高科技設(shè)備中充滿了傳感器和天線。傳感器主要包括加速度計、心率監(jiān)測器、高度計和麥克風(fēng)。天線則包括蜂窩、WiFi和衛(wèi)星天線。這些元器件中的許多，就其本質(zhì)而言，都高度敏感，其輸出可能會受到設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的局部噪聲和振動的影響。

壓電效應(yīng)、洛倫茲力和磁致伸縮都可能導(dǎo)致電子元器件振動。如果這些振動與印刷電路板（PCB）的機械諧振相互作用，整個電路板都可能振動。這些振動雖然不太可能被聽到，但它們可能會干擾傳感器及其他敏感電子元器件，影響如智能手表、醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)儀器和精密制造機械等設(shè)備的正常工作。

通過本文，我們將展示耦合物理場虛擬孿生如何仿真電磁、結(jié)構(gòu)和振動聲學(xué)效應(yīng)，以及導(dǎo)致振動干擾的因果耦合關(guān)系。通過這種詳細(xì)的分析，工程師可以適當(dāng)采取設(shè)計變更來減輕振動。

電子元器件產(chǎn)生振動的原因

由電容器嗡鳴引起的PCB振動

振蕩信號在電子學(xué)中被廣泛使用，無論是在電源中，還是在模擬和數(shù)字信號傳輸中。電子產(chǎn)品中一些常用元器件由于幾種物理現(xiàn)象，容易受到這些信號引起的振動影響。

通常情況下，這些振動可以忽略不計。然而，如果元器件安裝在PCB上，電路板可能成為一個諧振器，從而顯著放大這種效應(yīng)。振動可能會傳導(dǎo)至其它元器件，并可能對其功能產(chǎn)生不利影響。

壓電效應(yīng)

多層陶瓷電容器（MLCC）廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域，包括去耦、濾波和時序電路，并因其尺寸小和可靠性高等優(yōu)點而備受青睞。MLCC使用了具有壓電效應(yīng)的材料。壓電效應(yīng)是一種現(xiàn)象，即某些材料在受到機械應(yīng)力時會產(chǎn)生電荷。反之，這些材料在受到電場作用時也會發(fā)生機械變形。當(dāng)施加振蕩信號時，這便可能引起振動。

磁致伸縮

在電源電子設(shè)備中常見的一種類似效應(yīng)，由于一種名為磁致伸縮的現(xiàn)象，會發(fā)生在電感器和變壓器的鐵氧體磁芯等磁性材料內(nèi)部。當(dāng)材料被磁化時，磁偶極子會旋轉(zhuǎn)以與磁場對齊。這會在材料的磁性層面產(chǎn)生應(yīng)變，并導(dǎo)致其伸長。當(dāng)施加振蕩信號時，這便可能引起振動。

洛倫茲力

另一個潛在的振動原因是洛倫茲力。與麥克斯韋方程組一樣，洛倫茲力是電磁學(xué)的基本組成部分。它通常被稱為磁力，在電機和發(fā)電機中被廣泛應(yīng)用，其中磁場中的載流導(dǎo)體會受到力的作用。這種效應(yīng)可以在電感器和線圈等電子元器件中，在有振蕩信號存在的情況下觀察到。同樣，這也會引起不必要的振動。

PCB上的振動的不良影響

可聽噪聲

振動引起的一個問題是噪聲。如果振動處于可聽頻率范圍內(nèi)，它可能會被感知為嗡嗡聲。例如，變壓器發(fā)出的嗡嗡聲就是由磁致伸縮引起的常見噪聲投訴。通常，可聽效應(yīng)在更大功率的電子設(shè)備中更為常見。

電磁干擾

振動還可能通過一種稱為“麥克風(fēng)效應(yīng)”的現(xiàn)象引起電磁干擾。麥克風(fēng)常利用壓電效應(yīng)將振動轉(zhuǎn)化為電信號。MLCC的行為就像微型麥克風(fēng)，將振動轉(zhuǎn)化為電信號。這在音頻系統(tǒng)中尤其明顯，會在聲音輸出中產(chǎn)生不必要的嗡響。

傳感器干擾

越來越多的設(shè)備搭載了高精度傳感器。這些傳感器常見于智能手表和其它可穿戴醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)儀器以及高精度制造機械中——例如，半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備。振動會干擾傳感器，導(dǎo)致輸出中出現(xiàn)噪聲，從而限制傳感器的精度。

