透声膜声阻抗的数值仿真分析方法技术

本发明专利技术提出了一种透声膜的声阻抗的数值仿真分析方法，该方法首先分别进行膜的振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a的仿真分析，然后再计算得到透声膜的声阻抗Zm。所述的仿真分析均包括以下步骤：1)建立透声膜的几何模型；2)物理场和边界条件设置；3)设置透声膜的材料参数和孔隙参数；4)划分网格，生成有限元模型；5)设置研究类型和求解器，并进行计算；6)通过后处理得到声阻抗值。再根据Zm_v和Zm_a的并联关系可计算得到Zm。本发明专利技术的数值仿真分析方法适用于设计或选择满足不同需求的透声膜。

【技术实现步骤摘要】
透声膜声阻抗的数值仿真分析方法
本专利技术属于声学领域，涉及透声膜声阻抗的仿真分析方法。该方法包含透声膜的振动声阻抗和透气声阻抗的仿真分析两部分。
技术介绍
透声膜常用于发声装置(如扬声器)的出声孔和收听装置(如麦克风)的拾音孔处，起着防尘、防水的作用，是维持发声或收听装置稳定工作的必要部件。在实际工程应用中，透声膜不仅要有良好的防尘和防水性能，还要有良好的声阻抗特性，以避免对发声或收听装置的声音质量造成不利影响。以往都是通过实验测量方法(如驻波管法)来测量透声膜的声阻抗。但是它存在一些问题：1)一般透声膜较薄，采用驻波管等方法测量时，安装测量透声膜很难与实际应用情况保持一致(如张紧力不相同等)；2)实验测量得到的声阻抗值是对透声膜几何特征和材料参数等因素的综合响应，不能精确获得任意某一变量(如几何形状、孔隙和材料参数等)单独对声阻抗的影响。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提出了一种透声膜声阻抗的数值仿真方法。本专利技术所述的透声膜声阻抗的数值仿真方法包括透声膜的振动声阻抗和孔隙透气声阻抗的仿真分析两部分；通过对这两部分的仿真分析，分别得到膜的振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a，再由振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a计算得到透声膜声阻抗Zm。为了解决本专利技术所述的问题，本专利技术提出的一种透声膜声阻抗仿真分析方法的技术方案如下：该方法首先分别仿真分析得到透声膜的振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a，再计算得到透声膜声阻抗Zm，Zm、Zm_v和Zm_a之间满足以下关系式：所述的透声膜的振动声阻抗Zm_v的仿真分析至少包括如下步骤：A.建立几何模型：建立透声膜和声腔内部空气的几何模型；这里，透声膜采用面单元以提高计算速度。B.设置物理场和边界条件，包括如下内容：B1.添加“膜”物理场来仿真分析透声膜的振动特性；“膜”是有限元软件内置的物理场之一，主要用于仿真分析薄膜结构振动相关的问题；B2.添加“压力声学，频域”物理场来仿真分析空气域中声场特性；“压力声学，频域”也是有限元软件内置的物理场之一，主要用于仿真分析空间中声场分布相关的问题；B3.添加“膜-压力声学频域”多物理场耦合，用于分析膜的振动与声波辐射之间的相互关系；B4.设置膜的张紧力：通过“预应力和预应变”功能设置膜的张紧力；B5.设置固定约束边界：将透声膜与壳体粘接的部分设置为固定约束边界。C.定义材料参数：有限元仿真模型的材料属性与物理场有关，这里需设置透声膜的杨氏模量、密度和泊松比；需要设置的空气的声速和密度。D.划分网格：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元。透声膜(面)采用自由三角形网格；空气(体)采用自由四面体网格；这里需要自定义网格尺寸，并进行适当的网格细化，使计算结果更精确。E.研究和求解器设置：添加“频域”研究，启用“几何非线性”。设置需要计算的频率值，并采用软件默认求解方法进行计算。F.后处理：计算完成后，从软件自带的存储结果的数据集中提取透声膜上下表面的压力差和透声膜的体积流速，根据声阻抗的定义计算得到透声膜的振动声阻抗Zm_v。所述的透声膜的孔隙透气声阻抗Zm_a的仿真分析至少包括如下步骤：A.建立几何模型：建立透声膜和声腔中空气的几何模型，这里透声膜简化为空气域内部的边界面。B.设置物理场和边界条件，包括如下内容：B1.添加“压力声学，频域”物理场来仿真分析空气域中声场特性；B2.添加“内部穿孔板”边界条件，用于模拟孔隙透气特性。设置孔径、孔隙率和厚度的值；设置孔隙流体为空气。C.定义材料属性：设置的空气的材料参数，包括声速、密度、动力黏度、导热系数、比热率和恒压热容。D.划分网格：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元，透声膜(内部面)采用自由三角形网格；空气(体)采用自由四面体网格；这里需要自定义网格尺寸，并进行适当的网格细化，使计算结果更精确。E.研究和求解器设置：添加“频域”研究。设置需要计算的频率值，并采用软件默认的求解方法进行计算。F.后处理：计算完成后，从软件自带的存储结果的数据集中提取透声膜上下表面的压力差和透声膜的体积流速，根据声阻抗的定义计算得到透声膜的透气声阻抗Zm_a。所述的振动声阻抗Zm_v的仿真分析和孔隙透气声阻抗Zm_a的仿真分析均采用有限元分析软件，所述的有限元软件为COMSOLMultiphysics，该软件是一款多物理场仿真分析软件，主要功能包括建立几何模型、网格划分、多物理场设置与求解、结果图像化显示等。所述透声膜选用包括不同材料、不同厚度、不同孔隙和不同张紧力的的透声膜所述透声膜选用包括不同材料、不同厚度、不同孔隙和不同张紧力的的透声膜。本专利技术的有益效果是：采用本发有的仿真分析方法可以分析研究透声膜的几何形状、材料和孔隙参数及张紧力等物理量各自与该透声膜的声阻抗之间的关系，设计或选择满足不同需求的透声膜，弥补了传统实验测量方法的不足。附图说明图1为本专利技术的实施流程图。图2为1/2对称仿真分析几何模型。图3为有限元网格划分结果。图4为透声膜的振动声阻抗的仿真分析结果。图5为透声膜的孔隙透气声阻抗的仿真分析结果。图6为透声膜声阻抗的仿真分析结果。图7为透声膜声阻抗幅值的仿真分析结果。图8为透声膜声阻抗值(幅值)随膜厚度的变化关系。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术以一款透声膜为例，基于COMSOLMultiphysics软件仿真分析了该透声膜的声阻抗。如图所示，本专利技术所述的仿真分析方法，具体步骤如下：(1)第一步，仿真分析透声膜的振动声阻抗Zm_v1)建立几何模型透声膜声阻抗的仿真分析模型如图2所示。该模型可以理解为透声膜被安装在粗细均匀的波导管中，透声膜的两端均为空气域。这里为减少计算量，采用了1/2对称模型，且透声膜简化为边界面(将在下文“厚度和偏移”中设置其厚度值)。2)设置物理场A.添加“压力声学，频域”和“膜”物理场。为“压力声学，频域”选择空气对应的域；为“膜”选择透声膜对应的边界面；B.在“压力声学，频域”物理场下，添加“对称”边界，选择空气域的1/2对称面；C.在“压力声学，频域”物理场下，添加“压力”边界，选择波导管的压力入口面；D.在“压力声学，频域”物理场下，添加“平面波辐射”边界，选择波导管的出口面；E.在“膜”物理场中“线弹性材料”下，添加“预应力和预应变”，选择透声膜对应面，设置初始面内应力如图3所示；F.在“膜”物理场中，设置“厚度和偏移”，设置透声膜的厚度为50[um]；G.在“膜”物理场中，添加“固定约束”，设置透声膜的外边缘为固定；H.在“膜”物理场中，添加“对称”，选择透声膜的1/2对称边；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透声膜声阻抗的数值仿真分析方法，其特征在于该方法包括透声膜的振动声阻抗和孔隙透气声阻抗的仿真分析两部分；通过对这两部分的仿真分析，分别得到膜的振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a，再由振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a计算得到透声膜声阻抗Zm，Zm、Zm_v和Zm_a之间满足以下关系式：

