壓縮驅(qū)動(dòng)單元溫度場(chǎng)的有限元建模：與測(cè)量結(jié)果比對(duì)（譯文）
FEM thermal model of a compression driver-comparison with experimentalresults,
144th AES Convention, 2018.
作者：Marco Baratelli, Grazia Spatafora, EmilianoCapucci, and Romolo Toppi
單位：Faital S.p.A.
摘要：為了預(yù)測(cè)揚(yáng)聲器溫升現(xiàn)象和盡可能地減小潛在損傷，文中基于COMSOL Multiphysics軟件建立了一款壓縮驅(qū)動(dòng)單元溫度場(chǎng)的時(shí)域瞬態(tài)仿真分析模型。仿真分析模型中通過(guò)熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和熱輻射來(lái)模擬傳熱過(guò)程，保證了仿真分析方法的嚴(yán)謹(jǐn)性。為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化細(xì)節(jié)，仿真模型亦考慮了功率壓縮現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明文中所述仿真分析方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)類(lèi)似電聲器件的使用極限，以及溫升效應(yīng)對(duì)磁隙中磁感應(yīng)的影響。
1. 簡(jiǎn)介
壓縮驅(qū)動(dòng)單元是具有較高工作效率的高頻電聲換能器，可以產(chǎn)生較大聲壓級(jí)，通常會(huì)結(jié)合號(hào)角或者波導(dǎo)使用。因?yàn)閴嚎s驅(qū)動(dòng)單元的工作頻帶很高，振膜的振幅非常小，可以近似為靜止?fàn)顟B(tài)，所以壓縮驅(qū)動(dòng)單元不會(huì)像重低音揚(yáng)聲器那樣可以通過(guò)顯著的強(qiáng)迫對(duì)流來(lái)散熱，也就更加容易過(guò)熱，極端情況下還會(huì)導(dǎo)致燒圈。Faital S.p.A基于COMSOL Multiphysics軟件開(kāi)發(fā)了溫度場(chǎng)仿真分析模型，用于預(yù)測(cè)壓縮驅(qū)動(dòng)單元的溫升現(xiàn)象，并盡可能減小音圈的潛在永久性損傷。
2. 理論背景
揚(yáng)聲器工作工程中，能量絕大部分以熱量形式耗散，熱功率近似為：
（1）上式中，V是音圈端電壓， 是音圈直流電阻隨溫度變化的函數(shù)，是揚(yáng)聲器工作效率[1]。當(dāng)壓縮驅(qū)動(dòng)單元和號(hào)角一起工作時(shí)[1]，最大工作效率理論上可達(dá)50%，而重低音揚(yáng)聲器[2]的工作效率一般不超過(guò)3%。
要注意的是，音圈的直流電阻 是關(guān)于溫度 的函數(shù)，可以表示如下：
（2）上式中， 是音圈在環(huán)境溫度 下的直流電阻， 和是和材料相關(guān)的系數(shù)。音圈導(dǎo)線材料通常是銅（cu）或鋁（al），已知：
上述材料對(duì)溫升都非常敏感，事實(shí)表明揚(yáng)聲器在大功率下工作時(shí)，音圈直流電阻可以達(dá)到環(huán)境溫度下直流電阻的兩倍，這就意味著此時(shí)驅(qū)動(dòng)功率只有溫升前的一半，這就是功率壓縮現(xiàn)象。
另外，一小部分溫升是由渦電流貢獻(xiàn)的，不同類(lèi)型揚(yáng)聲器貢獻(xiàn)量也不一樣，這部分貢獻(xiàn)量可由渦電流所在區(qū)域的電功率計(jì)算得到。電磁場(chǎng)有限元仿真是計(jì)算渦電流熱貢獻(xiàn)量的好方法，這部分熱貢獻(xiàn)量通常占比很小（總溫升的6%~14%）。
熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳遞到揚(yáng)聲器其他結(jié)構(gòu)上，在本文工作中這些因素都不可忽略。本文并不討論傳熱基礎(chǔ)理論，相關(guān)信息可參考文獻(xiàn)[5]和COMSOL Multiphysics傳熱模塊手冊(cè)[6]。
