微型扬声器结构及振膜设计.doc

微型扬声器结构及振膜设计周静雷，吕玉皎，王梦圆（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）摘要：参数化建模功能是用基于SolidWorks系统的二次开发，利用Visual Studio平台提供的高级语言，如C#、VB等，通过相应的API接口，驱动SolidWorks系统，完成微型扬声器单元部件的生成及其装配。通过将模型参数化，可以将振膜、音圈、穹顶等各个部件及组成结构参数进行量化。每一个环节的变量都有明确的定义和说明，这样为修改和调整振膜的结构尺寸提供了依据。通过软件快速的完成扬声器单元振膜图纸的绘制工作，振膜的绘制可以在极短的时间迅速完成。通过将微型扬声器模型参数化，可以极大程度提高其3D图纸的生成效率，也可以为研发人员对其性能优化提供便利。关键词：SolidWorks；微型扬声器；参数化；振膜中图分类号：TN64Design of Structure and diaphragm of Micro LoudspeakerZHOU Jinglei，LV Yujiao，WANG Mengyuan ( Electronics Information College, Xian Polytechnic University, Xian 710048, China)Abstract：Parametric modeling is a secondary development based on SolidWorks system. Drive SolidWorks system to generate and assemble the unit parts of micro speaker with corresponding API interface and Using high-level language which is provided by the Visual Studio platform such as C#, VB and so on. The components and structural parameters of diaphragm, voice coil and dome and can be quantified with parametric modeling. To provide basis for modifing and adjusting the structure size of the diaphragm, every aspect of variables is clearly defined. The work of drawing diaphragm of micro speaker unit can be finished in a very short time by using the software. Parametric modeling of micro speaker can greatly improve the efficiency of generating 3D drawing and provides convenience for developers to optimize performance in the meantime.Key words：SolidWorks ；Micro speaker；Parameterization；Diaphrag7如今，微型扬声器产业的迅速发展，使得市场竞争尤为激烈。激烈的市场竞争要求高质量高速度地推出新产品，产品设计中建立的信息模型要贯穿产品的整个生命周期，为其后续环节如工艺规程设计、加工、制造和检测等提供必要的信息，这些都为实体造型提出了更高的要求1。SolidWorks是基于Windows平台的三维绘图软件，采用特征建模、参数化驱动，可方便的设计和修改三维实体模型2。而且已有一些文献为实现复杂的几何实体参数化表达而做出探讨并取得了一些成果3。虽然SolidWorks所提供的功能非常强大，但要使其在我国企业中真正发挥作用，就必须对其进行本地化、专业化的二次开发工作5。微型扬声器单元设计系统是一套基于SolidWorks平台的插件软件设计系统。系统可以完成主要的参数建模功能，并便于各个部件的装配以及用于有限元分析6。利用软件系统建模，需要依赖大量的声学8、几何学、图形学、软件工程等的专业知识。1 系统建模1.1 概述目前对于扬声器单元的建模，仍然使用的是传统的建模方法：在UG、Pro/Engineer等软件中一点一线的手工绘制，而且在更改参数时也十分麻烦，当扬声器单元模型绘制完成后，需要导入边界元、有限元等仿真软件进行仿真分析，中间的全部步骤都需要人工逐步操作完成，大大的降低了工作效率。通过对绘图软件和仿真软件的二次开发，利用VB、C+、C#等开发语言，解决了传统设计中绘制时间长、过程复杂、存在人为误差、修改各项参数麻烦及没有对扬声器单元精确建模等诸多不足。 (其设计流程如图1所示)。1.2 扬声器单元建模系统的简介图2是扬声器单元基于SolidWorks2012二次开发功能建模流程图。首先在用户输入模块中选择系统（例：振动系统），再在选择好的系统中选择生产扬声器单元的型号。然后输入扬声器的各项参数（例：振动系统中膜片则需要输入膜片参数），系统对输入的参数进行校对，如果参数不合理则系统显示需要重新输入。