一种具有号角的同轴扬声器及其形状优化方法

技术领域

本发明涉及扬声器领域，具体涉及一种具有号角的同轴扬声器及其形状优化方法。

背景技术

同轴扬声器集成有高音扬声器和低音扬声器，分别负责重放高音和中低音。优点在于大大提高单体扬声器的频宽，广泛应用于汽车音响。目前少数高品质扬声器音响系统，有时会仅仅只使用同轴扬声器的高音扬声器而让低音扬声器不发声，用于调节车内声场。这也导致了高音扬声器在单独工作时，也需要有很好的频响响应曲线。但是，在同轴扬声器中，低音扬声器的结构势必会影响高音单元的辐射声场。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种具有号角的同轴扬声器，其能够在高音扬声器工作时拥有更好的频响曲线，同时也不影响低音扬声器的声场辐射。本发明还提供一种具有号角的同轴扬声器的形状优化方法，能够快速准确地优化号角的形状，提高扬声器的声学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有号角的同轴扬声器，包括低音扬声器和高音扬声器，所述同轴扬声器还包括具有内腔且上下两端开放的号角，所述高音扬声器包括高音音盆，所述号角环绕所述高音音盆，所述号角的下端部连接于所述高音扬声器，所述号角的上端部为其内径最大处。

在一优选的实施例中，所述号角具有扩张部，所述扩张部的内径自下至上逐渐增大。更优选地，所述扩张部的沿上下方向的截面中具有呈两个镜像对称的贝塞尔曲线状的内轮廓。使得高频的频响曲线较为平滑。

在一优选的实施例中，所述号角的内径自下至上逐渐增大。更优选地，所述号角的沿上下方向的截面中具有呈两个镜像对称的贝塞尔曲线状的内轮廓。使得高频的频响曲线较为平滑。

优选地，所述高音扬声器还包括座舱，所述座舱设置于所述低音扬声器上，所述高音音盆设置于所述座舱上，所述号角的下端部连接于所述座舱和/或高音音盆的外周边沿上。

更优选地，所述号角的下端面的局部具有向上拱起的拱起部，所述高音音盆的边缘部位位于所述拱起部的下方并在二者之间形成和所述内腔连通的环形凹腔。使得高频的频响曲线较为平滑。

更优选地，所述高音扬声器还包括用于向高音音圈传输音频信号的焊片，所述焊片的上部嵌设在所述座舱中并和所述高音音圈的输入端导通，所述焊片的下部伸入所述低音扬声器中以和信号输入线导通。

进一步地，所述低音扬声器包括磁路系统，所述磁路系统上开设有上下方向延伸的通孔，所述信号输入线穿入所述通孔中，所述焊片的下部伸入所述通孔中和所述信号输入线导通。

优选地，所述同轴扬声器还包括连接于所述号角和低音扬声器之间的防尘圈。

更优选地，所述低音扬声器包括低音音盆，所述防尘圈连接于所述号角和所述低音音盆之间，所述防尘圈由透气材料制成。用于低音扬声器磁间隙防尘。

进一步地，防尘圈的沿上下方向的截面包括两个镜像对称的波浪形或锯齿形，以避免在低音扬声器工作时拉扯低音音盆。

进一步地，所述透气材料为棉、PC(聚碳酸酯)或者CONEX(芳纶纤维)。防尘圈仅用于防尘，不用于防水。

优选地，所述低音扬声器包括低音音圈，所述高音扬声器设置于所述低音音圈内，所述低音扬声器的最上端及所述号角的上端均低于所述低音扬声器的上端。高音扬声器及号角整体位于低音扬声器内。

优选地，所述同轴扬声器还包括自所述号角的内表面向内延伸的多个延伸翅片，所述延伸翅片位于所述高音扬声器的高音音盆的上方。更优选地，所述延伸翅片沿号角的径向向内延伸。进一步地，所述延伸翅片在径向上的尺寸自上至下逐渐增大。更进一步地，各所述延伸翅片的下端部均连接于一环形部件上。更进一步地，所述延伸翅片的内边缘为弧形。延伸翅片能够有效保护高音扬声器的内部部件，防止手指等外物误入高音扬声器中损坏高音音盆等内部部件；延伸翅片还能够使高频扩散较好。

