研究背景

在高(gao)音質蜂鳴(ming)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)現代(dai)設計(ji)(ji)(ji)中(zhong)，為改(gai)(gai)善聲(sheng)(sheng)輻(fu)射效果(guo)，常將蜂鳴(ming)器(qi)(qi)單(dan)元安(an)裝在密閉(bi)的(de)(de)(de)殼(ke)體(ti)內部，組(zu)成(cheng)閉(bi)箱(xiang)式報警(jing)器(qi)(qi)系(xi)統。蜂鳴(ming)器(qi)(qi)聲(sheng)(sheng)學(xue)設計(ji)(ji)(ji)方法(fa)(fa)主要是經(jing)驗法(fa)(fa)。設計(ji)(ji)(ji)者憑借經(jing)驗并借助粗略的(de)(de)(de)簡化(hua)公式推算(suan)，通過樣(yang)品設計(ji)(ji)(ji)、試(shi)制(zhi)(zhi)、測試(shi)、再修(xiu)改(gai)(gai)設計(ji)(ji)(ji)、再試(shi)制(zhi)(zhi)、再測試(shi)的(de)(de)(de)迭代(dai)過程完成(cheng)。這往(wang)往(wang)需要長時間反復嘗試(shi)和調整才能(neng)(neng)設計(ji)(ji)(ji)出一個好的(de)(de)(de)蜂鳴(ming)器(qi)(qi)。隨著計(ji)(ji)(ji)算(suan)機性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)提高(gao)，數值方法(fa)(fa)提供(gong)了(le)一種有(you)效的(de)(de)(de)替代(dai)手段(duan)，可評價已有(you)蜂鳴(ming)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)學(xue)性能(neng)(neng)并能(neng)(neng)對鋼片、陶瓷(ci)等部件的(de)(de)(de)優(you)化(hua)設計(ji)(ji)(ji)提供(gong)指導性意(yi)見。

本文(wen)介紹利用專業(ye)聲學軟件Actran對壓(ya)電(dian)式報警(jing)器聲學問(wen)題的(de)(de)詳細(xi)計(ji)(ji)算流(liu)程(cheng)，并對比Actran的(de)(de)計(ji)(ji)算與(yu)測試(shi)(shi)結果。結果表明，計(ji)(ji)算值(zhi)與(yu)測量值(zhi)有(you)很好(hao)的(de)(de)一致性，說(shuo)明Actran軟件可(ke)滿足(zu)壓(ya)電(dian)式報警(jing)器設(she)計(ji)(ji)中對聲學模(mo)擬的(de)(de)需求（寬(kuan)頻帶的(de)(de)聲固耦合聲輻射問(wen)題），可(ke)顯著減少模(mo)型(xing)試(shi)(shi)驗次數，并能對設(she)計(ji)(ji)方(fang)案(an)提供指導意見和改進(jin)建議(yi)。基于數值(zhi)模(mo)擬方(fang)法(fa)的(de)(de)聲學設(she)計(ji)(ji)可(ke)以逐步取(qu)代(dai)或者部分(fen)取(qu)代(dai)經驗設(she)計(ji)(ji)，可(ke)高效的(de)(de)用于指導報警(jing)器的(de)(de)聲學性能設(she)計(ji)(ji)。

數值計算模型

報(bao)警器(qi)用(yong)(yong)蜂鳴(ming)器(qi)處于(yu)空氣(qi)介(jie)質中，由(you)于(yu)內(nei)置壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)片(pian)，當(dang)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)受外部(bu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)激勵(li)時(shi)會產生振動并向外部(bu)空間(jian)輻(fu)(fu)射聲(sheng)，空氣(qi)是(shi)聲(sheng)傳播的(de)(de)媒介(jie)也將聲(sheng)壓(ya)反作用(yong)(yong)于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)片(pian)，形成流(liu)固耦合(he)的(de)(de)系統(tong)。針對安(an)裝(zhuang)在障板上(shang)的(de)(de)蜂鳴(ming)器(qi)，建立(li)彈性結構有(you)限(xian)(xian)元(yuan)模(mo)型(xing)和(he)外部(bu)的(de)(de)聲(sheng)學流(liu)體(ti)有(you)限(xian)(xian)元(yuan)模(mo)型(xing)。遠(yuan)場(chang)的(de)(de)聲(sheng)傳播和(he)輻(fu)(fu)射條件(jian)(jian)利用(yong)(yong)Actran提(ti)供的(de)(de)無限(xian)(xian)元(yuan)技術模(mo)擬，障板的(de)(de)聲(sheng)散射效(xiao)應利用(yong)(yong)剛性壁面模(mo)擬。本案例蜂鳴(ming)器(qi)的(de)(de)典(dian)型(xing)結構組成如圖1所(suo)示，包(bao)括蜂鳴(ming)片(pian)、壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)、ABS殼體(ti)等部(bu)件(jian)(jian)。蜂鳴(ming)器(qi)外接(jie)電(dian)(dian)(dian)路(lu)給壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)施(shi)加電(dian)(dian)(dian)壓(ya)激勵(li)，使得壓(ya)電(dian)(dian)(dian)材料及鋼片(pian)復合(he)體(ti)振動，從而對外輻(fu)(fu)射聲(sheng)音。

