仿真案例｜JVC KENWOOD汽车电子扬声器声学案例

上海安世亚太 2021年12月28日浏览：1207

作者：Akira Shigeta，扬声器工程师，JVC KENWOOD，日本东京

翻译：上海安世亚太

前言

如今，消费者们更需要具有高音频保真度的小型扬声器。因此，提供这些产品的公司必须不断创新，以开发出在各种各样的环境中都能可靠地提供最好音质的扬声器。在这种情况下，通过对音圈进行参数分析，仿真可大大满足这种稳健的设计目标。

JVC KENWOOD服务于：汽车电子设备、专业系统、家庭和移动电子设备以及娱乐市场。过去，该公司的汽车扬声器系统设计是在物理原型构建和测试下推动的，这一过程耗时且高成本，限制了研发团队可评估其他设计方案的数量。现在，在构建原型之前，JVC KENWOOD使用Ansys电磁软件来确定拟议设计的磁通密度分布和其他关键参数。工程师在Ansys Workbench中处理参数和设计点，以快速迭代大量潜在设计方案以生成最优设计。

最终结果是：该公司大幅降低了原型成本，缩短了上市时间，提高了产品性能，并削减了材料成本。

汽车扬声器设计挑战

当振动膜的振荡运动引起相应的气压振荡时，音频扬声器就会发出声音。振动膜运动是由音圈电机（VCM）装置产生的。它包括一个包含磁通量流过的环形气隙的永磁体组件和位于该气隙中的缠绕线圈。线圈中流动的电流产生洛伦兹力，导致线圈及其连接的振动膜发生移动。

增加磁路间隙中的磁通量会增加扬声器的驱动力。尽管更高的磁通量并不意味着更好的音质，但更高的磁通量和更大的驱动力具有显著的设计优势，使工程师能够提供更好的音频性能、更大的音量、更宽的频率响应以及更小更轻的设计。

过去，JVC KENWOOD的工程师手算确定磁路间隙中的磁通密度。然而，由于没有将系统几何考虑在内，这些一维计算的准确度有限。因此，该公司通常需要为每种设计方案制作大约10个原型，以便深入了解磁通密度分布和其他性能参数。如果原型的性能不够好，那么就需要花费额外的时间和金钱来重新设计和生产新的原型。

设计工程师进行仿真

在Ansys Workbench环境下，可以方便使用CAD几何进行电磁（EM）仿真。Ansys电磁软件易于使用，且提供的结果便于查看和理解。设计工程师可以仿真扬声器的性能，而无需分析专家参与设计过程。Ansys电磁工具可以仿真导电和电容系统中的低频电流和电场，以及由电流源和永磁体产生的磁场。它可以对力、转矩、电感、焦耳损耗、漏磁场、饱和和磁场强度一系列数据进行自动计算。

JVC KENWOOD的工程师们首先将他们的CAD几何图形导入到Ansys DesignModeler中。通过调整设计参数，使设计方案更新迭代。然后利用Ansys Emag进行低频磁仿真。仿真有助于直观的反映磁路的性能，特别是磁通密度分布。与其说汽车扬声器的设计是一门科学，倒不如视其为一门艺术，但仿真可以帮助工程师更好地理解是如何执行概念设计的；它也有助于指导研发团队做进一步的改进。仿真通常有助于找到突破性的设计方案，没有仿真，即使是设计专家也想象不出这些概念。

一般来说，工程师首先根据他们的经验创造一些设计，然后运行仿真来确定性能。这种类型的研究有助于工程师将设计转移到他或她希望实现的领域，但通常不会接近最佳设计。例如，通过这些早期的模拟，工程师可能会考虑将永磁体放在音圈内的设计，而不是放在音圈外的设计。他们可能会考虑使用不同的永磁体材料，如铁氧体、铝镍钴合金或钕。铁氧体不能放在音圈内部，因此只适合外部永磁体设计。铝镍钴合金和钕通常在具有更高和更窄几何结构的音圈内效果最好。

JVC KENWOOD旗下的汽车电子集团以开发优质的扬声器而闻名。正如autos.com上的一篇评论所说，“KENWOOD eXcelon技术......根据声音范围提供了更好的音质，以及更高质量的零件和精湛的工艺。KENWOOD汽车扬声器已经为您提供了很好的声音体验，但一旦您在扬声器中加入eXcelon技术，你会惊讶于后者所能提供的声音范围的差异，以及您可以在一首歌中听到以前似乎没有的东西。”

图2 扬声器零件

迭代到最优设计

下一步是优化永磁体设计，特别是通过改善扬声器电路间隙中的磁通量。工程师选择最重要的设计参数，如永磁体厚度、内径和外径。他们在Ansys Workbench中将这些设计参数设置为设计点，然后运行参数分析以研究假设情景。它们定义了要在设计点表格中探讨的一系列值。当用户单击“更新所有设计点（Update All Design Points ）”按钮时，第一个设计点（带有第一组参数值）被发送到Workbench参数管理器。这推动了模型从CAD系统到后处理的更改。

图3 磁路几何形状

图4 磁路几何仿真结果显示了在磁路上标示的磁通量

对新的设计点进行了仿真，并将输出结果传递到存储数据的设计点表中。这个过程一直持续到所有的设计点都被解决，从而定义了以后可以被优化的设计空间。

下一步是优化磁路，磁路由永磁体、T铁和夹板组成。这里的设计参数是T铁和夹板的宽度、厚度和外部参数。假设分析提供的结果有助于工程师快速找到满足所有要求的最佳设计方案。

电磁仿真和设计优化使JVC KENWOOD能够大幅度提升汽车扬声器系统的性能。从技术角度来看，工程师可以轻松提出新的想法，例如全新的磁路形状，而无需花费时间和成本来构建原型。从商业角度来看，工程仿真有助于降低原型、生产成本以及缩短上市时间。JVC KENWOOD已经大幅削减了一个典型项目的原型数量——从过去的10个减少到今天的两三个。现在上市时间缩短了约一个月，占整个产品开发过程的10%。在没有增加成本的情况下，扬声器中的磁通量密度增加了5%。最后，扬声器的材料量减少了40%，这意味着材料成本降低。

在这项工作中，JVC KENWOOD得到了Ansys渠道合作伙伴Cybernet Systems的支持。