微型扬声器设计与仿真

声学产品的性能曾经只能靠某些“金耳朵”的主观听音来判定，曾被视作玄学。但现在声音也有了很多客观指标，如F0、THD、SPL、Impedence等，并可用专业仪器（如AP、Sound Check等）来评判。
当今世界上的大多数微型扬声器（包括手机扬声器、笔记本电脑扬声器、Pad扬声器和耳机扬声器等）是在中国的工厂里生产的。随着手机、笔记本电脑、Pad等电子产品越来越轻薄和高性能，微型扬声器也成为一种精密的电子器件。苹果、三星、华为、小米、戴尔等大公司的电子消费产品的扬声器主要生产份额由几家扬声器生产大厂所垄断，呈现出高质量、规格众多和更新换代快等特点，对扬声器的设计和生产的知识密集度以及专业化程度都提出了很高的要求。但业内和网上与扬声器相关的知识多以工艺为主，且较零碎，还未见专门系统介绍其设计和仿真知识的书籍。
微型扬声器虽然尺寸不大，且基本每年都会更新一代，但作为一个结构驱动的产品，其各个结构尺寸都需要精心设计，并通过仿真和试验尽量优化至性能，且需满足一系列严苛的可靠性试验的要求。作为大批量生产的产品，每一个微型扬声器都要通过仪器测试，如何尽量提高良率是对设计和工艺的严格考验。所以虽然微型扬声器不算一种新产品，但业内一直都在设法提升其设计和仿真的方法。
本人在微型扬声器领域已经工作了10年，先后在楼氏电子（中国）有限公司、信维通信有限公司和立讯声学有限公司从事扬声器设计和仿真方面的工作，参与过苹果、三星、华为、小米、杜比等各大品牌手机和笔记本电脑扬声器的研发，现将工作中用到的扬声器建模和仿真计算的方法做一总结，与大家共同探讨。
微型扬声器行业除了要用3D设计软件进行结构设计，还需要用到多款仿真软件进行声学和结构仿真以优化设计。常用的声学性能仿真软件有Comsol和MicroCap,力学仿真软件有Comsol和Abaqus。这几款软件在本书中都将通过实例介绍其操作。
微型扬声器的设计过程一般可分为： 架构设计—结构设计—振膜设计。本书将首先介绍微型扬声器和声学指标的相关基础知识，然后讲述扬声器架构设计和公差分析的相关知识，再介绍用Pro/E设计三款典型振膜的画法。仿真方面将讲述如何用仿真软件MicroCap进行扬声器整体声学性能仿真，并分别用Abaqus和Comsol进行扬声器振膜Kms曲线仿真，以及如何用Comsol进行Bl曲线、Zb曲线和SPL曲线仿真的方法。
本书可以看作是一份我在扬声器设计工作中所用知识和经验的总结，感谢在工作和学习过程中帮助过我的同事，也非常感谢帮助出版的清华大学出版社的领导和编辑！
作者2022年3月

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微型扬声器的设计过程一般可分为：架构设计－结构设计－振膜设计。本书首先介绍了一些微型扬声器和声学指标的基础知识，然后讲述了扬声器架构设计和公差分析的相关知识，接着讲述了用Pro/E设计两款典型振膜的画法。仿真方面讲述了用仿真软件Micro-Cap进行扬声器整体声学性能仿真，用Comsol软件进行BL曲线、Zb曲线和SPL曲线仿真，以及分别用Abaqus和Comsol进行扬声器振膜KMS曲线仿真的方法。本书采用图文并茂的方式，结合理论和实例深入浅出地帮助声学工程师和声学专业学生全面掌握使扬声器达到**性能的设计和仿真方法，既给出设计思路又介绍了调试产品所需的经验和仿真辅助方法。

微型扬声器的设计过程一般可分为：架构设计－结构设计－振膜设计。本书首先介绍了一些微型扬声器和声学指标的基础知识，然后讲述了扬声器架构设计和公差分析的相关知识，接着讲述了用Pro/E设计两款典型振膜的画法。仿真方面讲述了用仿真软件Micro-Cap进行扬声器整体声学性能仿真，用Comsol软件进行BL曲线、Zb曲线和SPL曲线仿真，以及分别用Abaqus和Comsol进行扬声器振膜KMS曲线仿真的方法。本书采用图文并茂的方式，结合理论和实例深入浅出地帮助声学工程师和声学专业学生全面掌握使扬声器达到**性能的设计和仿真方法，既给出设计思路又介绍了调试产品所需的经验和仿真辅助方法。