之后系统通过VB编程在SolidWorks2012环境中按照正确的设计关系绘制出扬声器单元模型的各个部件，在SolidWorks2012软件中会根据编程的指令按照装配要求组装成三维模型图，其中涉及到SolidWorks2012加厚、缝合、压凹和拉伸等特征。最后输出结果，用户对输出模型进行判断，若不满足要求，则返回到第一步重新输入数据；若满足，则保存三维模型图。下面我们以1511单元为例展开讨论。 图1 扬声器单元参数化建模操作流程图 图2 建模系统的结构示意图2 1511单元的振动系统2.1 振膜在XY平面绘制振膜的结构草图，1511矩形单元振膜的基本图形如图3所示。固定边框外框线的长边、短边长度、圆角半径分别用L1，W1，R1表示；固定边框内框线的长边、短边长度、圆角半径分别用L2，W2，R2表示；中心膜片的长边、短边长度、圆角半径分别用L3、W3、R3表示。1511单元振膜标准数据如表1所示。表 1 1511单元振膜1511 长度单位L1 14.94L2 14.2L3 11.82W1 10.94W2 10.2W3 7.85R1 1.92R2 1.55mmmmmmmmmmmmmmmmR3 2.11mm图3 振膜的结构尺寸示意图2.2 悬边的设计悬边又称为折环，根据悬边截面的形状，可分为单弧形、双弧形、平顶形。图4为单弧形，其中Ws称为悬边的宽度，Hs 称为悬边的高度，根据公式(1)，悬边的弧度半径RS即可确定： (1) 绘制单弧形悬边，首先需要绘制悬边的截面，截面利用绘图系统中的“三点圆弧”绘制。双弧形（图5）和平顶形的绘制也是如此。1511实例尺寸参数为（单位均为mm）：，。图4 单弧形形状示意图 图5 双弧形形状示意图3 1511单元的加强筋设计 在膜片设计中有两大因素：一是膜片的基础形状设计，二是膜片加强筋设计11。3.1 加强筋平面的结构参数1) 加强筋筋脉的形状分弧形和直线形；2) 加强筋数量：指的是加强筋在指定分布区域内的数量；对于矩形扬声器而言，这个数量是一个边角区域里分布的加强筋数量；3) 加强筋分布角度1：指的是加强筋在边角的分布区域所占的角度；a) 对于膜片一个角落的加强筋，按照顺时针方向的增加方法，第一个加强筋的位置分布角度为起始分布角度，位于第2象限；b) 最后一个加强筋的位置分布角度为终止分布角度，位于第1象限；图6 加强筋的结构图4) WR：指从俯视图中看到的加强筋的宽度。1511单元中加强筋宽度为WR=0.2359mm；5) HR：指的是加强筋筋脉的深度；6) LRCS：加强筋的长度，由于悬边的宽度不尽相同，而加强筋距离悬边边缘的间隙相同，因此LRCS会因为加强筋所在的位置的不同而不同；7) 倾斜角度1：指的是加强筋与所在位置处半径方向的夹角；a) 对于膜片上一个角落的加强筋，按照顺时针方向的增加方法，第一个加强筋的位置分布角度为起始倾斜角度，位于第2象限；b) 最后一个加强筋的位置分布角度为终止倾斜角度，位于第1象限。3.2 模子剖面的结构参数 图7 XY平面上的模子位置示意图 加强筋截面的形状可以分为样条和椭圆12，若为椭圆形则设长边长度为DMLD，1511单元中DMLD=0.54mm；短边长度为DMSD，模子截面的短边并没有明确计算依据，但是需满足：DMLDWR，可以根据约束设定一些合理的数值，1511单元中DMLD=0.25mm。1) 加强筋的顶端距离截面椭圆圆心的距离高度为HRTS，这里有一项约束项，即HRTSHSR，HRTS与DMLD之间存在如下关系式：DMLD/2=HRTS+HR。1511单元中HRTS=DMLD/2-HR =0.07mm。2) RMS：截面半径。RMS必须大于加强筋的高度，即必须大于模子压制折环的深度，这样才能保证加强筋的截面是圆弧形，而不是U形。，1511单元中RMS=0.135mm。3) 模子侧面弧半径为RMA，侧弧的弧度为g1。由于，因此侧弧的度数为。4) 模高：中心顶点距离装配参考平面的距离，1511单元中加强筋模高为HSR=HS-HR=0.05mm。5) ：加强筋距离切边的距离，1511单元中WRS=0.1006mm。6) ：加强筋距离音圈位的距离，1511单元中WRC=0.159mm。3.3 加强筋模子的平面位置的调整模子的位置控制为加强筋设计的难点。设计过程主要讨论加强筋分布的角度范围，分布的起始角度和终止角度，倾斜角度和筋体的位置角度。步骤包括制作一个母体模子，然后通过移动旋转复制来生成各个子模子的模体。根据筋模的编号来计算倾斜的角度，根据角度的大小来计算模子中心的坐标。图8 XY平面上的模子位置示意图对于矩形的扬声器，其加强筋位于折环的四角。每个角落的加强筋可以编为一组。按照左上，左下，右上和右下的四个位置，以左上位置为例展开讨论。关于加强筋的位置的设计，一共设定有三个关键点：第一是坐标原点o，位于振膜的中心点；第二是边角的圆心点，如图8所示的点co；第三是加强筋的中心点Ro，位于加强筋的中点。 如果以坐标原点o为参考点的话，图8中的各个位置信息变量如下：加强筋所在的通心aco(a1co)与fco之间的夹角为，gco与fco之间的夹角为a2，gco与pco之间的夹角为b2，且2a2+2b2=/2，fco与qco之间的夹角为g2，rco与sco之间的夹角为g3（适当的扩展下角度的范围）。