要注意的是對(duì)流是傳熱過(guò)程中的一個(gè)非常重要的部分，也許是揚(yáng)聲器中最復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象。對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流，自然對(duì)流是由溫度場(chǎng)存在梯度和空氣浮力變化而引起（熱空氣上升，冷空氣下沉）；強(qiáng)迫對(duì)流是由揚(yáng)聲器在低頻工作時(shí)振膜推動(dòng)大量空氣運(yùn)動(dòng)而引起。壓縮高音單元的音圈沖程非常小，所以強(qiáng)迫對(duì)流很微弱以致可忽略不記。
自然對(duì)流本質(zhì)上是溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合問(wèn)題，可以通過(guò)兩種方式建模：1）精確描述流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合（計(jì)算Navier-Stokes方程）；2）基于等效換熱系數(shù)僅計(jì)算溫度場(chǎng)中的傳熱問(wèn)題。方式1）是最全面深入的方法，但需要進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算，占用內(nèi)存量大，計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)；方式2）不需要CFD計(jì)算，只需計(jì)算傳熱方程，其中對(duì)流換熱速率 為：
上式中，h為換熱系數(shù)[6]。找到合適的換熱系數(shù)值很關(guān)鍵，該值取決于流體的材料特性、物體表面溫度以及幾何構(gòu)型（如垂直壁面、水平板面或傾斜表面等）。COMSOL Multiphysics提供換熱系數(shù)的內(nèi)置函數(shù)[6]，相關(guān)信息在文獻(xiàn)[5]中也可以很方面地找到。
溫度也會(huì)改變磁鋼性能，釹鐵硼和鐵氧體是揚(yáng)聲器中最常見(jiàn)的兩種磁鋼材料，其中釹鐵硼對(duì)溫升更加敏感，這是因?yàn)檫@種磁性材料的居里點(diǎn)溫度（開(kāi)始發(fā)生永久性退磁的溫度）很低。另外，磁鋼剩磁Br也和溫度相關(guān)。對(duì)于N35和Y30，當(dāng)20℃時(shí)：
在20℃~150℃范圍內(nèi)，N35和Y30的剩磁改變率分別[7][8]為 -0.12%/℃（溫度每上升1℃，剩磁下降0.12%）和 -0.18%/℃。
3. 方法
本文在沒(méi)有實(shí)際樣品任何測(cè)量信息的條件下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了壓縮驅(qū)動(dòng)單元的溫度場(chǎng)特性。首先，采用前文所述嚴(yán)謹(jǐn)方法（溫度場(chǎng)和流場(chǎng)耦合）開(kāi)展仿真分析工作，所掌握的信息僅有幾何模型和必要的材料參數(shù)。
仿真模型建立之后就開(kāi)展相同條件下的測(cè)量工作，并將測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證仿真分析模型的準(zhǔn)確性。
最后，基于等效換熱系數(shù)建立并求解不考慮層流的簡(jiǎn)化模型，所得簡(jiǎn)化模型的仿真分析結(jié)果和完整模型的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。
3.1 仿真
本文采用COMSOL Multiphysics軟件建立2D軸對(duì)稱(chēng)仿真分析模型，若要仿真具有更加復(fù)雜幾何特征的3D溫度場(chǎng)特性，邊界條件設(shè)置方法也同樣適用。
圖1為本文所討論的幾何模型，對(duì)稱(chēng)軸為 r = 0 處的垂直紅線。要注意的是壓縮驅(qū)動(dòng)單元附近的區(qū)域也是幾何模型的一部分，代表了空氣區(qū)域，這對(duì)于求解全耦合問(wèn)題是必不可少的。此時(shí)揚(yáng)聲器相當(dāng)于完全放置于空氣中。
在固體和流體的所有接觸邊界上考慮熱輻射的影響，發(fā)射系數(shù) 來(lái)自文獻(xiàn)，在開(kāi)展測(cè)量工作時(shí)才會(huì)對(duì)這一數(shù)值進(jìn)行校核。
