機械式電磁喇叭設計理論與優(yōu)化技術的研究.pdf

1、機械式電磁喇叭是一類將電能轉換成聲能的換能器。作為警告信號用的電磁喇叭具有結構簡單、價格低廉、維護修理簡便等優(yōu)點,現已廣泛用于包括汽車、拖拉機、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)中不可或缺的關鍵元器件。低成本、高效率、長壽命、高可靠性和環(huán)境適應性已成為機械式電磁喇叭的未來發(fā)展方向。
　　針對當前機械式電磁喇叭的理論研究水平遠遠落后于其設計及制造工藝水平的問題,本文綜合分析了國內外研究現狀,分別提出了機械

2、式電磁喇叭的設計理論模型和機—電—磁—聲多物理場仿真分析方法;并從能量轉換機理角度詳盡地闡述了機械式電磁喇叭的能量轉換過程與參數退化機理;最終形成了機械式電磁喇叭的綜合優(yōu)化設計技術。
　　首先,通過對機械式電磁喇叭的結構特征分析,分別建立了圓板膜片結構和具有可分合接觸特征的觸簧系統(tǒng)機械特性理論模型;建立了具有螺線管特征的電磁系統(tǒng)靜態(tài)特性、動態(tài)特性理論模型;建立了具有反復短時工作制特征的線圈、簧片、鐵心熱特性理論模型;建立了圓板膜片

3、結構的聲輻射特性理論模型,從而形成了完整的機械式電磁喇叭理論分析模型,為進一步分析其振動發(fā)聲機理、能量轉換原理以及綜合優(yōu)化設計技術奠定理論基礎。
　　其次,基于虛擬樣機原理應用大型商用有限元分析軟件包括ANSYS、CEDRAT FLUX、ADAMS等進行電—磁—機—聲多物理場的仿真研究。以某型號汽車用機械式電磁喇叭為具體研究對象,依次開展了其靜態(tài)電磁特性的仿真分析,通過對電弧電壓的合理等效完成了周期運動條件下機—電—磁耦合特性的仿

4、真分析,并以膜片振動位移幅值為激勵完成了聲輻射特性的仿真分析。線圈動態(tài)電流及動鐵心振動位移響應的仿真結果與試驗結果符合良好,證明了所提出的仿真方法的可行性與準確性。在此基礎上，開發(fā)了機械式電磁喇叭虛擬樣機的多物理場仿真分析軟件平臺,為其綜合優(yōu)化設計過程的實現提供了先進的技術基礎。
　　再次,應用板殼結構動力學理論建立了膜片組件的自由振動數學模型,在此基礎上提出了結構中心具有附加質量情況下的模態(tài)分析方法,并分析了包括膜片半徑、厚度及

5、附加質量等設計參數對于膜片組件固有頻率的影響規(guī)律。另外通過對機械系統(tǒng)各部分等效質量、等效剛度和等效阻尼的提取,建立了機械式電磁喇叭時變電磁力激勵條件下動鐵心與膜片構成的分段線性振子動力學模型,聯合龍格—庫塔法與中心差分法求解并分析了多自由度系統(tǒng)強迫振動非線性響應特性。
　　第四,根據機電能量轉換原理研究了機械式電磁喇叭從觸動過程到過渡過程發(fā)展至穩(wěn)態(tài)往復振動過程中包括電能輸入、電阻損耗、電弧損耗、機械功、磁場能量、系統(tǒng)動能、系統(tǒng)勢能

6、、聲能間的轉換關系,以及穩(wěn)態(tài)往復振動過程中的燃弧階段、熄弧階段和觸頭閉合階段的能量轉換過程,并提出了檢驗電磁喇叭能否發(fā)生穩(wěn)態(tài)往復振動過程的合理判據。通過電磁喇叭壽命試驗中監(jiān)測的觸動電流、峰值電流、觸動時間、振動頻率、接觸電阻等性能參數退化規(guī)律,確定了其失效機理及失效原因,為電磁喇叭優(yōu)化設計目標的提出奠定了基礎。
　　最后,基于機械式電磁喇叭虛擬樣機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)、機械系統(tǒng)結