机械式电磁喇叭设计理论与优化技术的研究

摘要

机械式电磁喇叭是一类将电能转换成声能的换能器。作为警告信号用的电磁喇叭具有结构简单、价格低廉、维护修理简便等优点,现已广泛用于包括汽车、拖拉机、摩托车等具备直流电源的水陆交通工具中,成为各类交通工具安全系统中不可或缺的关键元器件。低成本、高效率、长寿命、高可靠性和环境适应性已成为机械式电磁喇叭的未来发展方向。
　　针对当前机械式电磁喇叭的理论研究水平远远落后于其设计及制造工艺水平的问题,本文综合分析了国内外研究现状,分别提出了机械式电磁喇叭的设计理论模型和机—电—磁—声多物理场仿真分析方法;并从能量转换机理角度详尽地阐述了机械式电磁喇叭的能量转换过程与参数退化机理;最终形成了机械式电磁喇叭的综合优化设计技术。
　　首先,通过对机械式电磁喇叭的结构特征分析,分别建立了圆板膜片结构和具有可分合接触特征的触簧系统机械特性理论模型;建立了具有螺线管特征的电磁系统静态特性、动态特性理论模型;建立了具有反复短时工作制特征的线圈、簧片、铁心热特性理论模型;建立了圆板膜片结构的声辐射特性理论模型,从而形成了完整的机械式电磁喇叭理论分析模型,为进一步分析其振动发声机理、能量转换原理以及综合优化设计技术奠定理论基础。
　　其次,基于虚拟样机原理应用大型商用有限元分析软件包括ANSYS、CEDRAT FLUX、ADAMS等进行电—磁—机—声多物理场的仿真研究。以某型号汽车用机械式电磁喇叭为具体研究对象,依次开展了其静态电磁特性的仿真分析,通过对电弧电压的合理等效完成了周期运动条件下机—电—磁耦合特性的仿真分析,并以膜片振动位移幅值为激励完成了声辐射特性的仿真分析。线圈动态电流及动铁心振动位移响应的仿真结果与试验结果符合良好,证明了所提出的仿真方法的可行性与准确性。在此基础上，开发了机械式电磁喇叭虚拟样机的多物理场仿真分析软件平台,为其综合优化设计过程的实现提供了先进的技术基础。
　　再次,应用板壳结构动力学理论建立了膜片组件的自由振动数学模型,在此基础上提出了结构中心具有附加质量情况下的模态分析方法,并分析了包括膜片半径、厚度及附加质量等设计参数对于膜片组件固有频率的影响规律。另外通过对机械系统各部分等效质量、等效刚度和等效阻尼的提取,建立了机械式电磁喇叭时变电磁力激励条件下动铁心与膜片构成的分段线性振子动力学模型,联合龙格—库塔法与中心差分法求解并分析了多自由度系统强迫振动非线性响应特性。
　　第四,根据机电能量转换原理研究了机械式电磁喇叭从触动过程到过渡过程发展至稳态往复振动过程中包括电能输入、电阻损耗、电弧损耗、机械功、磁场能量、系统动能、系统势能、声能间的转换关系,以及稳态往复振动过程中的燃弧阶段、熄弧阶段和触头闭合阶段的能量转换过程,并提出了检验电磁喇叭能否发生稳态往复振动过程的合理判据。通过电磁喇叭寿命试验中监测的触动电流、峰值电流、触动时间、振动频率、接触电阻等性能参数退化规律,确定了其失效机理及失效原因,为电磁喇叭优化设计目标的提出奠定了基础。
　　最后,基于机械式电磁喇叭虚拟样机模型综合分析了电磁系统磁极极面形状(包括平面型、锥面型、梯锥型、球面型)、机械系统结构(包括膜片半径、膜片厚度、附加质量)、工艺调整参数(初始间隙、触头压力)、电弧伏安特性对系统动作特性的影响规律;并进一步分析了系统动作特性对电磁喇叭发声特性的影响规律。提出了以电磁喇叭发声频率和声压级为边界约束条件,以能量转换效率最大为优化目标的机械式电磁喇叭优化设计方法。
　　本研究可为机械式电磁喇叭的一体化设计与可靠性设计提供理论基础,也可推广应用到其他电声换能器件的产品设计流程中。

目录

机械式电磁喇叭设计理论与优化技术的研究

RESEARCH ON DESIGN THEORY ANDOPTIMIZATION TECHNIQUE FORELECTROMAGNETIC HORN WITHMECHANICAL CONTACTS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 课题的研究目和意义

1.3 课题的国内外研究现状

1.3.1 汽车喇叭发展概述

1.3.2 电磁致动器的研究现状

1.3.3 碰撞振动系统的研究现状

1.3.4 电器产品优化设计的研究现状

1.3.5 扬声器声学特性的研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 机械式电磁喇叭设计理论模型的建立

2.1 引言

2.2 电磁喇叭的结构特征

2.3 机械特性理论模型

2.3.1 膜片反力特性

2.3.2 触簧系统反力特性

2.4 电磁特性理论模型

2.4.1 静态电磁特性

2.4.2 动态电磁特性

2.5 热特性理论模型

2.6 声辐射特性理论模型

2.7 本章小结

第3章 机械式电磁喇叭多物理场仿真分析

3.1 引言

3.2 电磁喇叭静态电磁场的仿真分析

3.3 电磁喇叭机电耦合场的仿真分析

3.3.1 电弧电压的等效

3.3.2 基于有限元瞬态求解法的仿真

3.3.3 仿真结果及实验验证

3.4 电磁喇叭声场的仿真分析

3.5 机械式电磁喇叭虚拟样机系统搭建

3.6 本章小结

第4章 机械式电磁喇叭结构动力学非线性分析

4.1 引言

4.2 膜片组件的模态分析

4.3 非线性结构动力学模型的建立

4.3.1 等效质量

4.3.2 接触刚度

4.3.3 数学模型

4.4 实例分析

4.5 本章小结

第5章 机械式电磁喇叭电声换能机理分析

5.1 引言

5.2 能量转换过程中的能量关系

5.3 稳态往复振动过程中的能量转换

5.4 触动和过渡过程的能量转换

5.5 往复稳定振动的判定条件

5.6 能量参数的退化分析

5.7 本章小结

第6章 机械式电磁喇叭的综合优化设计

6.1 引言

6.2 影响机械式电磁喇叭动作特性的主要因素

6.2.1 电磁系统结构

6.2.2 机械反力结构

6.2.3 电弧动态伏安特性

6.2.4 工艺调整参数

6.3 影响电磁喇叭发声特性的主要因素

6.4 机械式电磁喇叭的优化设计

6.4.1 基于遗传算法的能量转换效率寻优技术

6.4.2 综合考虑线圈匝数的优化设计技术

6.4.3 试制验证

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历