圖1 壓縮驅(qū)動(dòng)單元的幾何模型
在仿真分析模型中，通過(guò)耦合求解空氣區(qū)域中的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)來(lái)模擬自然對(duì)流，空氣重力因素應(yīng)考慮在內(nèi)。雖然這并不是求解問(wèn)題的最有效方法，但這是最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒āＲ驗(yàn)閴嚎s高音單元封閉腔體中空氣的密度會(huì)隨著溫度和壓強(qiáng)發(fā)生變化，所以應(yīng)采用可壓縮流體形式的Navier-Stokes方程進(jìn)行求解。之所以選擇“層流”（而不是“湍流”），是因?yàn)樵搯?wèn)題中只有自然對(duì)流會(huì)產(chǎn)生影響，此時(shí)空氣流速很小。
通過(guò)設(shè)置相關(guān)部件之間的邊界條件來(lái)建立膠水的模型。
以15[V] 直流電壓來(lái)計(jì)算熱功率[1]，因?yàn)楫?dāng)直流信號(hào)加載到音圈上時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生聲波和渦電流，所以此時(shí)揚(yáng)聲器工作效率 。通過(guò)將公式（2）帶入公式（1）來(lái)仿真功率壓縮的影響。圖1中的音圈為銅包鋁線，采用了第2節(jié)中鋁的相關(guān)系數(shù)。另外，由直流信號(hào)引起的直流偏置已在圖1所示的幾何模型中有所考慮，而直流偏置量已通過(guò)“電磁場(chǎng)-固體力學(xué)”耦合瞬態(tài)仿真得到，具體工作不在本文討論范圍內(nèi)。
為了和溫升的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，本文采用瞬態(tài)仿真分析方法，總的仿真時(shí)間長(zhǎng)度為2小時(shí)，每隔10分鐘保存一次仿真結(jié)果。
3.2 測(cè)量
在與仿真模型相同的邊界條件下開(kāi)展相關(guān)測(cè)量工作。使用電流表測(cè)量音圈中的電流，從而計(jì)算出音圈電阻，再通過(guò)音圈電阻的變化情況來(lái)測(cè)量音圈溫度。采用兩種方法測(cè)量背板溫度，測(cè)量結(jié)果取平均值：1）將一個(gè)熱電偶放置在背板小孔中測(cè)量，并用導(dǎo)熱膏粘接；2）將一個(gè)無(wú)支撐的小音圈粘在背板上，通過(guò)其直流電阻的變化來(lái)測(cè)量。圖2為測(cè)量設(shè)置示意圖。
圖2 溫度場(chǎng)測(cè)量的設(shè)置
在測(cè)量過(guò)程中可知導(dǎo)磁板、音圈和磁鋼的溫度，它們的發(fā)射率則可通過(guò)熱成像攝像機(jī)的測(cè)量結(jié)果來(lái)校核。校核發(fā)射率的目的在于確保各部件發(fā)射率的測(cè)量值和文獻(xiàn)中的值，以及仿真模型中的值一致。
壓縮驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)尼龍繩懸吊，以保證單元附近都是空氣，而不會(huì)接觸其他物體表面，這和仿真模型中的仿真環(huán)境一致。
4. 結(jié)果
仿真分析結(jié)果和測(cè)量結(jié)果取得較好一致，最大誤差也僅有5%。仿真計(jì)算時(shí)間為28分鐘，所用計(jì)算機(jī)的CPU主頻為3GHz，內(nèi)存為8GB。仿真計(jì)算時(shí)間尚可接受，但如果（要通過(guò)仿真）開(kāi)展實(shí)際樣品的優(yōu)化和精細(xì)調(diào)音，那么這個(gè)仿真計(jì)算時(shí)間還是太長(zhǎng)了。
圖3 全耦合仿真分析結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的比對(duì)
圖4 溫度場(chǎng)（左）和空氣流速（右）的仿真分析結(jié)果（t =120min）
5. 簡(jiǎn)化模型
