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1、,邱小军南京大学声学研究所,电声器件计算机辅助设计方法和软件的调研,2007420 南京,2007电声强化班,引言电声器件的设计方法电声器件的设计软件扬声器系统设计软件电声测试软件结束语,内容,电声器件的设计近年有无进步？方法？设计工具？测试工具？计算机自动设计有无可能？将来几年的发展方向？,引言,解析解法等效线路法数值计算法工程经验法,电声器件的设计方法,解析方法,声场各个声场耦合 振膜振动声振耦合电磁场分析电磁相互作用,解析方法声学,辐射声场,解析方法声学耦合,声场耦合,解析方法振动,振膜振动,解析方法声振耦合,格林函数法模态耦合法波数变换法,解析方法电磁场,电磁场分析电磁相互作用,解析解
2、法小结,等效线路法,等效线路法,电力声类比应用范围 低频时，若器件的线度远远 小于声波波长，则此时分布 系统参数可用集总系统参数 来近似描述。,有限元法（FEM）,声学、结构、电磁有限元解析方法物理解释明确表达式数值计算复杂系统结果分析比较复杂,FEM梁的有限元计算,FEM位移的多项式表示,FEM矩阵形式,FEM整个系统的自由度,FEM整个系统方程,FEM步骤,（1）离散化。将一个整体分解成一定数量的小单元，这些单元通过节点相互连接，力、力矩、能量等只能通过节点传播到相邻的节点中去。（2）将作用到整体上的外力，等效到各单元的节点上。（3）利用力学中的有关物理方程，在各个单元上建立外力和节点自由
3、度（位移或速度等）之间的关系。（4）结合边界条件，组成方程组，联立求解，得到各个节点的解，即整个系统的解。,FEM声学问题,FEM FEM法的精度,所选单元的大小数目单元上节点值和单元内值的关系式,声学边界元法（BEM）,BEM 的步骤,为了求解上式，将边界化成有限个小单元，每个单元由它们的节点的值决定，每个单元节点上的自由度为声压（未知）和法向速度（已知）。对所有单元，选择恰当的描述函数（单元上节点值和单元内值的关系式），则在每个小单元可以进行上述积分，从而得到一系列线性方程组，进而求出各个单元节点的声压。但要注意，对某些系统的本征频率，上述解不存在唯一性。目前，已有许多方法来克服这个问题,
4、FEM 和 BEM 的差别,边界元法和有限元法虽然都将系统离散化成许多小单元，用单元的节点参数来描述节点内分布，但两者还是有区别的。有限元法的线性方程组来源于对物理的微分控制方程（如拉葛朗日方程，波动方程等）的近似而边界元法的线性方程组来源于对边界条件（边界积分方程）的近似。,取得一个现有样品根据经验设计 制作和测量若没达到指标、修改设计分析总结、建立经验参数数据库,工程经验法,解析法无法直接用于产品设计，但了解电声器件的基本原理，从而在产品设计中提供思路和指导。等效线路法和数值计算法可用于产品设计，但在有些实际情况下，可能无法应用或模型不够准确。工程经验法简单有效可靠，但具有盲目性。实际设计
5、时，这些方法应有效结合。一般过程是，通过解析解首先了解基本电声器件的原理和规律，然后，采用等效线路法（低频或小器件）或数值计算法（有限元法等）进行产品设计。接着，设计、制作、测量，结合工程经验法反复修改，达到设计要求。,比较和评价,ANSYSSPEADVST/VSTXFINEMOTORFINEConeAKABAKFEMMSIM,电声器件的设计软件,ANSYS,SPEAD,VST/VSTX,FINEMOTOR,FINECone,AKABAK,FEMM,SIM,比较和评价1,为了提高扬声器的性能，许多公司采取的主要方法有：采用新型磁性材料和新的磁路设计采用新型振膜材料和音圈材料和新型的结构和形状设