圖(tu)(tu)1 蜂鳴(ming)器(qi)示意圖(tu)(tu)

本文計(ji)算的頻(pin)段(duan)范(fan)圍為20-5000Hz。網格(ge)尺度按(an)照以(yi)下(xia)原則確定：最高計(ji)算頻(pin)率對應的結(jie)構(gou)彎曲波(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍至少6個結(jie)構(gou)單(dan)元，聲波(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)長(chang)范(fan)圍至少有6個流體(ti)單(dan)元。其中，鋼片采用shell單(dan)元模擬(ni)，流體(ti)采用四面體(ti)單(dan)元模擬(ni)。圖2為計(ji)算采用的蜂鳴器聲學數值計(ji)算網格(ge)模型。

圖2 聲學計算模型示意(yi)圖

計(ji)算(suan)結果及(ji)分析

利用(yong)Actran的(de)壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)計算功能，可(ke)以在壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)上(shang)直(zhi)接加(jia)電(dian)壓激勵(li)，將(jiang)(jiang)電(dian)信號轉化(hua)為振動(dong)(dong)激勵(li)力(li)加(jia)載(zai)到鋼(gang)片上(shang)，從而(er)(er)產生(sheng)振動(dong)(dong)而(er)(er)對外輻射(she)噪聲(sheng)(sheng)。由于電(dian)聲(sheng)(sheng)部件聲(sheng)(sheng)輻射(she)問題與(yu)其模態相關性較大，因此(ci)，這里(li)給(gei)出(chu)了其前幾(ji)階(jie)模態計算結(jie)果，可(ke)以發現(xian)：（1）在3300Hz處，鋼(gang)片及(ji)陶(tao)瓷(ci)中心(xin)振動(dong)(dong)形(xing)態表(biao)現(xian)為中心(xin)振動(dong)(dong)，該振動(dong)(dong)形(xing)態的(de)聲(sheng)(sheng)輻射(she)效率較高，將(jiang)(jiang)對聲(sheng)(sheng)輻射(she)起主要作(zuo)用(yong)；（2）在其它頻(pin)率點(dian)處，振動(dong)(dong)形(xing)態更多表(biao)現(xian)為邊(bian)緣振動(dong)(dong)，對出(chu)音口聲(sheng)(sheng)輻射(she)作(zuo)用(yong)影響不大。

      （a）一階模態(tai)振型(xing)：441Hz ;            （b）二階模態(tai)振型(xing)：1549Hz

（c）三階模態振(zhen)型(xing)：1822Hz             （d）四階模態振(zhen)型(xing)：2672Hz

（e）五階(jie)模(mo)態振型：3315Hz

圖(tu)3 蜂鳴器模態分析(xi)結果

經(jing)過聲(sheng)學頻響分(fen)析設置與求解后(hou)，得(de)到聲(sheng)輻(fu)射結果，這里提取蜂鳴器聲(sheng)輻(fu)射云圖如下：

（a）聲壓級分布(bu)云圖：2500Hz

（b）聲壓級分布云圖：3300Hz

（c）聲(sheng)壓級分布云圖(tu)：3600Hz

圖(tu)3 蜂鳴器(qi)聲(sheng)輻射云(yun)圖(tu)（單位：dBA）

通過結果后處理，得到麥克風測點(dian)仿(fang)真與實測頻譜曲線對比如下圖所示：

圖4 場點頻譜對比曲(qu)線

通過觀察云圖及聲壓頻譜結果(guo)，可以發現(xian)：

（1）聲(sheng)(sheng)音(yin)在(zai)前腔(qiang)內部(bu)最大(da)，由(you)腔(qiang)體內部(bu)往外輻射(she)時呈現逐漸減少的趨勢，腔(qiang)體內部(bu)聲(sheng)(sheng)壓級(ji)達(da)到130dB以上，甚至更高。

