报警器噪声分析及优化
研究背景
在高音质蜂鸣器的现代设计中，为改善声辐射效果，常将蜂鸣器单元安装在密闭的壳体内部，组成闭箱式报警器系统。蜂鸣器声学设计方法主要是经验法。设计者凭借经验并借助粗略的简化公式推算，通过样品设计、试制、测试、再修改设计、再试制、再测试的迭代过程完成。这往往需要长时间反复尝试和调整才能设计出一个好的蜂鸣器。随着计算机性能的提高，数值方法提供了一种有效的替代手段，可评价已有蜂鸣器的声学性能并能对钢片、陶瓷等部件的优化设计提供指导性意见。
本文介绍利用专业声学软件Actran对压电式报警器声学问题的详细计算流程，并对比Actran的计算与测试结果。结果表明，计算值与测量值有很好的一致性，说明Actran软件可满足压电式报警器设计中对声学模拟的需求（宽频带的声固耦合声辐射问题），可显著减少模型试验次数，并能对设计方案提供指导意见和改进建议。基于数值模拟方法的声学设计可以逐步取代或者部分取代经验设计，可高效的用于指导报警器的声学性能设计。
数值计算模型
报警器用蜂鸣器处于空气介质中，由于内置压电陶瓷片，当压电陶瓷受外部电压激励时会产生振动并向外部空间辐射声，空气是声传播的媒介也将声压反作用于压电陶瓷片，形成流固耦合的系统。针对安装在障板上的蜂鸣器，建立弹性结构有限元模型和外部的声学流体有限元模型。远场的声传播和辐射条件利用Actran提供的无限元技术模拟，障板的声散射效应利用刚性壁面模拟。本案例蜂鸣器的典型结构组成如图1所示，包括蜂鸣片、压电陶瓷、ABS壳体等部件。蜂鸣器外接电路给压电陶瓷施加电压激励，使得压电材料及钢片复合体振动，从而对外辐射声音。
图1 蜂鸣器示意图
本文计算的频段范围为20-5000Hz。网格尺度按照以下原则确定：最高计算频率对应的结构弯曲波波长范围至少6个结构单元，声波波长范围至少有6个流体单元。其中，钢片采用shell单元模拟，流体采用四面体单元模拟。图2为计算采用的蜂鸣器声学数值计算网格模型。
图2 声学计算模型示意图
计算结果及分析
利用Actran的压电陶瓷计算功能，可以在压电陶瓷上直接加电压激励，将电信号转化为振动激励力加载到钢片上，从而产生振动而对外辐射噪声。由于电声部件声辐射问题与其模态相关性较大，因此，这里给出了其前几阶模态计算结果，可以发现：（1）在3300Hz处，钢片及陶瓷中心振动形态表现为中心振动，该振动形态的声辐射效率较高，将对声辐射起主要作用；（2）在其它频率点处，振动形态更多表现为边缘振动，对出音口声辐射作用影响不大。
（a）一阶模态振型：441Hz （b）二阶模态振型：1549Hz
（c）三阶模态振型：1822Hz （d）四阶模态振型：2672Hz
（e）五阶模态振型：3315Hz
图3 蜂鸣器模态分析结果
经过声学频响分析设置与求解后，得到声辐射结果，这里提取蜂鸣器声辐射云图如下：
（a）声压级分布云图：2500Hz
（b）声压级分布云图：3300Hz
（c）声压级分布云图：3600Hz
图3 蜂鸣器声辐射云图（单位：dBA）
通过结果后处理，得到麦克风测点仿真与实测频谱曲线对比如下图所示：
图4 场点频谱对比曲线
通过观察云图及声压频谱结果，可以发现：
（1）声音在前腔内部最大，由腔体内部往外辐射时呈现逐渐减少的趋势，腔体内部声压级达到130dB以上，甚至更高。
（2）在蜂鸣器出音口正前方监测点3m处，发现在3400Hz左右声压级最大，这主要是由于3300Hz左右的结构模态在该处产生了共振导致辐射较强的声压。
（3）仿真与实测结果对比趋势基本一致，最大声压级均出现在3300Hz附近，且幅值接近，仿真误差满足工程要求。
在进行了仿真对标后，接下来对腔体尺寸如何影响蜂鸣器声辐射特性规律进行分析，下图即为研究不同孔径位置及区域示意图。
图5 模型参数改变位置示意图
通过仿真后发现，改变腔体尺寸后，声辐射强度会有较大的变化，结合产品特性及声学理论知识综合分析发现，改变腔体尺寸会改变腔体空气的谐振频率，因此，通过设计合适的腔体尺寸可以达到增强辐射声压的能力。
图6 不同腔体尺寸频响曲线对比
总结
蜂鸣器的声学数值模拟属于典型的具有宽频带的声固耦合问题，对于这类问题的模拟，一般需要借助有限元法才能准确的模拟（结构、内部声腔和外声学组件等细节可以很好的表征出来）。本文利用专业有限元声学计算软件Actran开展了压电式蜂鸣器辐射声场的影响分析。结果表明，Actran能够有效处理压电式设计中的声学问题。在此基础上，可以继续完成后续的分析内容：
（1）腔体如何影响蜂鸣器系统的声学特性？该如何设计合适的声学背腔外形及尺寸以获得较高声强的辐射特性？
（2）蜂鸣器一般用于报警器产品中，蜂鸣器的声辐射特性直接决定了报警器的声学性能，但是当把蜂鸣器单元放置在报警器壳体中，壳体结构会进一步影响蜂鸣器的声辐射特性，因此，有必要继续深入研究分析壳体及其结构模态特性对声辐射特性的影响。