- 揚(yáng)聲器的可靠性定義
- 可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)
- 揚(yáng)聲器的可靠性試驗(yàn)
- 降額設(shè)計(jì)
- 冗余設(shè)計(jì)
- 熱設(shè)計(jì)
在人們的日?；顒?dòng)中，經(jīng)常會(huì)涉及到產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題。但是可靠性學(xué)科的誕生并不久遠(yuǎn)，中國(guó)從2O世紀(jì)5O年代中期開(kāi)始建立了可靠性試驗(yàn)基地，推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)元器件的可靠性進(jìn)程，為今天國(guó)產(chǎn)元器件廣泛地進(jìn)入世界市場(chǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。
隨著產(chǎn)量的劇增，質(zhì)量和可靠性尚有待提高。其實(shí)揚(yáng)聲器的可靠性是中高檔產(chǎn)品的重要特征，對(duì)于這一點(diǎn)，有些揚(yáng)聲器制造商認(rèn)識(shí)是不夠的，概念也很模糊。所以要扭轉(zhuǎn)只重視揚(yáng)聲器性能指標(biāo)設(shè)計(jì)，忽視可靠性設(shè)計(jì)的傾向，充分認(rèn)識(shí)可靠性的內(nèi)涵和意義。
揚(yáng)聲器的可靠性
1可靠性的定義和適用范圍
揚(yáng)聲器可靠性的定義是：“揚(yáng)聲器產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。”它是揚(yáng)聲器產(chǎn)品出廠后的時(shí)間質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)描述揚(yáng)聲器在使用過(guò)程中是否易損壞和可靠程度。隨著用戶要求的提高，揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜(如汽車(chē)揚(yáng)聲器)，輸出功率越來(lái)越大(如PA揚(yáng)聲器)，使用環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)酷(如戶外揚(yáng)聲器)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)P聲器產(chǎn)品的可靠性水平下降。同時(shí)如采用新材料、新工藝或新技術(shù)，也會(huì)使揚(yáng)聲器不可靠的因素增多。
揚(yáng)聲器的可靠性還可定義為：“揚(yáng)聲器產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)所允許的故障數(shù)。”數(shù)學(xué)表達(dá)式為平均故障間隔時(shí)間(MTBF)?？烧J(rèn)為隨機(jī)故障是不可避免和可接受的，也就導(dǎo)致由于設(shè)計(jì)原因或制造過(guò)程引起的故障，只要在允許數(shù)之內(nèi)，往往不再作進(jìn)一步的追溯。為此，早在1995年國(guó)際上就開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)的可靠性定義和隨機(jī)失效無(wú)法避免的舊觀念提出了質(zhì)疑，同時(shí)在可靠性工程中開(kāi)始推行失效物理方法。在歐洲也開(kāi)始用無(wú)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。因此，結(jié)合失效物理方法和失效分析方法，設(shè)計(jì)出不存在隨機(jī)失效的揚(yáng)聲器產(chǎn)品或許不是一種妄想。有相當(dāng)多的國(guó)外企業(yè)在這方面已進(jìn)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(chǎn)品的可靠性與產(chǎn)品的工作狀態(tài)、使用條件、儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境條件有很大的關(guān)系。條件可分為使用條件和周?chē)h(huán)境條件兩大類。使用條件是指進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部而起作用的應(yīng)力條件，包括各種電應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力和物理應(yīng)力等。周?chē)h(huán)境條件包括溫度、濕度、氣壓、有害氣體、霉菌、鹽霧、沖擊、振動(dòng)和輻射等各種環(huán)境應(yīng)力條件。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，環(huán)境試驗(yàn)也歸屬可靠性試驗(yàn)范疇。這些應(yīng)力條件可以單獨(dú)施加也可以綜合施加，綜合施加對(duì)揚(yáng)聲器產(chǎn)品的可靠性影響將更為顯著。
2可靠性技術(shù)
2．1降額設(shè)計(jì)
降額設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)設(shè)計(jì)，使揚(yáng)聲器工作時(shí)，讓對(duì)揚(yáng)聲器可靠性影響較大的關(guān)鍵部件承受的應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀诔Ｒ?guī)水平，從而降低其基本失效率。在揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，降額設(shè)計(jì)應(yīng)用得比較普遍。在揚(yáng)聲器單元設(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)計(jì)等都體現(xiàn)了降額設(shè)計(jì)的思想。