如第2節(jié)所述，為了計(jì)算速度更快，仿真模型中不再考慮層流的影響，可以通過(guò)磁路結(jié)構(gòu)外表面的等效換熱系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自然對(duì)流，此時(shí)幾何模型中的空氣區(qū)域可以畫(huà)得很小。實(shí)際上僅需考慮壓縮驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部直到喉口的空氣區(qū)域，在喉口空氣邊界上采用“開(kāi)邊界”，在固體部件的外表面設(shè)置等效換熱系數(shù)。
在COMSOL Multiphysics軟件中可計(jì)算水平平板（壓縮驅(qū)動(dòng)單元的上表面和下表面）和垂直壁（磁鋼、前片和背板的外表面）的傳熱系數(shù)。該方法仿真計(jì)算時(shí)間僅需18秒。結(jié)果表明這些傳熱系數(shù)提供了非常有用的近似效果。如圖5所示，簡(jiǎn)化模型的音圈溫度仿真分析結(jié)果偏低，而背板溫度影響不大。
圖5 簡(jiǎn)化模型和全耦合模型的仿真分析結(jié)果比對(duì)
當(dāng)需要通過(guò)改變幾何或材料來(lái)找到降低音圈溫度的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，該簡(jiǎn)化模型方法比較有用。然而我們還是建議先進(jìn)行一次全耦合模型仿真，以確保簡(jiǎn)化模型的仿真分析結(jié)果和正確結(jié)果不會(huì)差得太多。
6. 考察磁特性
最后還測(cè)量確認(rèn)了磁鋼剩磁 Br 隨溫度的變化率（詳見(jiàn)第2節(jié)）。在20℃和100℃（測(cè)量過(guò)程中磁鋼達(dá)到的最大溫度）時(shí)分別測(cè)量磁隙中的磁通密度。測(cè)量結(jié)果和靜磁場(chǎng)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，仿真模型中采用了對(duì)應(yīng)溫度下的磁鋼剩磁 Br。表1中的比對(duì)結(jié)果表明，該（計(jì)算不同溫度下磁鋼剩磁Br）方法比較可靠，可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大功率下的聲壓級(jí)變化。
表1 兩種溫度下磁隙中磁通密度的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果
7. 結(jié)論
一款壓縮驅(qū)動(dòng)單元的溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果和測(cè)量結(jié)果取得較好一致。不僅通過(guò)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的全耦合方法求解自然對(duì)流問(wèn)題，還通過(guò)等效換熱系數(shù)的簡(jiǎn)化模型來(lái)求解，且二者求解結(jié)果幾乎相同。文中還研究了磁隙中磁通密度隨溫度的變化，結(jié)果表明和文獻(xiàn)中所述規(guī)律一致。本文所述仿真分析方法可用于實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因?yàn)橹绷麟妷盒盘?hào)加載已代表了最嚴(yán)重的溫升現(xiàn)象（此時(shí)揚(yáng)聲器工作效率為0）。另外，當(dāng)本文中的壓縮驅(qū)動(dòng)單元和號(hào)角結(jié)合使用時(shí)，也可（根據(jù)本文方法）準(zhǔn)確評(píng)估其工作效率。對(duì)于3D模型或更復(fù)雜的模型（例如壓縮驅(qū)動(dòng)單元和水平輻射號(hào)角結(jié)合使用時(shí)就無(wú)法簡(jiǎn)化為2D軸對(duì)稱(chēng)模型），本文設(shè)置方法也同樣基本適用，只需在特定邊界條件上進(jìn)行一些微調(diào)。
本文研究?jī)?nèi)容可為woofer傳熱仿真打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，woofer傳熱仿真還需考慮強(qiáng)迫對(duì)流帶來(lái)的散熱效果。鑒于本文中全耦合模型的計(jì)算較為復(fù)雜，因此有必要提供一種有效且合適的近似方法（減少計(jì)算量），從而使該方法可以成為（電聲工程師的）設(shè)計(jì)工具。
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