本发明还采用如下技术方案：

一种具有号角的同轴扬声器的形状优化方法，包括如下步骤：

S1、建立如上所述的同轴扬声器的几何模型，获得号角的轮廓曲线中的控制节点；

S2、设置物理场；

S3、定义材料参数；

S4、网格划分；

S5、优化号角的轮廓形状的几何参数；及

S6、根据优化后的参数绘制号角的优化几何模型；

其中，所述步骤S5具体包括：

S51、选择优化参数：以号角的轮廓曲线中的一组控制节点的坐标值P作为优化参数；

S52、设置约束条件：限定坐标值P的取值范围C为：

C＝{P：lb≤P≤ub}

上式中，lb是坐标值P的取值下限，ub是坐标值P的取值上限；

S53、确定优化目标：同轴扬声器的0°轴向和偏轴θ角度的高频平均声压级响应

上式中，

S54、优化计算：根据优化参数P和约束条件C，采用优化算法计算得到满足优化目标

优选地，所述步骤S2具体包括：

S21、电磁场和振动系统：在扬声器振动系统部件的固定部分设置“固定约束”；设置扬声器振动系统部件的材料本构关系为“线弹性材料模型”；在扬声器音圈上设置轴向载荷FF，如下：

上式中，BL是扬声器磁路的驱动力系数，Zb(freq)是扬声器磁路的基本阻抗频响曲线，v是扬声器音圈的轴向振动速度，V

S22、声场：设置号角轮廓的几何模型为“硬声场边界”；设置扬声器周围空气域的外层为“完美匹配层”。

步骤S1中，在有限元分析软件中建立扬声器及其周围空气域的几何模型，并以参数化的贝塞尔曲线建立号角轮廓的几何模型，获得曲线中的控制节点，由这些控制节点的坐标值控制号角轮廓的几何形状。

步骤S3中，定义扬声器振动系统各部件的力学材料参数；定义空气的材料参数。

步骤S4中，以“自由三角形网格”单元划分扬声器及其周围空气域的网格，最大网格单元尺寸大小应满足一个声波波长内至少有5～6个线性单元的原则。

步骤S54中，优化算法选自Nelder-Mead、BOBYQA、COBYLA、Laplace、Winslow、坐标查找、Yeoh平滑七种无梯度型优化算法，以及SNOPT、MMA和Levenberg-Marquardt三种梯度型优化算法。

在有限元分析软件中执行上述各步骤，有限元分析软件包括COMSOLMultiphysics和 ANSYS。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

本发明的具有号角的同轴扬声器，当高音扬声器工作时，高音号角引导声波向正前方传播，阻止了声波向后辐射，从而降低低音扬声器对高音的影响，同时逐步向外扩张的结构利于高音扬声器高频的拓展。本发明的形状优化方法，通过优化算法设计出号角的最优贝塞尔曲线形状，可以快速、低成本且准确地优化扬声器号角，从而缩短扬声器号角的研发周期，提高扬声器的声学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种同轴扬声器的整体外形示意图；

