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揚聲器的可靠性和可靠性試驗

2008-06-16
作者:網(wǎng)絡資源

1 引言
??? 在人們的日常活動中,經常會涉及到產品的可靠 性問題。但是可靠性學科的誕生并不久遠,一種說法是 以AGREE——美國軍用電子設備可靠性咨詢組(Ad— visory Group on Reliability of Electronic Equipment) 的報告于1957年7月在美國的發(fā)表為 標志。從那時 起,可靠性技術在4O多年的應用和發(fā)展中,經歷了萌 芽、發(fā)展和成熟的過程Ⅲ。中國從2O世紀5O年代中期 開始建 立了可靠性試驗基地,推動了國產元器件的可 靠性進程,為今天國產元器件廣泛地進入世界市場打 下了良好的基礎。
??? 中國已經成為揚聲器制造大國,但還沒有成為揚 聲器制造強國。隨著產量的劇增,質量和可靠性尚有待 提高。其實揚聲器 的可靠性是中高檔產品的重要特征, 對于這一點,有些揚聲器制造商認識是不夠的,概念也 很模糊。所以要扭轉只重視揚聲器性能指標設計,忽視可靠性設計的傾向,充分認識可靠性的內涵和意義。

2 揚聲器的可靠性
2.1可靠性的定義和適用范圍

??? 揚聲器可靠性的定義是:“揚聲器產品在規(guī)定的條 件下和規(guī)定的時間內,完成規(guī)定功能的能力。 ”它是揚 聲器產品出廠后的時間質量指標,用來描述揚聲器在使用過程中是否易損壞和可靠程度。隨著用戶要求的 提高,揚聲 器結構越來越復雜(如汽車揚聲器),輸出功 率越來越大(如PA揚聲器),使用環(huán)境越來越嚴酷(如 戶外揚聲器),將會導致?lián)P聲器產品的可靠性" title="產品的可靠性">產品的可靠性水平下 降。同時如采用新材料、新工藝或新技術,也會使揚聲 器不可靠的因素增多。
??? 揚聲器的可靠性還可定義為:“揚聲器產品在規(guī)定 的條件下和規(guī)定時間內所允許的故障數(shù)。”數(shù)學表達式 為平均故障間隔時間(MTBF)??烧J為隨機故障是不可 避免和可接受的,也就導致由于設計原因或制造過程 引起的故障,只要在允許數(shù)之內,往往不再作進一步的 追溯。為此,早在1995年國際上就開始對傳統(tǒng)的可靠 性定義和隨機失效無法避免的舊觀念提出了質疑,同 時在可靠性工程中開始推行失效物理方法。在歐洲也 開始用無維修使用期(MFOP)取代原先的MTBF,故障 率浴盆曲線分布規(guī)律隨之被打破[21。因此,結合失效物 理方法和失效分析方法_3_,設計出不存在隨機失效的 揚聲器產品或許不是一種妄想。有相當多的國外企業(yè) 在這方面已進行了有成效的工作。

可靠性定義中的“規(guī)定的條件”決定了可靠性的范 圍很廣,產品的可靠性與產品的工作狀態(tài)、使用條件、 儲存運輸?shù)沫h(huán)境 條件有很大的關系。條件可分為使用 條件和周圍環(huán)境條件兩大類。使用條件是指進入產品 內部而起作用的應力條件,包括各種 電應力、化學應力 和物理應力等。周圍環(huán)境條件包括溫度、濕度、氣壓、有 害氣體、霉菌、鹽霧、沖擊、振動和輻射等各種環(huán)境應力 條件。從這個意義上來說,環(huán)境試驗" title="環(huán)境試驗">環(huán)境試驗也歸屬可靠性試驗 范疇。這些應力條件可以單獨施加也可以綜合施加,綜 合施加對揚聲器產品的可靠性影響將更為顯著。
2.2可靠性技術
2.2.1 降額設計

