扬声器折环褶皱失稳现象分析
2018年10月31日 16:1501
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声学楼
前几天参加了声学楼十三周年年会。下面是我当时做得分享报告。欢迎指正。
这篇报告是基于之前在公众号有分享过的一篇文章深入分析而来的。
折环，悬边，复合边，surround，edge... 这个部件目前并没有统一的名称，大家知道是什么就行了。
为方便手机端阅读，版面有做调整。
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内容简介
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扬声器折环褶皱现象
现在的扬声器产品要求越来越高。
同样口径的情况下，都希望谐振频率Fs越低越好，扬声器冲程越大越好。所以折环相对于音盆的尺寸越来越大。
基于目前的状况，根据实践经验，我们经常发现有些扬声器折环在大位移时会发生褶皱的现象。
尤其是厚度较薄的橡胶边和PU边。且一般发生在单R形状折环中。
这种褶皱现象可能造成大功率下扬声器晃动擦圈，失真增大等风险。
褶皱是呈现周向近似周期性的，比较规律。目前这块的分析研究较少。
在位移较大产品，比较薄的橡胶边，PU边等容易出现此类现象。
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褶皱现象有限元分析
最开始觉得非常奇怪，为什么轴对称的产品会出现非轴对称性形变？而且形变这么明显。
到底是因为材料达到一定应力的时候呈现各向异性？还是材料厚度生产工艺厚薄不一造成的？
采用有限元计算可以复现到这种现象。说明是产品设计的结构本身就存在这样的风险。
10mm位移的形变
10mm位移的应力
用有限元仿真的方式复现了与实践经验相符的类似的结果。
通过查找相关资料，以及和同行业朋友之间的相互交流。大体可以确认这种现象的来源是复合边发生了屈曲，从而造成大形变时复合边形状的不稳定。
位移(动态图）
应力(动态图）
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仿真注意事项
•模型采用实体。如果是等厚材料，尤其是带加强筋的折环，建议采用壳模型，划分网格更容易，以减小计算开销。•网格划分需要在考虑计算能力的前提下，尽可能精细。要体现出细小结构（比如加强筋等）。并且分布比较均匀。
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理想模型分析
下图是一个理想的常规半圆单R折环模型。
为方便分析，将折环模型抽象，暂时不考虑其厚度的影响。
图中标识的变量：
折环内半径a，半径R，直径D=2*R。
z , r代表坐标系。
我们先做最理想化的分析，假设折环可以被完全拉直。
半圆弧实线代表折环原形状，下面的直实线代表折环变形后的形状。
可以看到悬边某些点会被压缩，某些点会被拉伸。即r坐标值发生了变化。
需要从3维上来理解，2维轴对称的点对应到3维就是线。图中点的对应的长度为2π*r。
由于折环被拉伸或压缩，会造成折环状态不稳定，出现褶皱。
通过仔细推导，可以得到以下折环的压缩/拉伸比例的函数。
在上述表达式中，其中theta0=acos(2/pi)，x0代表所在点的r坐标值，R是折环半径，pi= π。
修改模型中R和a的数值即可得到压缩/拉伸比例曲线。
通过计算，可以得到折环的压缩/拉伸比例的函数的曲线。
横坐标代表相对的点的r坐标值。
纵坐标正数代表被拉伸，负数代表被压缩。
从压缩/拉伸比例曲线中可以读取最大压缩/拉伸的比例，以及位置。
以上面分析的案例为例，最大拉伸/压缩的部位在折环内外约1/10处。
为快速判断，方便工程实践应用。结合上述推导得到的函数以及现有的经验，做一个粗略的判定方法：
一般来说，将压缩/拉伸比例控制在2%以内，出现褶皱的可能性较小。
为保证不发生折环褶皱，R<a/9，即折环宽度D<折环内半径a/4.5。
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解决思路
•边的顶部改为花瓣波纹状。这个已经被申请了专利。但可以通过这个思路做出类似的方案。
•增加凹槽。可以吸收折环上点的压缩/拉伸产生的形变。
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概括总结
•如果可能会有，可以综合产品的特性和要求，从解决思路中选择方案。、•直接加高折环比折环略加宽的稳定性会更差。
•折环开槽应该是整体影响较小的改善方案。开槽位置和宽度可以结合理论计算和有限分析来确定。
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