本发明涉及音箱技术领域，更具体地说，它涉及一种音箱声学特性的数值仿真方法、系统、终端及介质。
背景技术：
目前，音箱设计的的方法大多仍采用传统的经验法，一般为样品试做、测试、再改善样品、再测试的反复循环过程，这种方式开发周期长、成本高，且对测试场所测试硬件等均有较高要求。随着计算机技术的发展，使用数值仿真分析方法进行辅助设计变得越来越广泛，将数值仿真分析方法应用于音箱设计可以在样品试做前期预估音箱的性能，从而加快音箱的设计进度，减少开发成本。
现已有企业利用数值仿真方法对单独的扬声器、单独的箱体或声场进行分析，但对于音箱，其工作过程涉及多个物理场和多个系统，包括扬声器系统、箱体固体力学、声场等，其重要的声学特性参数也是多物理场相互耦合得到的结果，故在对音箱进行数值仿真分析时，须综合考虑各系统的相互耦合才能使仿真精度更高。
然而，对于音箱，特别是专业音箱产品，往往尺寸都较大且产品不具有轴对称性，导致无法对仿真模型进行对称简化。在进行多物理场耦合数值计算仿真时，若方法选择不当或处理方式不妥，则会导致对仿真模型进行数值计算时因计算能力不足而无法求解,。因此，如何研究设计一种音箱声学特性的数值仿真方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。
技术实现要素：
为解决现有音箱设计中对音箱组成部件单独分析，不能真实反应音箱产品整体声学特性，以及对音箱产品多物理场耦合数值计算时，易出现的因计算量超大而无法求解的问题，本发明的目的是提供一种音箱声学特性的数值仿真方法、系统、终端及介质。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种音箱声学特性的数值仿真方法，包括以下步骤：
s101：获取扬声器的集总参数；
s102：通过三维绘图软件中或在数值仿真分析软件建立音箱的三维几何模型图；
s103：根据三维几何模型图、材料属性参数以及耦合参数建立音箱的数值仿真模型；
s104：将数值仿真模型导入求解器中，根据分析问题的不同选择不同的研究类型；并根据模型大小选择全耦合或分离，以及选择直接或迭代算法进行求解；
s105：通过求解器计算得到数据集，并根据分析需要选择不同维度的绘图组和解，得到音箱的声学特性数值。
进一步的，所述集总参数包括直流电阻re、lr2电感损失模型中理想电感le、lr2电感损失模型中电感l2、lr2电感损失模型中电阻r2、振动质量mms、振动质量(不含推动的空气)mmd、机械阻抗rms、柔度cms、磁路因数bl，获取具体为：
通过文字识别直接读取扬声器供应商提供的集中参数值；
或，通过扬声器测试设备测量得到集总参数。
进一步的，所述数值仿真模型建立具体为：
将三维几何模型图传输至数值计算软件中，对三维几何模型图进行网格划分，并清理三维几何模型图中多余的点、线、面、体等几何构造，同时生成包裹住音箱的空气域；
根据材料属性参数对三维几何模型图中各组成部分的材料属性进行修改或添加；
根据音箱扬声器、音箱箱体、声场及其相互耦合在三维几何模型图的仿真环境中建立与设置物理场、物理场的边界、载荷。
进一步的，所述扬声器物理场通过导纳类比法整合磁路系统、振动系统；
振动系统的计算方程为：
fcoil＝fr fm fk
fr＝rms·v
fm＝mms·a＝mms·j2πfv
式中，fcoil为音圈和磁路系统总推动力，fr为机械和声学元件的摩檫力，fm为振动质量惯性力，fk为定心支片和折环的恢复力；rms为机械阻抗，v为速度，mms为振动质量，a为加速度，f为频率，j为虚数单位，kms为刚性，x为位移；
fcoil是流量变量，类似于电学中的电流；速度v为强度变量，类似于电学中的电压；则电路元件的力、速度、电压和电流的关系式具体为：
fm＝jωmms.v，
i＝jωcu，
由导纳类比，扬声器由等效电路来表示，式中ω为角频率，i为电流，u为电压，c为电容，l为电感，r为电阻；