?? ?降額設計的目的是通過設計,使揚聲器工作時,讓 對揚聲器可靠性影響較大的關鍵部件承受的應力適當 低于常規(guī)水平,從而降低其基本失效率。在揚聲器系統(tǒng) 設計中,降額設計應用得比較普遍。在揚聲器單元設計 時,采用較大面積的定位支片、較大口徑的音圈、引線 及引線的整形設計等都體現(xiàn)了降額設計的思想。

2.2.2 冗余設計

?? ?冗余設計的思想由于成本的關系,在揚聲器或揚 聲器系統(tǒng)的設計中體現(xiàn)得并不充分。多股編織線的應 用或雙定位支片的采用或許可以體現(xiàn)一些冗余設計的 思路。
2.2.3 熱設計
??? 揚聲器的故障率會隨著工作溫度的增加而上升, 為降低失效率,就必須降低工作溫度。Henricksen C. A.從理論上對揚聲器的熱傳導機理作了討論[41。揚聲 器的發(fā)熱原因主要是音囤的發(fā)熱,所以降低揚聲器工 作溫度可以從降低音圈的發(fā)熱和提高音圈和磁路的散 熱著手。
??? 揚聲器的熱沒計方法有:
??? (1)通過在極芯、定位 支片、盆架、紙錐根部、音圈骨架上設計通孑L形成散熱 通道。同時也須注意防止設計不良產生氣流噪聲。
??? (2) 使用磁流體,提高音圈散熱能力。該方法有時不能與方 法(1)并用。
??? (3)使用黑色器件,提高器件的熱輻射和熱 傳導能力。
??? (4)在成本允許的情況下,增加散熱片進行 散熱。
??? (5)對于極高功率且連續(xù)使用的揚聲器,可能需 要采用油冷或水冷技術才能提高可靠性。
??? (6)提高材料 和膠粘劑的耐熱。很多揚聲器設計人員在碰到問題時 會本能地采用這個辦法,但是單純提高材料和膠粘劑 的耐熱并不是好的可靠性設汁思路。因為膠粘劑和材 料的穩(wěn)定性有可能成為揚聲器可靠性提高的不確定因 素。當然,在使用橡膠或塑料部件時,仍需特別關注這 些部件對溫度或溫度沖擊的耐受性。

2.2.4可靠性預計
??? 可靠性預計一直存在爭議,有人提出應使用可靠 性估計這個詞,因為在實踐_中發(fā)現(xiàn)可靠性預計與產品的實際可靠性關聯(lián)很小,缺乏經驗或應用不當只能產 生低劣的設計。在GJB/Z299B一98《電子設備可靠性預 計手冊》圈中,沒有像其它元器件那樣給出揚聲器失效 率數(shù)學模型,而是直接給出揚聲器的工作失效率為 p=O.13xl0~/h。

3 揚聲器的可靠性試驗
??? 由于揚聲器的用戶范圍極廣,揚聲器可靠性的試 驗方法大同小異,但是在試驗應力和失效判據(jù)上存在 一定差異,所以筆者主要從試驗目的、試驗應力和失效 判據(jù)方面作討論。