韦煜,2000年清华大学机械工程系本科毕业，2000年-2011年先后在北京航空工艺研究所和北京航天11研究院工作，2011年至今先后在声学行业的楼氏电子（北京）有限公司、信维通信有限公司和立讯声学科技有限公司工作，先后参与过苹果、三星、华为、小米等著名品牌的手机和笔记本扬声器的设计，现为高级工程师。著有《从CAD到CAE--基于Pro/e》一书，2011年北航出版设出版

第1章扬声器和受话器简介

1.1扬声器和受话器的区别

1.1.1扬声器和受话器的功能区别

1.1.2扬声器和受话器的参数区别

1.2扬声器和受话器的分类

1.2.1受话器结构简图

1.2.2扬声器单体结构简图

1.2.3扬声器盒结构简图

1.3扬声器和受话器的声学测试指标

1.3.1灵敏度与响度的关系

1.3.2系统共振频率与音调的关系

1.3.3失真度与音色的关系

第2章扬声器架构设计

2.1扬声器架构设计需要确定的主要尺寸

2.2影响扬声器架构设计竖向尺寸的主要因素

2.2.1线圈的运动位移与灵敏度之间的平衡

2.2.2总运动位移的大小和上、下位移的不对称性

2.2.3扬声器里零部件的公差和扬声器顶盖的受压变形量

2.3影响扬声器架构设计横向尺寸的主要因素

2.3.1内磁横向尺寸与振膜折环宽度之间的平衡

2.3.2磁铁与线圈之间的间隙

2.4扬声器公差分析

2.4.1公差分析的流程和两种算法

2.4.2用坏情况模型计算公差

2.4.3用均方根和模型计算公差

2.4.4WC模型和RSS模型的计算结果比较

第3章声学性能的集成参数法仿真

3.1扬声器的物理模型

3.2力学模型与电路模型的转换

3.2.1力学参数与电学参数的转换

3.2.2扬声器电路部分的模型

3.2.3没有前腔体的扬声器(非扬声器盒)运动系统类比的电路模型

3.2.4扬声器盒系统类比的电路模型

3.3MicroCap模型的运行与修改

3.3.1MicroCap模型的运行

3.3.2MicroCap模型的修改

第4章音圈和磁路的设计与仿真

4.1音圈的设计

4.1.1音圈线的主要种类和生产厂家

4.1.2音圈的制作过程和设计尺寸

4.1.3音圈设计表的使用

4.2磁路仿真

4.2.1磁路仿真中各物理量的关系

4.2.2线圈在平衡位置时的磁路仿真

4.2.3线圈运动到不同位置时的B仿真计算

4.2.4两个常见问题的处理

第5章振膜的设计与画法

5.1振膜Kms曲线与扬声器THD曲线的关系

5.1.1 扬声器THD的定义和影响因素

5.1.2通过仿真来确定影响扬声器THD高低的因素

5.2振膜形状与产品性能的关系

5.2.1振膜上的应力分布与振膜形状的关系

5.2.2振膜Kms曲线对称轴与振膜几何形状的关系

5.3四款常见振膜的画法

5.3.1单折环柳叶纹振膜的画法

5.3.2双折环柳叶纹振膜的画法

5.3.3双折环波浪纹振膜的画法

5.3.4双折环双排交错纹振膜的画法

第6章用Abaqus进行振膜的仿真

6.1影响微型扬声器失真的主要因素

6.2扬声器共振频率的仿真

6.2.1输入模型

6.2.2设置零件的材料

6.2.3装配模型

6.2.4创建频率分析步

6.2.5设定零件间的相互作用

6.2.6设定载荷

6.2.7划分网格

6.2.8创建计算任务

6.2.9提取频率计算结果

6.3振膜Kms曲线的静态仿真法

6.3.1创建静态分析步

6.3.2创建加负载点与线圈的耦合

6.3.3创建正向位移作为载荷

6.3.4创建正向位移的静态分析任务

6.3.5运行正向位移的静态仿真

6.3.6创建负向位移作为载荷

6.3.7创建负向位移的静态分析任务

6.3.8运行负向位移的静态仿真

6.3.9静态仿真结果的后处理

6.4振膜Kms曲线仿真的施加动态质量仿真法

6.4.1简化仿真模型

6.4.2装配模型

6.4.3模型划分网格

6.4.4定义显示分析步