（2）在蜂鳴器出(chu)音口正(zheng)前方(fang)監(jian)測點3m處，發(fa)現(xian)在3400Hz左右聲壓(ya)級最大，這主要是由于(yu)3300Hz左右的結構模態在該(gai)處產生了(le)共振導致輻射較強的聲壓(ya)。

（3）仿(fang)真(zhen)與實測結果(guo)對比趨勢基本(ben)一(yi)致(zhi)，最大聲壓級均出現在(zai)3300Hz附近，且幅(fu)值接(jie)近，仿(fang)真(zhen)誤差滿(man)足工程要求。

在進行了仿真(zhen)對(dui)(dui)標后，接下(xia)來對(dui)(dui)腔(qiang)體尺寸如何影響(xiang)蜂鳴器聲輻射(she)特性規(gui)律進行分析(xi)，下(xia)圖即(ji)為研究(jiu)不同孔徑位(wei)置及區(qu)域(yu)示意圖。

圖5 模(mo)型參數改(gai)變位置示意圖

通(tong)過(guo)仿真后發(fa)現，改變(bian)腔體(ti)尺(chi)寸(cun)后，聲輻射強(qiang)度會(hui)有較大的變(bian)化，結合(he)(he)產品特(te)性及聲學理論知識(shi)綜合(he)(he)分析發(fa)現，改變(bian)腔體(ti)尺(chi)寸(cun)會(hui)改變(bian)腔體(ti)空(kong)氣的諧振頻率(lv)，因(yin)此，通(tong)過(guo)設計合(he)(he)適(shi)的腔體(ti)尺(chi)寸(cun)可以達到增強(qiang)輻射聲壓的能力。

圖6 不同腔體尺寸頻響曲線對比(bi)

總結(jie)

蜂(feng)鳴器(qi)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)學數值(zhi)模(mo)擬(ni)屬于典型的(de)(de)具有(you)寬頻帶的(de)(de)聲(sheng)(sheng)固耦合問題，對于這類問題的(de)(de)模(mo)擬(ni)，一般需要(yao)借助有(you)限元法才能(neng)準確的(de)(de)模(mo)擬(ni)（結(jie)構、內部聲(sheng)(sheng)腔和(he)外聲(sheng)(sheng)學組件(jian)等(deng)細(xi)節可以很好(hao)的(de)(de)表(biao)征(zheng)出來）。本文利用專業有(you)限元聲(sheng)(sheng)學計算軟件(jian)Actran開(kai)展了壓(ya)電(dian)式蜂(feng)鳴器(qi)輻射聲(sheng)(sheng)場的(de)(de)影響分析(xi)。結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，Actran能(neng)夠有(you)效處理壓(ya)電(dian)式設計中的(de)(de)聲(sheng)(sheng)學問題。在此基礎上，可以繼續完成后(hou)續的(de)(de)分析(xi)內容：

（1）腔體如何影響蜂鳴器系統的(de)聲(sheng)學特性(xing)？該(gai)如何設計(ji)合適的(de)聲(sheng)學背腔外(wai)形及尺(chi)寸以獲(huo)得較高聲(sheng)強的(de)輻射特性(xing)？

（2）蜂(feng)(feng)(feng)鳴(ming)(ming)器(qi)(qi)一般用于報(bao)(bao)警器(qi)(qi)產品中，蜂(feng)(feng)(feng)鳴(ming)(ming)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲(sheng)輻(fu)(fu)射(she)特性(xing)直接決定了報(bao)(bao)警器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲(sheng)學性(xing)能，但是(shi)當(dang)把蜂(feng)(feng)(feng)鳴(ming)(ming)器(qi)(qi)單元放置(zhi)在報(bao)(bao)警器(qi)(qi)殼(ke)體中，殼(ke)體結構會進一步影響(xiang)蜂(feng)(feng)(feng)鳴(ming)(ming)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲(sheng)輻(fu)(fu)射(she)特性(xing)，因此，有(you)必(bi)要繼續深入研究分析(xi)殼(ke)體及其結構模(mo)態特性(xing)對聲(sheng)輻(fu)(fu)射(she)特性(xing)的(de)(de)(de)影響(xiang)。