图2是图1所示同轴扬声器的俯视图；

图3为图2中A-A向的剖视图；

图4为图3中B处的局部放大图；

图5为图2中的高音扬声器及号角的立体示意图；

图6为图2中的高音扬声器及号角的剖视图；

图7为不配置号角的同轴扬声器和本发明实施例的同轴扬声器的频响曲线对比图；

图8为根据本发明实施例的一种形状优化设计方法的流程图；

图9为扬声器、号角及其周围空气的几何模型；

图10示出了高音扬声器基本阻抗的实部；

图11示出了高音扬声器基本阻抗的虚部；

图12示出了“固定约束”边界；

图13示出了高音扬声器的音圈；

图14示出了高音扬声器的振膜；

图15示出了“外场计算”边界；

图16示出了“内部硬声场边界(壁)”边界；

图17示出了是完美匹配层；

图18示出了“声-结构”边界；

图19示出了“自由三角形网格”区域；

图20示出了“映射”网格区域；

图21示出了网格划分结果；

图22示出了高音扬声器号角几何模型的优化结果。

以上附图中，

1、低音扬声器；11、盆架；12、低音音盆；13、低音音圈；14、第一磁路系统；141、T铁；142、磁钢；143、通孔；15、信号输入线；16、定位支片；

2、高音扬声器；21、座舱；22、高音音盆；221、中心拱部；222、边缘拱部；23、高音音圈；24、第二磁路系统；25、焊片；

3、号角；31、拱起部；310、环形凹腔；32、延伸翅片；33、环形部件；

4、防尘圈。

具体实施方式

下面结合附图对本的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1至图6所示，本实施例提供一种具有号角的同轴扬声器，其包括同轴设置的低音扬声器1和高音扬声器2。该同轴扬声器还包括具有内腔且上下两端开放的号角3。上述高音扬声器2包括高音音盆22，号角3环绕高音音盆22。号角3的下端部连接于高音扬声器2，号角3的上端部为其内径最大处。号角3具有扩张部，扩张部的内径自下至上逐渐增大。进一步地，号角3的内径自下至上逐渐增大，号角3整体呈逐渐外扩的形状。具体而言，号角3的沿上下方向的截面中具有呈两个镜像对称的贝塞尔曲线状的内轮廓，使得高频的频响曲线较为平滑，如图3所示。在另一实施例中，号角3可先向内再逐渐向外扩张。号角3显著降低低音扬声器1的结构对高音扬声器2辐射声场的影响。号角不仅能够提升扬声器振膜表面的声阻抗，从而提升扬声器灵敏度，更重要的是它能够展宽扬声器的高频声场指向性，改善声场效果。

低音扬声器1包括盆架11、设置在盆架11上的低音音盆12及第一磁路系统14、连接在低音音盆12上的低音音圈13及套设在低音音圈13上的定位支片16。第一磁路系统14形成供低音音圈13插入的磁隙，低音音圈13的下端插入磁隙中，并在通电后上下振动，进而驱动低音音盆12振动发声。定位支片16的外周边缘固定在盆架11上，用于防止低音音圈13水平晃动。

高音扬声器2大体设置在低音扬声器1的音圈中。低音扬声器1的最上端及号角3的上端均低于低音扬声器1的上端，高音扬声器2及号角3整体位于低音扬声器1内，从而不会额外增加同轴扬声器的体积及其所占的空间。

高音扬声器2具体包括设置在低音扬声器1上的座舱21、设置于座舱21上的上述高音音盆22及第二磁路系统24、连接在高音音盆22上的高音音圈23。第二磁路系统24形成供高音音圈23插入的磁隙，高音音圈23的下端插入磁隙中，并在通电后上下振动，进而驱动高音音盆22振动发声。

座舱21具体设置在低音扬声器1的第一磁路系统14上。该第一磁路系统14具体包括T 铁141及套设于T铁141上的磁钢142，磁钢142环绕T铁141并形成有磁隙。座舱21即设置在T铁141的上部上。具体到本实施例中，T铁141上开设有沿上下方向延伸的通孔143。座舱21的下部插设在该通孔143中。

该高音扬声器2还包括用于向高音音圈23传输音频信号的焊片25。焊片25的上部嵌设在座舱21中并和高音音圈23的输入端导通，焊片25的下部伸入低音扬声器1中以和信号输入线15导通。具体而言，信号输入线15穿入通孔143中，焊片25的下部伸入通孔143中和信号输入线15导通。信号输入线15还和低音音圈13的引线导通，向低音扬声器1输入音频信号。

结合图3和图4所示，号角3的下端部具体连接于座舱21和/或高音音盆22的外周边沿上。号角3的下端面的局部(内侧附近的部分)具有向上拱起的拱起部31，高音音盆22的边缘部位位于拱起部31的下方并在二者之间形成和内腔连通的环形凹腔310，通过这种设置使得高频的频响曲线较为平滑。具体地，高音音盆22包括向上拱起的中心拱部221和环绕中心拱部221的一圈边缘拱部222，边缘拱部222位于号角3的拱起部31的下方。