3.1可靠性試驗分類
??? 可靠性試驗通常分為環(huán)境試驗、壽命試驗、篩選試 驗、現(xiàn)場試驗和鑒定試驗等。揚聲器的可靠性試驗經常接觸到的是環(huán)境試驗、壽命試驗和現(xiàn)場試驗。 揚聲器的最大噪聲功率試驗在某種程度上可以反 映揚聲器可靠性的狀態(tài),但并不是嚴格意義上的可靠 性試驗。然而因為其試驗方法、試驗應力和失效判據(jù) 等,與其它可靠性試驗項目有很大的關聯(lián),一些爭議也 源于對該試驗的認識,需要作一些討論。 該試驗項目的節(jié)目源濾波器常見的有GB,IEC, DIN、JIS、EIA和IHF等,前4項是等效的,有些用戶可 能不是很了解,需要作好解釋。相當多的國外用戶,尤 其是大用戶要求在20 Hz~20 kHz范圍內進行試驗,這 與GB標準的規(guī)定是有區(qū)別的,試驗結果表現(xiàn)為失效 率升高。 、 GB廠r9397—1996《直接輻射式電動揚聲器通用規(guī) 范》閻中對失效判據(jù)的描述是“試驗后應無熱損傷和機 械損傷,并符合4.2要求”。通用規(guī)范" title="通用規(guī)范">通用規(guī)范中4.2要求是對發(fā) 聲異常的判定,發(fā)聲異常是指無聲、碰圈、明顯垃圾聲、 嚴重異常聲和機械聲等。所以試驗失效判據(jù)應該并列 分為兩類,第一類是熱損傷和機械損傷,第二類是發(fā)聲 異常。實際的情況是第二類失效(發(fā)聲異常)發(fā)生時,一 定出現(xiàn)了第一類失效(熱損傷和機械損傷)。第一類失 效(熱損傷和機械損傷)發(fā)生時卻不一定就能明顯覺察 出第二類失效(發(fā)聲異常),例如揚聲器的多股編織線 斷了若干股,已出現(xiàn)打火現(xiàn)象,在特殊環(huán)境下使用已具 備危險性,但是純音檢聽仍能符合通用規(guī)范中4.2要 求。又例如使用塑膠部件的揚聲器,塑膝件出現(xiàn)變形或 熱熔現(xiàn)象,在試驗室條件下純音檢聽也能符合通用規(guī) 范中4.2要求,但是由于實際使用條件或安裝條件的 差異,卻可能使揚聲器塑膠件的該類變形或熱熔現(xiàn)象趨于嚴重而導致失效。所以僅以第二類失效作為該試 驗的失效判據(jù)是片面的,這是產生試驗結果爭議的主 要原因。 有些用戶對試驗前后的揚聲器指標的變化幅度會 提出要求,如諧振頻率、阻抗和靈敏度等,變化幅度如 給得較小,對中低檔揚聲器而言,有相當?shù)碾y度。 試驗后的純音檢聽功率,有相當多的用戶要求在 額定功率下檢聽。

3.2壽命試驗
??? 揚聲器的壽命試驗是揚聲器可靠性試驗的重要內 容,通過這個試驗,可以了解產品的失效規(guī)律、失效率和平均壽命等可靠性特征量。為了解決試驗樣品數(shù)量 和試驗周期的矛盾,可以采用加速壽命試驗。加速壽命 試驗分為恒定應力加速壽命試驗、步進" title="步進">步進應力加速壽命 試驗和序進應力加速壽命試驗。SJ/T10601-94t71((家用 揚聲器可靠性要求及試驗方法》和EIA一426B-1998f8 (Loudspeakers,Optimum Amplifier Power)提供了揚 聲器的壽命試驗和恒定應力加速壽命試驗的方法。 AES2—1984(r2003)t91(AES Recommended Practice Specification.of Loudspeaker Components Used in Professional Audio and Sound Reinforcement)可利用 作為揚聲器步進應力加速壽命試驗的參考。步進應力 加速壽命試驗可以用來確定揚聲器承受安全電應力的 極限水平,在對不同批次或不同廠家的揚聲器進行比 較時,便于探明工藝變化或設計變化對產品性能的影 響。需要注意的是:揚聲器步進應力加速壽命試驗只應 作為揚聲器恒定應力加速壽命試驗的預備試驗或揚聲 器恒定應力加速壽命試驗的補充試驗。 在進行揚聲器壽命試驗時,對試驗樣品的監(jiān)控保 證了試驗結果的準確性。由于揚聲器特別是大功率揚 聲器的特殊性,監(jiān)控通常比較困難。利用PC平臺的試 驗設備可以較好地解決這個問題。國內已開始生產這 種儀器。

3.3機械試驗
??? GB/T9397—1996《直接輻射式電動揚聲器通用規(guī) 范》 規(guī)定了揚聲器的基礎機械試驗內容,可以參照執(zhí)行。但是有些用戶尤其是大的汽車制造商,給出的要求 高于該標準。例如跌落試驗,增加了無包裝跌落項目, 有包裝時跌落方向為一角三邊六面;滑落沖擊試驗,角 A從6O。增加到75。,滑落直線距離從600 mm增加到 l 000 mm;碰撞試驗,增加門撞擊試驗(現(xiàn)場試驗),波 形為近似半正弦波,加速度300 m/s ,持續(xù)時問6 ms,撞擊次數(shù)100 000次,揚聲器垂直安裝。