6、计采用新型号筒广泛采用计算机CAD、CAM和CAE技术。,比较和评价2,比较和评价3,在目前电声器件计算机辅助设计软件中，功能最强大的是ANSYS。由于采用有限元方法和多物理场耦合模型，该软件原则上可对电声器件设计的各个过程进行建模和仿真。如磁路、电路、振动、声、热和各部分的耦合，机械强度和耐久性等的仿真等。该软件不像等效线路方法，具有低频限制。该软件可以采用设计中的其它部分，如机械结构设计的几何输入等，保证建模准确，并减少重复建模的工作量。但该软件价格较贵，而且对操作人员的要求很高，导致使用该软件的成本非常大。在设计阶段，数据输入（建模）阶段工作量较大。在计算时，有时需要计算时间也很长。,比
7、较和评价4,SPEAD、VST/VSTX和FINEMOTOR都属于集总参数模型的软件，将电磁、振动和声简化成若干集总参量进行设计。FINECone和FEMM分别将有限元方法用到振膜和磁路的设计中，SIM考虑了非线性集总参数模型，而AKABAK则采用网络处理方法和集总参数模型结合。和ANSYS软件相比，集总参数模型类型的软件仅能处理低频情况，FINECone和FEMM分别只针对振膜和磁路。这些软件价格不是很高，比ANSYS简单易用，可以在电声器件设计的某些阶段或方面起非常重要的作用，但都无法完成电声器件完整的计算机辅助设计。另外，这些小软件和机械结构设计、其它设计阶段的配合也不如ANSYS紧密。
8、,比较和评价5,所有这些电声器件计算机辅助设计软件目前都存在数值模拟准确性不够的缺点。数据库的建立、管理、维护和搜寻在有较多数据的基础上，采用基因算法等优化方法进行自动设计设计精度和误差能够给出对现有设计自动发现缺陷整个系统的输入参数的测试模型和工具的建立和测试数据的无缝连接疲劳性寿命分析设计图报表自动生成,LEAP5CALSODLSPCADWinSpeakerzBassBox Pro和Xover 3FINEBOX和FINE X-over,扬声器系统设计软件,LEAP5,CALSOD,LSPCAD,WinSpeakerz,BassBox Pro和Xover 3,FINEBOX和FINE X-o
9、ver,比较和评价,电声计算机辅助测试软件,归纳了目前常用的电声器件设计方法、评价了各种方法的使用范围。介绍了几种目前常用的电声器件计算机辅助设计软件ANSYS，SPEAD，VST/VSTX，FINEMOTOR，FINECone，AKABAK，FEMM和SIM介绍了几种常用扬声器系统计算机辅助设计软件LEAP5，CALSOD，LSPCAD，WinSpeakerz，BassBox Pro和Xover 3，FINEBOX和FINE X-over,结束语1,电声器件的设计近年有无进步？方法？设计工具？测试工具？计算机自动设计有无可能？将来几年的发展方向？,结束语2,优秀电声器件计算机辅助设计软件：应
10、具有分析功能和设计功能要简单、容易上手，成本也不高电声器件计算机辅助设计软件方向：一是从简单模型出发，在集总参数模型上，逐步引入非线性模型、对其中某些部分（磁路、振膜）的计算引入有限元方法，逐步变得完整、精确；二是从复杂和功能强大的ANSYS出发，在其上做二次开发，专门针对电声器件实现专门的设计工具，有专门的界面、数据库和优化工具等，使专业工具简单容易上手。,结束语3,不论哪种方法、还需要关注：数据库的建立、管理、维护和搜寻；优化算法；混合仿真技术即将实物试验和虚拟仿真的长处相结合，实现测试数据的无缝连接、加快设计过程、提高设计精度。将来必然是计算机自动设计！农田由机器种了，农民干什么？生产线的工人由机器代替了，工人干什么？电声器件由电脑设计了，我们干什么？,结束语4,谢谢大家！,