该同轴扬声器还包括连接于号角3和低音扬声器1之间的防尘圈4。防尘圈4具体连接于号角3的上端部和低音音盆12之间。防尘圈4由透气材料制成，用于低音扬声器1磁间隙防尘。防尘圈4的沿上下方向的截面包括两个镜像对称的波浪形或锯齿形，以避免在低音扬声器 1工作时拉扯低音音盆12。透气材料为棉、PC(聚碳酸酯)或者CONEX(芳纶纤维)。防尘圈4仅用于防尘，不用于防水。

进一步地，该同轴扬声器还包括自号角3的内表面向内延伸的多个延伸翅片32，延伸翅片32位于高音扬声器2的高音音盆22的上方。延伸翅片32具体沿号角3的径向向内延伸，延伸翅片32在径向上的尺寸自上至下逐渐增大。各延伸翅片32的下端部均连接于一环形部件 33上。延伸翅片32的内边缘为弧形。延伸翅片32能够有效保护高音扬声器2的内部部件，防止手指等外物误入高音扬声器2中损坏高音音盆22等内部部件；延伸翅片32还能够使高频扩散较好。

分别对一种不配置号角的同轴扬声器(对比例)和本实施例的具有号角3的同轴扬声器进行了频响测试，测试结果如图7所示。对比例的同轴扬声器的结构基本同本实施例，区别仅在于：高音扬声器上未设置有号角，防尘圈连接在高音扬声器和低音扬声器之间。图7中细线是对比例的同轴扬声器中高音扬声器的频响曲线；图中粗线是本实施例的同轴扬声器中高音扬声器的频响曲线。由图中可以看出，本实施例的同轴扬声器中高音扬声器的频响曲线更为平衡。

实施例2

上述同轴扬声器的号角的几何形状直接关系到扬声器的声音重放质量和声场指向特性。若采用一般为设计产品——试制样品——测试——改善设计——再试制样品——再测试的传统经验法设计号角几何形状，必须等到设计后期才能发现号角问题，而且开发周期长、成本高。业内已开始采用基于有限元的数值仿真分析方法，仿真分析不同形状号角下扬声器的声场响应，虽然这种方法在很大程度上缩短了产品开发周期，减少了研发成本，但是仍然依赖于重复设计，并且往往最终也无法设计出理论上最优的号角形状。基于此，本实施例提供一种如实施例1 的具有号角的同轴扬声器的形状优化方法，以解决如下问题：一、扬声器号角的传统经验设计法存在开发周期长且成本高的问题；二、依靠一般扬声器声场仿真分析方法往往很难设计出理论上最优的号角几何形状。

本实施例以实施例1的同轴扬声器的高音单元为例，使用COMSOL Multiphysics5.5优化设计它的号角形状，并直接给出号角的优化设计结果。图8是该形状优化方法的流程图，主要包括如下步骤：

步骤1：由于该款同轴扬声器的高音扬声器单元具有轴对称结构，因此为了便于计算，在 COMSOL软件中首先选择2D轴对称分析环境，然后选择“声-固相互作用，频域”物理场接口，因为要进行三场耦合的频域分析，所以最后选择“频域研究”；

步骤2：使用COMSOL软件建立高音扬声器、周围空气域，以及低音扬声器振膜的2D轴对称几何模型，并以参数化三次贝塞尔曲线建立号角轮廓的几何模型，如图9中箭头所指的粗线所示。对于几何模型的解释如下：1)高音扬声器的磁路系统不参与有限元计算，仅作为硬声场边界处理，所需磁路系统的驱动力系数和基本阻抗频响曲线可以另外仿真分析得到，也可以测量得到；2)低音扬声器的振膜也不参与有限元计算，仅作为硬声场边界处理；3)深色曲线代表的三次贝塞尔曲线为号角轮廓，曲线两个端点固定不动，曲线中间两个节点的坐标值即作为优化参数；