通过电力声类比，在数值计算软件中建立对应电路即可设置为扬声器的物理场；为电路各元件赋值，工作电压v0根据扬声器阻抗值匹配，其余参数由集总参数得到。
进一步的，所述音箱箱体物理场为固体力学物理场，建立音箱的力学方程为：
则简谐一频域为：
具体到音箱物理场为：
式中，ρ为音箱箱体密度，ω为箱体振动角频率，u为音箱振动位移矢量，s为箱体应力张量，fv为箱体所受体积力(声介质中的压力作为载荷)，
音箱箱体设置为线弹性模型，并指定杨氏模量、泊松比和密度。
进一步的，所述声场的物理场具体为：
通过在近场加上空气域包裹音箱，并通过有限元方法分析近场声场的压力声学频域；近场压力声学频域方程由连续流体的控制方程考虑无粘性和热损耗且无流动的情况，可得：
pt＝p pb
选取设定声场内部声源，此声源由扬声器产生；并选取设定空气密度、声速、内部硬声场边界；
对音箱中铺设的吸音棉采用多孔声学delany-bazley-mike模型，设置流阻率即可；
通过边界元方法分析远场声场的压力声学，声学方程为：
pt＝p2 pb
选取设定空气密度、声速；
式中，ρc为流体密度(此处为空气密度)，pt为总声压，p和p2表示环境压力的声学变化(声学扰动)，pb为背景压力，qd为偶极源，ω为声波角频率，cc为介质中的声速(此处介质为空气)，qm为单极源，keq为声波波数包含普通波数k和平面外波数kz和azimuthal波数km。
进一步的，所述多物理场耦合具体为：
根据扬声器、音箱箱体及声场相互作用的物理原理，声场与箱体用声-结构耦合，方程如下：
外部：
内部：
式中，utt是结构加速度，n是表面法线方向，pt为总声压，qd是声偶极子域声源，fa是作用在结构上的载荷(每单位面积的力)，up、down标识是指内部边界的两侧；
近场声场与远场声场用声学边界元bem-有限元fem耦合，方程如下：
pt，bem＝pt，fem
式中，pt，bem为边界元边界总声压，pt，fem为有限元边界总声压；
指定耦合场之间的边界。
第二方面，提供了一种音箱声学特性的数值仿真系统，包括：
数据获取模块，用于获取扬声器的集总参数；
图型建立模块，用于通过三维绘图软件中或在数值仿真分析软件建立音箱的三维几何模型图；
模型建立模块，用于根据三维几何模型图、材料属性参数以及耦合参数建立音箱的数值仿真模型；
数值求解模块，用于将数值仿真模型导入求解器中，根据分析问题的不同选择不同的研究类型；并根据模型大小选择全耦合或分离，以及选择直接或迭代算法进行求解；
结果分析模块，用于通过求解器计算得到数据集，并根据分析需要选择不同维度的绘图组和解，得到音箱的声学特性数值。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过数值仿真技术实现了对音箱声学特性如灵敏度、指向性、箱体结构力学特性等的分析，缩短了音箱开发设计的周期，降低了开发成本，且能对音箱工作过程物理过程有更清晰的认识，有利于提高音箱设计的品质；
2、本发明在建立耦合仿真模型时，将扬声器通过电力声类比，简化为电路物理场分析，省去了求解计算时大量的计算量，通常扬声器的集中参数易于得到，而扬声器磁路系统、振动系统的材料参数却不易得到，故采用电类比电路更易于仿真的实现；
3、本发明将组成音箱的扬声器、音箱箱体、吸音棉等与声场相互耦合进行数值仿真，较全面真实地考虑了影响音箱声学特性的各个方面，能更精确地分析音箱声学特性；
4、本发明在分析音箱声场时，使用了有限元fem和边界元bem耦合的方式，这样避免了只使用有限元进行数值仿真时，音箱体积过大而无法计算的难题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中三维几何模型图的示意图；
图3是本发明实施例中数值仿真模型的示意图；
图4是本发明实施例中音箱的频响曲线图；
图5是本发明实施例中音箱的辐射方向图
图6是本发明实施例中音箱箱体的位移变形示意图
图7是本发明实施例中扬声器的类比电路原理图；