3.4氣候環(huán)境試驗
??? 氣候環(huán)境試驗主要是指溫濕度試驗。汽車或戶外 揚聲器試驗溫度范圍可能擴大31J-4o-85。C。

3.5溫度循環(huán)沖擊試驗
??? 揚聲器的溫度循環(huán)沖擊試驗是揚聲器的極限應力 試驗的一種。該試驗的目的是評價揚聲器承受極端高 溫與極端低溫的能力,以及極端高溫與極端低溫的交 替變化對揚聲器的影響。由于揚聲器設計或工藝的原 因,不少揚聲器在這個項目上會出現(xiàn)失效。例如布折環(huán) 會出現(xiàn)變形等。對于不同的客戶,該試驗的應力及應力 施加周期會不同。不同的應力及應力施 加周期會得出 不同的結果,相互問并不具備可比性。

3.6 鹽霧試驗和交變鹽霧試驗
??? 揚聲器鹽霧試驗㈣的試驗目的存在認識上的誤 區(qū),與廣泛持有的觀點相反,該試驗不是模擬海洋大氣 的影響,而是主要用來評價保護涂層的質量和均勻 性。 模擬海洋大氣影響的試驗是交變鹽霧試驗l11】。交 變鹽霧試驗的嚴酷等級分為6級。其中3-6級適用于 在含鹽大氣和干燥大氣頻繁交替使 用的產品,例如汽 車及汽車零部件。目前,揚聲器該類試驗的失效判據(jù)沒 有統(tǒng)一認識,令人頗為困擾。

3.7太陽輻射" title="太陽輻射">太陽輻射試驗
??? 揚 聲器的太陽輻射試驗口 是評價太陽輻射對戶外 或汽車揚聲器所產生的熱效應或光化學效應,試驗溫 度低溫25。C,高溫40。c或 55。C。主要失效是外觀和機 械失效,特別是揚聲器的塑膠部件和帶涂層塑膠部件。 該試驗實施前提是揚聲器產品在使用時暴露 在太陽輻 射下。所以要求揚聲器做太陽輻射試驗的客戶并不是 很多。

3.8淋雨試驗
?? 主要用來觀察汽車或戶外揚聲器對水的滲透性和 密封性。通常揚聲器廠不具備淋雨試驗的主要試驗設 備下雨室,所以該試驗一般由整車廠完成。整車廠根據(jù) 試驗結果將揚聲器分成不能暴露于水、有滲水性、無滲 水性和防水等若干等級,然后按照揚聲器在汽車上使 用部位的不同,選擇不同等級 的揚聲器。

3.9其它試驗
??? 氣壓、有害氣體、霉菌和粉塵試驗基本上未在揚聲 器上實施。限于篇幅,不再贅述。

4 揚聲器的可靠性試驗設計
??? 為了評估產品的可靠性,必須采用合理的試驗方 案,不同的試驗方案會得出不同的結果,相互問并不具備可比性。有時為了盡快找出問題,需要進行加速試驗 或極限應力試驗,做這些試驗時,要注意應力的增加不 要破壞原有的失效分布規(guī)律,否則加速試驗或極限應 力試驗的結果是可疑的??煽啃栽囼炘O計應包括試驗 樣本的規(guī)定、試驗條件的確定、試驗截止時間的確定、 測量周期的確定和失效判據(jù)的確定等幾個方面。

5 結束語
??? 可靠性學科和可靠性物理學是成熟較晚的學科, 揚聲器在可靠性方面尚有很大的研究空間。揚聲器可 靠性技術應該貫穿于揚聲器的整個壽命期內,在產品 的設計和制造階段進行可靠性工作,對于提高產品的 固有可靠性十分重要。在進行可靠性試驗工作前,揚聲 器制造商可能需要與用戶開展充分的溝通,便于可靠 性工作的順利開展。

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