2．2冗余設(shè)計(jì)
冗余設(shè)計(jì)的思想由于成本的關(guān)系，在揚(yáng)聲器或揚(yáng)聲器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)得并不充分。多股編織線的應(yīng)用或雙定位支片的采用或許可以體現(xiàn)一些冗余設(shè)計(jì)的思路。
2．3熱設(shè)計(jì)
揚(yáng)聲器的故障率會(huì)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。HenricksenC．A．從理論上對(duì)揚(yáng)聲器的熱傳導(dǎo)機(jī)理作了討論[41。揚(yáng)聲器的發(fā)熱原因主要是音囤的發(fā)熱，所以降低揚(yáng)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(yáng)聲器的熱沒(méi)計(jì)方法有：
(1)通過(guò)在極芯、定位支片、盆架、紙錐根部、音圈骨架上設(shè)計(jì)通孑L形成散熱通道。同時(shí)也須注意防止設(shè)計(jì)不良產(chǎn)生氣流噪聲。
(2)使用磁流體，提高音圈散熱能力。該方法有時(shí)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(dǎo)能力。
(4)在成本允許的情況下，增加散熱片進(jìn)行散熱。
(5)對(duì)于極高功率且連續(xù)使用的揚(yáng)聲器，可能需要采用油冷或水冷技術(shù)才能提高可靠性。
(6)提高材料和膠粘劑的耐熱。很多揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)人員在碰到問(wèn)題時(shí)會(huì)本能地采用這個(gè)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(shè)汁思路。因?yàn)槟z粘劑和材料的穩(wěn)定性有可能成為揚(yáng)聲器可靠性提高的不確定因素。當(dāng)然，在使用橡膠或塑料部件時(shí)，仍需特別關(guān)注這些部件對(duì)溫度或溫度沖擊的耐受性。
2．4可靠性預(yù)計(jì)
可靠性預(yù)計(jì)一直存在爭(zhēng)議，有人提出應(yīng)使用可靠性估計(jì)這個(gè)詞，因?yàn)樵趯?shí)踐_中發(fā)現(xiàn)可靠性預(yù)計(jì)與產(chǎn)品的實(shí)際可靠性關(guān)聯(lián)很小，缺乏經(jīng)驗(yàn)或應(yīng)用不當(dāng)只能產(chǎn)生低劣的設(shè)計(jì)。在GJB／Z299B一98《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》圈中，沒(méi)有像其它元器件那樣給出揚(yáng)聲器失效率數(shù)學(xué)模型，而是直接給出揚(yáng)聲器的工作失效率為p=O．13xl0~／h。
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揚(yáng)聲器的可靠性試驗(yàn)
由于揚(yáng)聲器的用戶范圍極廣，揚(yáng)聲器可靠性的試驗(yàn)方法大同小異，但是在試驗(yàn)應(yīng)力和失效判據(jù)上存在一定差異，所以筆者主要從試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)應(yīng)力和失效判據(jù)方面作討論。
1可靠性試驗(yàn)分類
可靠性試驗(yàn)通常分為環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、篩選試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)等。揚(yáng)聲器的可靠性試驗(yàn)經(jīng)常接觸到的是環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。揚(yáng)聲器的最大噪聲功率試驗(yàn)在某種程度上可以反映揚(yáng)聲器可靠性的狀態(tài)，但并不是嚴(yán)格意義上的可靠性試驗(yàn)。然而因?yàn)槠湓囼?yàn)方法、試驗(yàn)應(yīng)力和失效判據(jù)等，與其它可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目有很大的關(guān)聯(lián)，一些爭(zhēng)議也源于對(duì)該試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，需要作一些討論。