图8是本发明实施例中的系统架构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-8，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种音箱声学特性的数值仿真方法，如图1所示。
(一)获取扬声器的集总参数；集总参数包括re、le、l2、r2、mms、mmd、rms、cms、bl；集总参数通过文字识别直接读取扬声器供应商提供的集中参数值，或通过扬声器测试设备测量得到集总参数。现以一款音箱为例，集总参数如表1所示。
表1集总参数
(二)如图2所示，根据输入的集总参数通过三维绘图软件中或在数值仿真分析软件建立音箱的三维几何模型图；三维绘图软件包括但不限于proe、solidworks、ug软件。
(三)根据三维几何模型图、材料属性参数以及耦合参数建立音箱的数值仿真模型。如图3所示，数值仿真模型建立具体为：将三维几何模型图传输至数值计算软件comsol中，对三维几何模型图进行网格划分，并清理三维几何模型图中多余的点、线、面、体等几何构造，同时生成包裹住音箱的空气域；根据材料属性参数对三维几何模型图中各组成部分的材料属性进行修改或添加；根据音箱扬声器、音箱箱体、声场及其相互耦合在三维几何模型图的仿真环境中建立与设置物理场、物理场的边界、载荷。其中，网格划分为：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元，指定单元大小时，需注意单元大小需适配分析声波的最短波长，最大单元不大于最小波长的五分之一。对数值仿真模型划分网格，网格最大单元为co/fmax/5，其中co为声速，fmax为分析的最高频率。
(1)扬声器物理场通过导纳类比法整合磁路系统、振动系统。
振动系统的计算方程为：
fcoil＝fr fm fk
fr＝rms·v
fm＝mms·a＝mms·j2πfv
式中，fcoil为总推动力，fr为摩檫力，fm为惯性力，fk为恢复力；rms为机械阻抗，v为速度，mms为振动质量，a为加速度，f为频率，j为虚数单位，kms为刚性，x为位移。
fcoil是流量变量，类似于电学中的电流；速度v为强度变量，类似于电学中的电压；则电路元件的力、速度、电压和电流的关系式具体为：
fm＝jωmms.v，
i＝jωcu，
如图7所示，通过电力声类比，在数值计算软件中建立对应电路即可设置为扬声器的物理场；为电路各元件赋值，v0根据扬声器阻抗值匹配，其余参数由集总参数得到。如表2所示。
表2各物理场初始值及载荷
(2)音箱箱体物理场为固体力学物理场，建立音箱的力学方程为：
则简谐-频域为：
具体到音箱物理场为：
式中，ρ为音箱箱体密度，ω为箱体振动角频率，u为音箱振动位移矢量，s为箱体应力张量，fv为箱体所受体积力，
音箱箱体设置为线弹性模型，并指定杨氏模量、泊松比、密度、结构化损耗因子，如表2所示。
(3)声场的物理场具体为：通过在近场加上空气域包裹音箱，并通过有限元方法分析近场声场的压力声学频域；近场压力声学频域方程由连续流体的控制方程考虑无粘性和热损耗且无流动的情况，可得：
pt＝p pb
选取设定声场内部声源，此声源由扬声器产生，设定声源为内部法向速度，其值为cir.r3_i。并选取设定空气密度、声速、内部硬声场边界。
对音箱中铺设的吸音棉采用多孔声学delany-bazley-mike模型，设定流阻率rf为20000pa*s/m2。
通过边界元方法分析远场声场的压力声学，声学方程为：
pt＝p2 pb
选取设定空气密度、声速；式中，ρc为流体密度，pt为总声压，p和p2表示环境压力的声学变化，pb为背景压力，qd为偶极源，ω为声波角频率，cc为介质中的声速，qm为单极源，keq为声波波数包含普通波数k和平面外波数kz和azimuthal波数km。
(4)多物理场耦合根据扬声器、音箱箱体及声场相互作用的物理原理，声场与箱体用声-结构耦合，方程如下：
外部：
内部：
