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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2019－4－20南京2019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电磁相互作用边条件22221tpcp解析方法－声

学辐射声场边条件22221tpcp解析方法－声学耦合声场耦合解析方法－振动振膜振动边条件)1(12/)2(23224422444EhDtmyyxxD解析方法－声振耦合格林函数法模态耦合法波数变换法)](),(),()

()(0000p-tρdSvGjdVGqjpSsnsvurrrrrrr解析方法－电磁场电磁场分析电磁相互作用mmggmmgglHlfHABAB,000dqddtBdddt

DSBElSSDHlIS解析解法－小结(,,,,)(,,)(,)(,,,)(,)itBBpifBveTTfiBfivfBippfv导线性质导线性质周围空气流通，结构介质电磁性质和磁场边条件振动边条件声场边

条件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。189/2,31.3,105.94/2,62.6,50009.18/2,33,

100089.1/2,31.3,100kcmKHzfkcmHzfkcmHzfkmHzf波数波数波数波数有限元法（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332210)(xaxaxaaxw])()(2)0()0(2[1)]0(3)0(2)()(3[1)0(),0(''33''22'10llwlwlwwla

wlwllwlwlawawa)()()()()()0()()0()(4'32'1xglwxglwxgwxgwxwFEM－位移的多项式表示)()()()()()0()()0()(4'32'1xglwxg

lwxgwxgwxw232433223232233221//)(,/2/3)(//2)(,/2/31)(lxlxxglxlxxglxlxxxglxlxxg,)(21,)/(21020222leledxwATdxxwEIUF

EM－矩阵形式])()()()([4321xgxgxgxgG])()()0()0([][''lwlwwwqTeeeTeeeeTeeeqMqTqKqUqGxw][][][21,][][][21,]][[)(lTelTeGdxGAMdx

GGEIK00''''][][,][][eeeeTeeFFqCqD][,][][][21FEM－整个系统的自由度][][][ieieqq])()()0()0([][''lwlwwwqTe]0

0000000000010000100001000010000000000000000[][],00000000000000000000000000001000010000100001[][21eeFEM－整个系统方程][][][i

eieqq]][[][21],][[][21iTiiTiqMqTqKqUeieiNiTeieieiNiTeiMMKK][][][,][][][414121iiiifqUqDqTdtd)(eieiNiTeiiTieCCqC

qD][][][],][[][4121][][]][[]][[iiiifqKqCqM][][]][[]][[iiiifqKqCqM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2210)(xaxaaxP)()()()2/()()0()(321xglpxglpxgpxP2232222212)(,44)(,231)(lxlxxglxlxxglxlxxg])()()[(,/22220

21202120221zpypxpuTcpUee][]][[2iiQpBkA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）dVGqjdSGvjnGppvS

ssnss),()()],()(/),()([)(0000rrrrrrrrrrSssnsssdGvjnGpp)],()(/),()([)(0rrrrrrr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ANSYSSPEADVST/VSTXFINEMOTORFINEConeAKABAKFEMMS

IM电声器件的设计软件ANSYSSPEADVST/VSTXFINEMOTORFINEConeAKABAKFEMMSIM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软件名称软件类型和用途软件参考报价网址Ansys有限元分析，多物理场耦合分析，可提供自磁铁、音圈、振膜到声场辐射的一切模拟，包括可靠性、热学分析US$150000ansysSpeaD扬声器单元设计软件，音圈、磁路、质量和

顺性及其他相关部件的建模，每个模块都有自己的数据库用于预测扬声器单元的TS参数US$1730redrockacousticsVST/VSTXVST为通过有限元和实测数据库来设计盆体；VSTX为音圈/磁路设计软件。US$795true-technolo

gies/FineCore对纸盆和球顶的振动进行有限元分析，用盆体、球顶、折环、防尘帽、定心支片和音圈建立力声模型4400EuroloudsoftFineMotor音圈/磁路设计软件，其主要用于预测Theile/Sm

all参数和相应音圈线径、卷宽2000EuroloudsoftAkabak扬声器单元、分频网络、辐射特性综合分析，解释性编程语言、可编程输入US$700（教育和个人免费）akabak.de/FEMM二维有限元磁路分析免费femm

.berlios.de/SIM用于扬声器单元和扬声器系统大信号特性分析、单元、箱体及辐射的非线性分析、非线性热学模型、电力声各种信号的时域和频域计算4200Euroklippel.de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。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LEAP5CALSODLSPCADWinSpeakerzBassBoxPro和X•over3FINEBOX和FINEX-over扬声器系统设计软件LEAP5CALSOD

LSPCADWinSpeakerzBassBoxPro和X•over3FINEBOX和FINEX-over比较和评价软件名称软件类型和用途软件参考报价网址LEAP-5Complete（Win）用于专业、家庭、汽车扬声器系统

设计，包括箱体和分频网络设计两部分，是目前该行业中的最好软件之一。US$1495linearxCALSOD3.1（DOS）用于专业、家庭等扬声器系统设计，包括箱体和分频网络，是该行业用得较广的软件之一。US$320memb

ers.optusnet.au/audiosoftLSPCAD（Win）用于专业、家庭等扬声器系统设计，包括箱体和分频网络，可在设计阶段视听效果。US$980ijdataWinSpeakerz（Win）用于专业、家庭、汽车扬声器系统

设计，包括主计算程序、一个扬声器单元数据库、箱体计算器、分频网络计算器和系统编辑器等模块。US$79trueaudioBassBoxProandX•over（Win）用于专业、家庭扬声器系统设计，包括扬声

器单元数据库、箱体设计、分频网络设计等模块。US$199ht-audio/FINEBOX和FINEX-over（Win）用于家庭、专业扬声器系统设计，包括扬声器单元数据库、箱体设计、分频网络设计等模块。900Euro1200Euroloudsoft

/AuduaSpeakerWorkshop（Win）能够测试单元阻抗、声学频响、谐波失真；设计箱体、分频器；进行FFT等分析免费audua/BoxPlot3.02（Win）能进行箱体、分频器设计；建立扬声器单元库。US$25speak

erbuilding/WinISD（Win）能进行箱体、分频器设计；建立扬声器单元库，可进行测试。免费linearteam.dkHornCalc（Win）设计号筒US$25sonicdesign.se

电声计算机辅助测试软件软件名称软件类型和用途软件参考报价网址LMS扬声器测量系统扫频信号扬声器测量系统US$1395.00linearx/products/ProductsTop.htmpcRTA4通道32频段实时分析

仪声学专用精密仪器US$2019.00linearx/products/ProductsTop.htmCLIOwin7电声器件、网络、通讯、环境和房间声学测量更新大于700Eurocliowin/home.htmMLSSAMLSSA(SPO)测量TS参数、用于生产线上质量控制、语言传输指数

STI和快速语言传输指数、房间声学测量US$mlssa/KlippelDistortionAnalyzerhardware大信号建模、线性、非线性参数测量；3维失真测量、功率测量、传递函数测量等US$kl

ippel.de/analyzer/B&KPulseAudioAnalyser音频声学专用精密仪器US$25000bksv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，FIN

EMOTOR，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，BassBoxPro和X•over3，FINEBOX和FIN

EX-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！