【技术特征摘要】
1.一种透声膜声阻抗的数值仿真分析方法，其特征在于该方法包括透声膜的振动声阻抗和孔隙透气声阻抗的仿真分析两部分；通过对这两部分的仿真分析，分别得到膜的振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a，再由振动声阻抗Zm_v和孔隙透气声阻抗Zm_a计算得到透声膜声阻抗Zm，Zm、Zm_v和Zm_a之间满足以下关系式：


2.根据权利要求1所述的透声膜声阻抗的数值仿真分析方法，其特征在于所述的振动声阻抗Zm_v的仿真分析至少包括如下步骤：
A.建立几何模型：建立透声膜和声腔内部空气的几何模型；这里透声膜采用面单元以提高计算速度；
B.设置物理场和边界条件，包括如下内容：
R1.添加“膜”物理场来仿真分析透声膜的振动特性；“膜”是有限元软件内置的物理场之一，主要用于仿真分析薄膜结构振动相关的问题；
B2.添加“压力声学，频域”物理场来仿真分析空气域中声场特性；“压力声学，频域”也是有限元软件内置的物理场之一，主要用于仿真分析空间中声场分布相关的问题；
B3.添加“膜-压力声学频域”多物理场耦合，用于分析膜的振动与声波辐射之间的相互关系；
B4.设置膜的张紧力：通过“预应力和预应变”功能设置膜的张紧力；
B5.设置固定约束边界：将透声膜与壳体粘接的部分设置为固定约束边界；
C.定义材料参数：有限元仿真模型的材料属性与物理场有关，这里需设置透声膜的杨氏模量、密度和泊松比；需要设置的空气的声速和密度；
D.划分网格：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元；透声膜(面)采用自由三角形网格；空气(体)采用自由四面体网格；这里需要自定义网格尺寸，并进行适当的网格细化，使计算结果更精确；
E.研究和求解器设置：添加“频域”研究，启用“几何非线性”；设置需要计算的频率值，并采用软件默认求解方法进行计算；
F.后处理：计算完成后，从软件自带的存储结...

【专利技术属性】
技术研发人员：李陆化，徐楚林，温周斌，陆晓，岳磊，计敏君，
申请(专利权)人：浙江中科电声研发中心，
类型：发明
国别省市：浙江;33