基于LMSVirtualLab的喇叭频响计算

引言

    喇叭频响曲线的模拟电声界已经是一个在研究了探讨了很久的问题，利用电-力-声类比电路的方法模拟喇叭单体或添加腔体情况下频响曲线的方法已经被大多数业界内学者专家所采用，而且发展得也已经比较成熟。尤其是T-S参数方法出来以后，通过添加质量法（尺寸较大的喇叭）或添加空腔体积法（微型扬声器）测量出喇叭的两条阻抗曲线，利用阻抗曲线峰值的偏移求出喇叭相应的其它机械电声参数，用电声类比模拟喇叭频响曲线的方法已经基本定型成熟且被业界广泛认可。该方法对模拟喇叭单体自身频响比较准确，但是给喇叭添加前后音箱（手机内广泛采用）后就很难准确的模拟喇叭音箱模组的频响了，这是因为在电声等效类比电路中，添加的腔体仅仅考虑了空腔的体积因素，而没有考虑腔体的形状因素，而恰恰腔体的形状对放入其内喇叭的频响有着重要的影响。通过3D建模，将喇叭音膜、前后音箱的3D模型都建出来，真实的表示出前后音箱的体积和形状，然后采用有限元和边界元相结合的数值方法来模拟带前后音箱喇叭模组的频响曲线就很有现实意义。本文通过采用有限元和边界元相结合的数值方法，利用Virtual Lab软件来仿真计算喇叭单体和喇叭背面添加1cc简单形状腔体情况下的频响曲线，为进一步分析带复杂形状前后音箱喇叭模组的频响奠定基础。同时用3D结构图来模拟频响的方法也能作为预测喇叭单体频响的一种方法，为喇叭单体频响设计提供设计参考。

喇叭模型的建立和仿真计算

    本文中模拟的喇叭单体是目前业界广泛使用的1115喇叭。首先通过尺寸的测量或是跟喇叭厂家获取喇叭音膜的具体尺寸，然后根据这些尺寸建立起喇叭音膜和音圈的3D模型（暂时不考虑磁铁、盆架和背音孔等结构）。单体和单体模型如图1所示。

    图1 喇叭音膜与音圈模型3D图

    喇叭单体音膜的3D模型建立好了之后，还需要计算音膜的振动模态，以便为后面导入Virtual Lab做声振耦合计算做准备。对喇叭音膜其划分网格，对各种材料添加相应的材料属性之后计算出喇叭音膜的模态频率，音膜第一、第二阶模态振形如图2所示。

    图2 喇叭音膜做活塞运动的前两阶模态振型

    音膜的模态分析完成之后，将喇叭音膜的结构有限元模型（含计算过的振动模态）以及声学边界元模型导入Virtual Lab进行数值仿真计算。由于音膜振动是向前向后连续振动的，喇叭在向前辐射声音的同时也向后辐射，但是由于向前向后辐射的声音相差180度相位，从而会导致后面的声绕到前面抵消掉前面的部分声能量，这种现象在低频情况下最为明显（低频波长大，容易绕射），因此我们在测量喇叭单体频响的时候都将喇叭安装在适当尺寸的障板上面来测量，这里我们仿真计算时也加上一块障板，以便将仿真结果与测试结果相比较。在导入的结构有限元模型的音圈上面周围添加激励力，将结构有限元与声学边界元模型利用Mapping耦合起来，在计算的声场中添加场点网格就可以开始耦合计算了。计算结果中任意两个频率点的声压云图如图3所示，喇叭正前方10cm处声压频响曲线将在对比验证中给出。