步骤3：定义函数、参数和变量，包括：1)在音圈上定义平均函数，并命名为coil_av，这是为了定义音圈域内反向电动势的算术平均值；2)导入高音扬声器基本阻抗实部和虚部的插值函数，分别命名为Zbr和Zbi，如图10和如图11所示；3)定义三次贝塞尔曲线中两个节点的坐标参数为(P1r，P1z)和(P2r，P2z)，其初始坐标设置为(13.1，-10)[mm]和(14,-0.5) [mm]；4)定义六个变量，如下：

Zb：Zbr(freq)+i*Zbi(freq)；

FF：BL*(V0-BL*coil_av(solid.u_tZ))/Zb；

Lp_0：10*log10(0.5*abs(pfar(0,1[m])[Pa])^2/acpr.pref_SPL^2)；

Lp_the：10*log10(0.5*abs(pfar(0.707[m],0.707[m])[Pa])^2/acpr.pref_SPL^2)；

Lp_ave_0：sum(with(ka,Lp_0),ka,1,21)/21；

Lp_ave_the：sum(with(ka,Lp_the),ka,1,21)/21；

上式中，Zb为高音扬声器的基本阻抗；Zbr(freq)为基本阻抗实部；Zbi(freq)为基本阻抗虚部；i为虚数单位；FF为音圈上的载荷；BL是高音扬声器的驱动力系数，为1.71[Wb/m]； V0是扬声器的加载电压，为2.828[V]；solid.u_tZ是扬声器音圈的轴向振动速度表达式；Lp_0 是扬声器0°轴向一米处的声压级；abs()是取模算子；pfar()是远场声压求解算子，将在后续步骤中定义“远场计算”；acpr.pref_SPL是基准声压，为20微帕斯卡；Lp_the是扬声器偏轴45°一米处的声压级；Lp_ave_0是扬声器0°轴向1米处的声压级平均值；sum()是求和算子，with()是排序算子，ka是序号；Lp_ave_the是扬声器偏轴45°一米处的声压级平均值；

步骤4：定义“固体力学”物理场接口，包括：1)在图12中箭头所指的粗线处设置“固定约束”；2)在图13中箭头所指的音圈处设置“体载荷”，设置载荷类型为“总力”，并在z 轴方向上输入FF；3)在图14中箭头所指的振膜处设置“阻尼”，设置阻尼类型为“各向同性损耗因子”；

步骤5：定义“压力声学，频域”物理场接口，包括：1)在图15中箭头所指的粗线处设置“外场计算”；2)在图16中箭头所指的粗线处设置“内部硬声场边界(壁)”；3)在图17 中箭头所指的区域上设置“完美匹配层”；

步骤6：定义“声-结构边界”，如图18中箭头所指的粗线所示；

步骤7：设置材料参数，包括：1)空气材料参数来自COMSOL材料数据库；2)高音扬声器振动系统各部件材料参数见下表1：

表1材料参数

步骤8：网格划分，包括：1)在图19中箭头所指的区域上划分“自由三角形网格”，最大单元大小设为“343[m]/20000/5”；2)在图20中箭头所指的上划分“映射”网格，分布数量设为“5”；最后的网格划分结果如下表2所示：

表2

步骤9：设置频率范围为2000Hz～20000Hz，1/6倍频程；

步骤10：设置优化，包括：1)设置优化算法为“Nelder-Mead”；2)设置目标函数为Lp_ave_0 和Lp_ave_the；3)目标函数类型为“最大化”；4)设置优化参数的取值范围，如图21所示；

步骤11：左击“计算”按钮，在软件界面右下角查看计算进度；

步骤12：在软件界面右下角表格栏中读取优化参数的计算结果：(P1r，P1z)＝(13.5， -10)；(P1r，P1z)＝(16，-1)；

步骤13：根据优化参数的计算结果绘制高音扬声器号角的几何形状，如图22中箭头所指的区域所示。

上述方法适用于动圈式电动扬声器、动铁式扬声器和MEMS扬声器。

上述方法在扬声器磁路系统、振动系统和声场的三场耦合仿真分析技术基础上，通过优化算法设计出号角的最优贝塞尔曲线形状，因此本发明可以快速、低成本且准确地优化扬声器号角，从而缩短扬声器号角的研发周期，提高扬声器的声学性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。