式中，utt是结构加速度，n是表面法线方向，pt为总声压，qd是声偶极子域声源，fa是作用在结构上的载荷，up、down标识是指内部边界的两侧。
近场声场与远场声场用声学边界元bem-有限元fem耦合，方程如下：
pt，bem＝pt，fem
指定耦合场之间的边界。
(四)将数值仿真模型导入求解器中，根据分析问题的不同选择不同的研究类型；并根据模型大小选择全耦合或分离，以及选择直接或迭代算法进行求解；为避免出现计算不收敛问题，可优选全耦合和直接求解器，如消耗内存过大，可考虑分离加迭代的方式。以进行频率研究为例，设定计算的频率点，此列采用1/12oct，选择全耦合方式，使用直接求解器mumps进行求解。
(五)通过求解器计算得到数据集，并根据分析需要选择不同维度的绘图组和解，得到音箱的声学特性数值；声学特性数值包括但不限于声压分布、灵敏度、声压等值面、指向性参数、箱体的应力、位移。因远场声场分析使用了边界元，故数据集须根据分析需求建立三维格栅。在音箱正前方1m处取一三维截点分析音箱的灵敏度，其频响曲线如图4所示，建立极坐标绘图组，绘制音箱前方垂直平面和水平面的辐射方向图，如图5所示。建立三维绘图组分析音箱箱体的位移变形图，如图6所示。根据分析需求的不同还可以建立声压分布图、声压级分布图、声压等值面图、箱体应力图等。
实施例2
一种音箱声学特性的数值仿真系统，如图8所示，包括：数据获取模块，用于获取扬声器的集总参数；图型建立模块，用于根据输入的集总参数通过三维绘图软件中或在数值仿真分析软件建立音箱的三维几何模型图；模型建立模块，用于根据三维几何模型图、材料属性参数以及耦合参数建立音箱的数值仿真模型；数值求解模块，用于将数值仿真模型导入求解器中，根据分析问题的不同选择不同的研究类型；并根据模型大小选择全耦合或分离，以及选择直接或迭代算法进行求解；结果分析模块，用于通过求解器计算得到数据集，并根据分析需要选择不同维度的绘图组和解，得到音箱的声学特性数值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，包括以下步骤：
s101：获取扬声器的集总参数；
s102：通过三维绘图软件中或在数值仿真分析软件建立音箱的三维几何模型图；
s103：根据三维几何模型图、材料属性参数以及耦合参数建立音箱的数值仿真模型；
s104：将数值仿真模型导入求解器中，根据分析问题的不同选择不同的研究类型；并根据模型大小选择全耦合或分离，以及选择直接或迭代算法进行求解；
s105：通过求解器计算得到数据集，并根据分析需要选择不同维度的绘图组和解，得到音箱的声学特性数值。
2.根据权利要求1所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，所述集总参数包括直流电阻re、lr2电感损失模型中理想电感le、lr2电感损失模型中电感l2、lr2电感损失模型中电阻r2、振动质量mms、振动质量mmd、机械阻抗rms、柔度cms、磁路因数bl，获取具体为：
通过文字识别直接读取扬声器供应商提供的集中参数值；
或，通过扬声器测试设备测量得到集总参数。
3.根据权利要求1所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，所述数值仿真模型建立具体为：
将三维几何模型图传输至数值计算软件中，对三维几何模型图进行网格划分，并清理三维几何模型图中多余的点、线、面、体等几何构造，同时生成包裹住音箱的空气域；
根据材料属性参数对三维几何模型图中各组成部分的材料属性进行修改或添加；
根据音箱扬声器、音箱箱体、声场及其相互耦合在三维几何模型图的仿真环境中建立与设置物理场、物理场的边界、载荷。
4.根据权利要求3所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，所述扬声器物理场通过导纳类比法整合磁路系统、振动系统；
振动系统的计算方程为：
fcoil＝fr fm fk
fr＝rms·v
