（一般为200Hz~10kHz），并且在低频部分设定更多的采样点。

特别说明：我们使用一台4核2.66G的台式计算机，共扫描了从200Hz~10kHz范围内的共137个频率，运算时间为13小时。

最终可以给出复合音膜扬声器的灵敏度曲线（类似图8）。

由于工业保密原因，本曲线在本方案中略去。

4.结构失效分析
在工业界微型扬声器的设计制造中，一些结构（如扬
声器固定弹片）在长时间工作中可能会发生结构屈服失效的现象。

这里我们建立一个如图16所示模型。

图16弹片屈服分析
模型由三部分组成，在接触面处我们建立接触对，通过设定法向接触系数来连接模型，如图17所示。

图17弹片一段固定在结构体中，一端悬空
图18显示了屈服的情况，图中绘制的是m i s e s应力，红色部分表示应力超限，材料会屈服。

同时结果显示出，仅在表皮应力超限，而不是整体屈服。

图18弹片屈服应力分布
四、小结
COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究及工程计算。

模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。

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houl@ COMSOL Multiphysics特点如下。

（1）求解多场问题等价与求解方程组：用户只需选择
不同模块下的应用模式或者直接自定义偏微分方程进行任意
组合便可轻松实现多物理场的直接耦合分析。

（2）完全开放的架构：用户可在图形界面中轻松自由
定义所需的专业偏微分方程。

（3）任意独立函数控制的求解参数：几何设计、材料
属性、边界条件、载荷均支持参数控制。

（4）专业的计算模型库：内置各种常用的物理模型，
用户可轻松选择并进行必要的修改。

（5）内置丰富的C A D建模工具：用户可直接在软件
中进行二维和三维建模。

（6）全面的第三方CAD导入功能：支持当前主流
CAD软件格式文件的导入。

（7）强大的网格剖分能力：支持多种网格剖分，支持
移动网格功能。

（8）大规模计算能力：具备Linux、Unix和Windows系
统下64位处理能力和并行计算功能。

（9）丰富的后处理功能：可根据用户的需要进行各种
数据、曲线、图片及动画的输出与分析。

（10）专业的在线帮助文档：用户可通过软件自带的
操作手册轻松掌握软件的操作与应用。

（11）多国语言操作界面：易学易用，方便快捷的载
荷条件，边界条件、求解参数设置界面。

本文索引号：112
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