计算相关角度 (2) (3)（其中，） (4) (5)当加强筋位于2，加强筋的数量和分布不同于2和2区域，此区域加强筋的间距等于2和2区域相邻加强筋的中心弧度长度，即。在此令：iRo=lD。在角从0逆时针扫描至-/2的过程中，也就是在22和22区域的加强筋的个数为m个，则加强筋的间隔角度的个数为m-1，在g2区域的加强筋的个数为l个，在g3区域的加强筋的个数为n个。设加强筋的总数量为Nt(NumberTotal)。 (6) (7) 2a2和22区域的夹角间距为： (8) (9) 对于起始位置处和终止位置处的加强筋，则满足以下条件： (10)(qB为加强筋起始位置与fco的夹角) (11) (12)（qE为加强筋起始位置与fco的夹角） (13)将（6）（8）（11）（13）进行联立，可以得到： (14)当0qa的范围之内时候：加强筋的长度： (15) (16) (17)相对于原点的坐标位置而言，加强筋的中心点Ro的水平坐标和垂直坐标为： (18) (19)上述两个公式之中包含一个重要的参量ROCO，其计算方法为： (20)1511单元的实例数据（单位均为mm）：，当q=0时，3.4 模子的截面的空间坐标的调整 模子的姿态控制就是空间的两个角度的微调：一个是在X-Y平面上，沿顺时针或逆时针方向旋转；另一个是在X-Y平面上，沿着模子中心和模子旋转的中心原点co之间的连线上的角度倾斜。加强筋顶部的高度为HRT，加强筋底部的高度HRB，加强筋距离振膜平面的高度为HSB，模子侧面弧半径为RMA，图9中存在以下逻辑关系： (21) (22) (23) (24)进一步的处理 (25)模子的侧面弧的半径的计算结果如下所示： (26) 图9 模子的截面的空间坐标的示意图参考圆面的中心点坐标计算（Y=0）：X坐标的计算： (27)Z坐标的计算： (28) 调整模子截面和参考中心线的坐标，可以保证成形之后的模子具备可以用于直接压制加强筋。参考中心线的坐标，经过中心点为OC，并且垂直于XY平面。该中心点OC的坐标为：（0,0,ZC），其中：ZC=-(RMA-HRB-HSB)，截面椭圆的初始位置，在原点O处绘制，中心坐标：（0,0,0）；长边端点：（0,DMLD/2,0）；短边端点：(DMSD/2,0,0)。然后将其沿X轴，以OT为参考点顺时旋转90度，然后将其上移到OT处，其坐标为：（0,0,HRB+HSB+DMLD/2），然后在向右，以OC为参考点旋转角度，OC的坐标如下所示。（0,0,-（RMA-HRB-HSB）。1511单元实例：HRT=0.18mm，HSB=0.05mm，HRB=0.02mm，RMA=0.323mm。3.5 模子的循环操作模子的压制操作，和模子的设计方法有密切关系。一种是把多个模子组合到一块，一种是将多个模子一个个的独立操作。对于矩形扬声器而言，制作加强筋的流程主要是：1) 确定加强筋的数量以及在四个边角的位置分布；2) 根据压制加强筋的位置，确定模子的基本尺寸；3) 在模子的文档中，生成模子并将其放置到位置；4) 通过配合操作，将生成的多个模子合并成一个模子集合；5) 通过压凹操作，利用模子集合在振膜上压制出多个加强筋；6) 隐藏模子集合，便于观察模子的文档。加强筋的数量较多，每个加强筋的尺寸，位置都各不相同，要求生成与加强筋相对应的多个模子，就必须通过模子的循环操作才能。4 实例及结果用LeinPmds生成一份振膜图纸只需要几十秒钟，大大提高了设计膜片图纸的效率。如果需要对膜片的尺寸、加强筋的数量、位置、形状做一些微调，重新绘制膜片图纸，也会十分高效。下图1013为1511型号所绘制出的扬声器基本结构单元部分装配体图形。图10 1511单元膜片加强筋压制模子图图11 1511单元膜片基本结构图（没有压制加强筋）图12 1511单元膜片装配图的正视图 图13 1511单元膜片装配图的后视图5 结论微型扬声器参数建模与仿真系统，使用Solidworks2012作为基础软件，以Visual Studio 2012 之VB作为开发语言。VB通过API接口，利用二次开发完成微型扬声器的建模与仿真过程13。采用面向对象的编程技术对其进行建模，能够系统描述微型扬声器单元的结构，并能够实现参数仿真。通过将微型扬声器模型参数化，可以极大程度提高其3D图纸的生成效率，也可以为研发人员对其性能优化提供可能与便利。参考文献1 崔志琴，杨瑞峰.复杂机械结构的参数化建模及模态分析J.机械工程学报，2008，44(2)：234-2372 何岸杨.SolidWorks二次开发方法研究J.科技信息，2007，(28)：69-703 PISE U V，BHATT A D，SRIVASTAVA R K，et al. A B-spline based heterogeneous modeling and analysis of proximal femur with graded elementJ. Journal of Biomechanics，2009，42(12)：1981-19884 XU G，MOUTTAIN B，DUVIGNEAU R，et al. Analysis-suitable volume parameterization of multi-block computational domain in ISO geometric applicationsJ. Computer-Aided Design，2013，45(2)：395