fm＝mms·a＝mms·j2πfv
式中，fcoil为音圈和磁路系统总推动力，fr为机械和声学元件的摩檫力，fm为振动质量惯性力，fk为定心支片和折环的恢复力；rms为机械阻抗，v为速度，mms为振动质量，a为加速度，f为频率，j为虚数单位，kms为刚性，x为位移；
fcoil是流量变量，类似于电学中的电流；速度v为强度变量，类似于电学中的电压；则电路元件的力、速度、电压和电流的关系式具体为：
fm＝jωmms.v，
i＝jωcu，
由导纳类比，扬声器由等效电路来表示，式中ω为角频率，i为电流，u为电压，c为电容，l为电感，r为电阻；
通过电力声类比，在数值计算软件中建立对应电路即可设置为扬声器的物理场；为电路各元件赋值，工作电压v0根据扬声器阻抗值匹配，其余参数由集总参数得到。
5.根据权利要求4所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，所述音箱箱体物理场为固体力学物理场，建立音箱的力学方程为：
则简谐—频域为：
具体到音箱物理场为：
式中，ρ为音箱箱体密度，ω为箱体振动角频率，u为音箱振动位移矢量，s为箱体应力张量，fv为箱体所受体积力，
音箱箱体设置为线弹性模型，并指定杨氏模量、泊松比和密度。
6.根据权利要求5所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，所述声场的物理场具体为：
通过在近场加上空气域包裹音箱，并通过有限元方法分析近场声场的压力声学频域；近场压力声学频域方程由连续流体的控制方程考虑无粘性和热损耗且无流动的情况，可得：
pt＝p pb
选取设定声场内部声源，此声源由扬声器产生；并选取设定空气密度、声速、内部硬声场边界；
对音箱中铺设的吸音棉采用多孔声学delany-bazley-mike模型，设置流阻率即可；
通过边界元方法分析远场声场的压力声学，声学方程为：
pt＝p2 pb
选取设定空气密度、声速；
式中，ρc为流体密度，pt为总声压，p和p2表示环境压力的声学变化，pb为背景压力，qd为偶极源，ω为声波角频率，cc为介质中的声速，qm为单极源，keq为声波波数包含普通波数k和平面外波数kz和azimuthal波数km。
7.根据权利要求6所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法，其特征是，所述多物理场耦合具体为：
根据扬声器、音箱箱体及声场相互作用的物理原理，声场与箱体用声-结构耦合，方程如下：
外部：
内部：
式中，utt是结构加速度，n是表面法线方向，pt为总声压，qd是声偶极子域声源，fa是作用在结构上的载荷，up、down标识是指内部边界的两侧；
近场声场与远场声场用声学边界元bem—有限元fem耦合，方程如下：
pt，bem＝pt，fem
式中，pt,bem为边界元边界总声压，pt,fem为有限元边界总声压；
指定耦合场之间的边界。
8.一种音箱声学特性的数值仿真系统，其特征是，包括：
数据获取模块，用于获取扬声器的集总参数；
图型建立模块，用于通过三维绘图软件中或在数值仿真分析软件建立音箱的三维几何模型图；
模型建立模块，用于根据三维几何模型图、材料属性参数以及耦合参数建立音箱的数值仿真模型；
数值求解模块，用于将数值仿真模型导入求解器中，根据分析问题的不同选择不同的研究类型；并根据模型大小选择全耦合或分离，以及选择直接或迭代算法进行求解；
结果分析模块，用于通过求解器计算得到数据集，并根据分析需要选择不同维度的绘图组和解，得到音箱的声学特性数值。
9.一种计算机终端，其特征是，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法。
10.一种计算机可读介质，其特征是，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-7中任意一项所述的一种音箱声学特性的数值仿真方法。
技术总结