6.4.5给模型定义材料

6.4.6设置耦合条件

6.4.7设定约束和载荷

6.4.8创建计算任务并计算

6.4.9动态仿真结果的后处理

6.5通过振膜仿真检验振膜运动安全空间

6.5.1导出变形后的振膜模型

6.5.2在Pro/E中输入并修改变形后的振膜模型

6.5.3在Pro/E中装配并测量变形后的振膜与顶盖的距离

6.6计算系统整体的Kms曲线

6.6.1求振膜的有效辐射面积

6.6.2将振膜仿真结果输入计算整体Kms曲线的表中进行计算

第7章带电流的磁场仿真

7.1扬声器灵敏度用Comsol软件仿真的方法

7.2输入磁路模型

7.2.1将Pro/E里的磁路模型转存为STEP格式文件

7.2.2在Comsol里建立磁路仿真模型

7.3在Comsol里添加材料信息

7.3.1将空气属性加入模型

7.3.2将软铁材料加入模型

7.3.3将音圈线材料加入模型

7.4在Comsol里设置磁场属性

7.4.1定义内磁属性

7.4.2定义外磁属性

7.4.3定义极片属性

7.4.4定义线圈属性

7.5定义Bl计算参数

7.5.1找到表征洛伦兹力的变量

7.5.2对线圈上的洛伦兹力积分

7.5.3定义Bl值的计算变量

7.6模型网格化

7.7设置研究步骤

7.8提取Bl

第8章扬声器Zb曲线仿真

8.1电磁阻抗的分析方法

8.2集肤深度的计算和相应的网格设置

8.3用Comsol软件磁场模块仿真扬声器Zb曲线

8.3.1在Comsol里建立磁路仿真模型

8.3.2在Comsol里添加材料信息

8.3.3在Comsol里设置个物理场属性

8.3.4在Comsol里设置第二个物理场属性

8.3.5在Comsol里添加第二个研究

8.3.6模型网格化

8.3.7求解磁场分布

8.3.8求解Zb曲线

8.3.9Zb曲线后处理

第9章扬声器灵敏度曲线仿真

9.1仿真用3D模型的建立

9.2在Comsol软件里建立SPL仿真模型

9.2.1建立几何模型

9.2.2在Comsol里定义变量和几何集

9.2.3在Comsol里定义材料属性

9.2.4压力声场频域物理场设置

9.2.5固体力学物理场设置

9.2.6壳物理场设置

9.2.7设置多物理场耦合

9.2.8模型网格化

9.3求解和后处理

9.3.1单频点求解

9.3.2多频点求解

第10章用Comsol进行振膜仿真

10.1导入模型

10.2设置全局材料属性

10.3定义振膜几何集

10.4设置组件中的材料属性

10.5设置“壳”物理场中的属性

10.6设置“固体力学”物理场中的属性

10.7模型网格化

10.8模型特征频率的求解和结果查看

10.9设置音圈的位移

10.10求解振膜反作用力

10.11振膜曲面的虚拟化

微型扬声器的设计过程一般可分为：架构设计－结构设计－振膜设计。本书首先介绍了一些微型扬声器和声学指标的基础知识，然后讲述了扬声器架构设计和公差分析的相关知识，接着讲述了用Pro/E设计两款典型振膜的画法。仿真方面讲述了用仿真软件Micro-Cap进行扬声器整体声学性能仿真，用Comsol软件进行BL曲线、Zb曲线和SPL曲线仿真，以及分别用Abaqus和Comsol进行扬声器振膜KMS曲线仿真的方法。本书采用图文并茂的方式，结合理论和实例深入浅出地帮助声学工程师和声学专业学生全面掌握使扬声器达到**性能的设计和仿真方法，既给出设计思路又介绍了调试产品所需的经验和仿真辅助方法。

韦煜,2000年清华大学机械工程系本科毕业，2000年-2011年先后在北京航空工艺研究所和北京航天11研究院工作，2011年至今先后在声学行业的楼氏电子（北京）有限公司、信维通信有限公司和立讯声学科技有限公司工作，先后参与过苹果、三星、华为、小米等著名品牌的手机和笔记本扬声器的设计，现为高级工程师。著有《从CAD到CAE--基于Pro/e》一书，2011年北航出版设出版