機(jī)械式電磁喇叭設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化技術(shù)的研究.pdf

1、機(jī)械式電磁喇叭是一類將電能轉(zhuǎn)換成聲能的換能器。作為警告信號(hào)用的電磁喇叭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維護(hù)修理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已廣泛用于包括汽車、拖拉機(jī)、摩托車等具備直流電源的水陸交通工具中,成為各類交通工具安全系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵元器件。低成本、高效率、長(zhǎng)壽命、高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性已成為機(jī)械式電磁喇叭的未來(lái)發(fā)展方向。
　　針對(duì)當(dāng)前機(jī)械式電磁喇叭的理論研究水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其設(shè)計(jì)及制造工藝水平的問(wèn)題,本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分別提出了機(jī)械

2、式電磁喇叭的設(shè)計(jì)理論模型和機(jī)—電—磁—聲多物理場(chǎng)仿真分析方法;并從能量轉(zhuǎn)換機(jī)理角度詳盡地闡述了機(jī)械式電磁喇叭的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程與參數(shù)退化機(jī)理;最終形成了機(jī)械式電磁喇叭的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。
　　首先,通過(guò)對(duì)機(jī)械式電磁喇叭的結(jié)構(gòu)特征分析,分別建立了圓板膜片結(jié)構(gòu)和具有可分合接觸特征的觸簧系統(tǒng)機(jī)械特性理論模型;建立了具有螺線管特征的電磁系統(tǒng)靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性理論模型;建立了具有反復(fù)短時(shí)工作制特征的線圈、簧片、鐵心熱特性理論模型;建立了圓板膜片

3、結(jié)構(gòu)的聲輻射特性理論模型,從而形成了完整的機(jī)械式電磁喇叭理論分析模型,為進(jìn)一步分析其振動(dòng)發(fā)聲機(jī)理、能量轉(zhuǎn)換原理以及綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。
　　其次,基于虛擬樣機(jī)原理應(yīng)用大型商用有限元分析軟件包括ANSYS、CEDRAT FLUX、ADAMS等進(jìn)行電—磁—機(jī)—聲多物理場(chǎng)的仿真研究。以某型號(hào)汽車用機(jī)械式電磁喇叭為具體研究對(duì)象,依次開(kāi)展了其靜態(tài)電磁特性的仿真分析,通過(guò)對(duì)電弧電壓的合理等效完成了周期運(yùn)動(dòng)條件下機(jī)—電—磁耦合特性的仿

4、真分析,并以膜片振動(dòng)位移幅值為激勵(lì)完成了聲輻射特性的仿真分析。線圈動(dòng)態(tài)電流及動(dòng)鐵心振動(dòng)位移響應(yīng)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合良好,證明了所提出的仿真方法的可行性與準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了機(jī)械式電磁喇叭虛擬樣機(jī)的多物理場(chǎng)仿真分析軟件平臺(tái),為其綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)提供了先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　再次,應(yīng)用板殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論建立了膜片組件的自由振動(dòng)數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)中心具有附加質(zhì)量情況下的模態(tài)分析方法,并分析了包括膜片半徑、厚度及

5、附加質(zhì)量等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于膜片組件固有頻率的影響規(guī)律。另外通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)各部分等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼的提取,建立了機(jī)械式電磁喇叭時(shí)變電磁力激勵(lì)條件下動(dòng)鐵心與膜片構(gòu)成的分段線性振子動(dòng)力學(xué)模型,聯(lián)合龍格—庫(kù)塔法與中心差分法求解并分析了多自由度系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)非線性響應(yīng)特性。
　　第四,根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理研究了機(jī)械式電磁喇叭從觸動(dòng)過(guò)程到過(guò)渡過(guò)程發(fā)展至穩(wěn)態(tài)往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中包括電能輸入、電阻損耗、電弧損耗、機(jī)械功、磁場(chǎng)能量、系統(tǒng)動(dòng)能、系統(tǒng)勢(shì)能

6、、聲能間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,以及穩(wěn)態(tài)往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中的燃弧階段、熄弧階段和觸頭閉合階段的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,并提出了檢驗(yàn)電磁喇叭能否發(fā)生穩(wěn)態(tài)往復(fù)振動(dòng)過(guò)程的合理判據(jù)。通過(guò)電磁喇叭壽命試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)的觸動(dòng)電流、峰值電流、觸動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)頻率、接觸電阻等性能參數(shù)退化規(guī)律,確定了其失效機(jī)理及失效原因,為電磁喇叭優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的提出奠定了基礎(chǔ)。
　　最后,基于機(jī)械式電磁喇叭虛擬樣機(jī)模型綜合分析了電磁系統(tǒng)磁極極面形狀(包括平面型、錐面型、梯錐型、球面型)、機(jī)械系統(tǒng)結(jié)