應(yīng)變與開裂

振動還會在材料內(nèi)部引起應(yīng)力。隨著時間的推移，這些應(yīng)力會削弱元器件并導(dǎo)致其提前失效。特別關(guān)鍵的一點是，PCB可能會在高應(yīng)力點周圍開裂，連接器可能松動，焊點也可能失效。

通過仿真分析并減輕PCB元器件振動

為了找到解決方案，工程師需要研究元器件振動和PCB諧振，以期通過精心設(shè)計來最大限度地減少干擾和噪聲。仿真可以在設(shè)備的“虛擬孿生”上揭示振動源，從而在開發(fā)過程的早期就識別并解決問題。這意味著問題可以在無需構(gòu)建和測試實體樣機的情況下得到發(fā)現(xiàn)，從而加速開發(fā)進(jìn)程并降低開發(fā)成本。

工程師可以通過3DEXPERIENCE平臺，利用達(dá)索系統(tǒng)的SIMULIA軟件仿真工具，采用多物理場工作流程。這提供了一個集成環(huán)境，將多種基于物理場的仿真工具整合在一個共享環(huán)境中。

電磁仿真

線圈中的洛倫茲力仿真

仿真工作流程的第一步是建立仿真模型。來自電子設(shè)計自動化（EDA）工具的PCB布局被導(dǎo)入CST Studio Suite，自動提取一個3D仿真模型。用戶為系統(tǒng)定義輸入信號。然后，電磁仿真計算出元器件內(nèi)的電流、場和洛倫茲力，這些都可以輕松地進(jìn)行可視化。

結(jié)構(gòu)仿真

PCB上的諧振

隨后，3D模型及相關(guān)場被導(dǎo)入SIMULIA Abaqus進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真。Abaqus可以建模電容器的壓電特性以及由磁致伸縮和洛倫茲力引起的應(yīng)變。PCB結(jié)構(gòu)的諧振模態(tài)也可以被計算出來。然后，振動源可以用于在耦合仿真中驅(qū)動PCB諧振，以計算空間速度場。

振動聲學(xué)仿真

振動PCB周圍的聲壓級

之后，空間速度場被導(dǎo)出到振動聲學(xué)工具SIMULIA Wave6中。該工具計算PCB的振動場、聲輻射模式以及探測點的聲壓級（SPL）。借此，工程師可以了解振動如何耦合到其他傳感器，以及可以感知到何種噪聲。

改進(jìn)設(shè)計

仿真結(jié)果使PCB設(shè)計師能夠識別潛在問題并迅速解決它們。設(shè)計師可以比較不同噪聲抑制產(chǎn)品和元器件在PCB上布局的效果。他們還可以識別PCB上潛在的失效點，并優(yōu)化PCB的布局和尺寸，以承受其預(yù)期操作環(huán)境中的振動應(yīng)力。在制作實體樣機之前主動解決傳感器失效、元器件松動或焊點疲勞等潛在問題，可以有效提高設(shè)備的可靠性。

如果識別出振動問題，工程師可以使用以下幾種方法來改進(jìn)PCB布局：

01在條件允許的情況下，調(diào)整振動源和受影響傳感器的位置，將這些敏感元器件移離PCB在諧振頻率下的高應(yīng)變區(qū)域。

02使用噪聲抑制元器件，如橡膠阻尼器，也可以減少振動。

03變換固定PCB的安裝點和螺絲。

04調(diào)整PCB的尺寸或形狀以消除諧振。

結(jié)論

PCB上的振動會導(dǎo)致不必要的噪聲和元器件之間的干擾。仿真可以揭示振動的來源，并幫助設(shè)計師制定對策。理解PCB振動需要一種綜合的物理學(xué)方法，將電磁、結(jié)構(gòu)和振動聲學(xué)仿真方法集成到電子設(shè)計自動化（EDA）工作流程中。達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA工具為PCB振動分析提供了完整的多物理場工作流程。通過使用仿真，PCB設(shè)計師可以在無需耗費成本構(gòu)建和測試實體樣機的情況下識別問題并找到解決方案。使用仿真可以加速PCB設(shè)計，并降低問題在開發(fā)后期或發(fā)布后出現(xiàn)的風(fēng)險。