作者：Akira Shigeta，揚聲器工程師，JVC KENWOOD，日本東京

翻譯：上海安世亞太

 

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前言

如今，消費者們更需要具有高音頻保真度的小型揚聲器。因此，提供這些產品的公司必須不斷創新，以開發出在各種各樣的環境中都能可靠地提供最好音質的揚聲器。在這種情況下，通過對音圈進行參數分析，仿真可大大滿足這種穩健的設計目標。

JVC KENWOOD服務于：汽車電子設備、專業系統、家庭和移動電子設備以及娛樂市場。過去，該公司的汽車揚聲器系統設計是在物理原型構建和測試下推動的，這一過程耗時且高成本，限制了研發團隊可評估其他設計方案的數量。現在，在構建原型之前，JVC KENWOOD使用Ansys電磁軟件來確定擬議設計的磁通密度分布和其他關鍵參數。工程師在Ansys Workbench中處理參數和設計點，以快速迭代大量潛在設計方案以生成最優設計。

最終結果是：該公司大幅降低了原型成本，縮短了上市時間，提高了產品性能，并削減了材料成本。

 

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汽車揚聲器設計挑戰

當振動膜的振蕩運動引起相應的氣壓振蕩時，音頻揚聲器就會發出聲音。振動膜運動是由音圈電機（VCM）裝置產生的。它包括一個包含磁通量流過的環形氣隙的永磁體組件和位于該氣隙中的纏繞線圈。線圈中流動的電流產生洛倫茲力，導致線圈及其連接的振動膜發生移動。

增加磁路間隙中的磁通量會增加揚聲器的驅動力。盡管更高的磁通量并不意味著更好的音質，但更高的磁通量和更大的驅動力具有顯著的設計優勢，使工程師能夠提供更好的音頻性能、更大的音量、更寬的頻率響應以及更小更輕的設計。

過去，JVC KENWOOD的工程師手算確定磁路間隙中的磁通密度。然而，由于沒有將系統幾何考慮在內，這些一維計算的準確度有限。因此，該公司通常需要為每種設計方案制作大約10個原型，以便深入了解磁通密度分布和其他性能參數。如果原型的性能不夠好，那么就需要花費額外的時間和金錢來重新設計和生產新的原型。

 

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設計工程師進行仿真

在Ansys Workbench環境下，可以方便使用CAD幾何進行電磁（EM）仿真。Ansys電磁軟件易于使用，且提供的結果便于查看和理解。設計工程師可以仿真揚聲器的性能，而無需分析專家參與設計過程。Ansys電磁工具可以仿真導電和電容系統中的低頻電流和電場，以及由電流源和永磁體產生的磁場。它可以對力、轉矩、電感、焦耳損耗、漏磁場、飽和和磁場強度一系列數據進行自動計算。

JVC KENWOOD的工程師們首先將他們的CAD幾何圖形導入到Ansys DesignModeler中。通過調整設計參數，使設計方案更新迭代。然后利用Ansys Emag進行低頻磁仿真。仿真有助于直觀的反映磁路的性能，特別是磁通密度分布。與其說汽車揚聲器的設計是一門科學，倒不如視其為一門藝術，但仿真可以幫助工程師更好地理解是如何執行概念設計的；它也有助于指導研發團隊做進一步的改進。仿真通常有助于找到突破性的設計方案，沒有仿真，即使是設計專家也想象不出這些概念。

一般來說，工程師首先根據他們的經驗創造一些設計，然后運行仿真來確定性能。這種類型的研究有助于工程師將設計轉移到他或她希望實現的領域，但通常不會接近最佳設計。例如，通過這些早期的模擬，工程師可能會考慮將永磁體放在音圈內的設計，而不是放在音圈外的設計。他們可能會考慮使用不同的永磁體材料，如鐵氧體、鋁鎳鈷合金或釹。鐵氧體不能放在音圈內部，因此只適合外部永磁體設計。鋁鎳鈷合金和釹通常在具有更高和更窄幾何結構的音圈內效果最好。

JVC KENWOOD旗下的汽車電子集團以開發優質的揚聲器而聞名。正如autos.com上的一篇評論所說，“KENWOOD eXcelon技術......根據聲音范圍提供了更好的音質，以及更高質量的零件和精湛的工藝。KENWOOD汽車揚聲器已經為您提供了很好的聲音體驗，但一旦您在揚聲器中加入eXcelon技術，你會驚訝于后者所能提供的聲音范圍的差異，以及您可以在一首歌中聽到以前似乎沒有的東西。”

圖2 揚聲器零件

 

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迭代到最優設計

下一步是優化永磁體設計，特別是通過改善揚聲器電路間隙中的磁通量。工程師選擇最重要的設計參數，如永磁體厚度、內徑和外徑。他們在Ansys Workbench中將這些設計參數設置為設計點，然后運行參數分析以研究假設情景。它們定義了要在設計點表格中探討的一系列值。當用戶單擊“更新所有設計點（Update All Design Points ）”按鈕時，第一個設計點（帶有第一組參數值）被發送到Workbench參數管理器。這推動了模型從CAD系統到后處理的更改。

圖3 磁路幾何形狀

圖4 磁路幾何仿真結果顯示了在磁路上標示的磁通量

對新的設計點進行了仿真，并將輸出結果傳遞到存儲數據的設計點表中。這個過程一直持續到所有的設計點都被解決，從而定義了以后可以被優化的設計空間。

下一步是優化磁路，磁路由永磁體、T鐵和夾板組成。這里的設計參數是T鐵和夾板的寬度、厚度和外部參數。假設分析提供的結果有助于工程師快速找到滿足所有要求的最佳設計方案。

電磁仿真和設計優化使JVC KENWOOD能夠大幅度提升汽車揚聲器系統的性能。從技術角度來看，工程師可以輕松提出新的想法，例如全新的磁路形狀，而無需花費時間和成本來構建原型。從商業角度來看，工程仿真有助于降低原型、生產成本以及縮短上市時間。JVC KENWOOD已經大幅削減了一個典型項目的原型數量——從過去的10個減少到今天的兩三個?，F在上市時間縮短了約一個月，占整個產品開發過程的10%。在沒有增加成本的情況下，揚聲器中的磁通量密度增加了5%。最后，揚聲器的材料量減少了40%，這意味著材料成本降低。

在這項工作中，JVC KENWOOD得到了Ansys渠道合作伙伴Cybernet Systems的支持。

 

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參數研究的最新解決方案

在最新的Ansys版本中，一個新的授權產品是Ansys HPC Parametric Pack。此產品擴展了單個應用程序的可用許可證（預處理、網格劃分、求解、高性能計算、后處理），從而在允許只使用一組應用程序許可證的同時執行多個設計點。

左圖：工程師將設計參數定義為設計點，以設置設計優化

右圖：對優化圖上的每一行參數進行仿真