該試驗(yàn)項(xiàng)目的節(jié)目源濾波器常見(jiàn)的有GB，IEC，DIN、JIS、EIA和IHF等，前4項(xiàng)是等效的，有些用戶可能不是很了解，需要作好解釋。相當(dāng)多的國(guó)外用戶，尤其是大用戶要求在20Hz～20kHz范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，這與GB標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是有區(qū)別的，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為失效率升高。、GB廠r9397—1996《直接輻射式電動(dòng)揚(yáng)聲器通用規(guī)范》閻中對(duì)失效判據(jù)的描述是“試驗(yàn)后應(yīng)無(wú)熱損傷和機(jī)械損傷，并符合4．2要求”。通用規(guī)范中4．2要求是對(duì)發(fā)聲異常的判定，發(fā)聲異常是指無(wú)聲、碰圈、明顯垃圾聲、嚴(yán)重異常聲和機(jī)械聲等。所以試驗(yàn)失效判據(jù)應(yīng)該并列分為兩類，第一類是熱損傷和機(jī)械損傷，第二類是發(fā)聲異常。實(shí)際的情況是第二類失效(發(fā)聲異常)發(fā)生時(shí)，一定出現(xiàn)了第一類失效(熱損傷和機(jī)械損傷)。第一類失效(熱損傷和機(jī)械損傷)發(fā)生時(shí)卻不一定就能明顯覺(jué)察出第二類失效(發(fā)聲異常)，例如揚(yáng)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(xiǎn)性，但是純音檢聽(tīng)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(yáng)聲器，塑膝件出現(xiàn)變形或熱熔現(xiàn)象，在試驗(yàn)室條件下純音檢聽(tīng)也能符合通用規(guī)范中4．2要求，但是由于實(shí)際使用條件或安裝條件的差異，卻可能使揚(yáng)聲器塑膠件的該類變形或熱熔現(xiàn)象趨于嚴(yán)重而導(dǎo)致失效。所以僅以第二類失效作為該試驗(yàn)的失效判據(jù)是片面的，這是產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果爭(zhēng)議的主要原因。有些用戶對(duì)試驗(yàn)前后的揚(yáng)聲器指標(biāo)的變化幅度會(huì)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(duì)中低檔揚(yáng)聲器而言，有相當(dāng)?shù)碾y度。試驗(yàn)后的純音檢聽(tīng)功率，有相當(dāng)多的用戶要求在額定功率下檢聽(tīng)。
2壽命試驗(yàn)
揚(yáng)聲器的壽命試驗(yàn)是揚(yáng)聲器可靠性試驗(yàn)的重要內(nèi)容，通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)，可以了解產(chǎn)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(yàn)樣品數(shù)量和試驗(yàn)周期的矛盾，可以采用加速壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)分為恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。SJ／T10601-94t71((家用揚(yáng)聲器可靠性要求及試驗(yàn)方法》和EIA一426B-1998f8(Loudspeakers，OptimumAmplifierPower)提供了揚(yáng)聲器的壽命試驗(yàn)和恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的方法。AES2—1984(r2003)t91(AESRecommendedPracticeSpecification．ofLoudspeakerComponentsUsedinProfessionalAudioandSoundReinforcement)可利用作為揚(yáng)聲器步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的參考。
步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)可以用來(lái)確定揚(yáng)聲器承受安全電應(yīng)力的極限水平，在對(duì)不同批次或不同廠家的揚(yáng)聲器進(jìn)行比較時(shí)，便于探明工藝變化或設(shè)計(jì)變化對(duì)產(chǎn)品性能的影響。需要注意的是：揚(yáng)聲器步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)只應(yīng)作為揚(yáng)聲器恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的預(yù)備試驗(yàn)或揚(yáng)聲器恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的補(bǔ)充試驗(yàn)。在進(jìn)行揚(yáng)聲器壽命試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)樣品的監(jiān)控保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于揚(yáng)聲器特別是大功率揚(yáng)聲器的特殊性，監(jiān)控通常比較困難。利用PC平臺(tái)的試驗(yàn)設(shè)備可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)已開(kāi)始生產(chǎn)這種儀器。
3機(jī)械試驗(yàn)
GB／T9397—1996《直接輻射式電動(dòng)揚(yáng)聲器通用規(guī)范》規(guī)定了揚(yáng)聲器的基礎(chǔ)機(jī)械試驗(yàn)內(nèi)容，可以參照?qǐng)?zhí)行。但是有些用戶尤其是大的汽車(chē)制造商，給出的要求高于該標(biāo)準(zhǔn)。例如跌落試驗(yàn)，增加了無(wú)包裝跌落項(xiàng)目，有包裝時(shí)跌落方向?yàn)橐唤侨吜?；滑落沖擊試驗(yàn)，角A從6O。增加到75。，滑落直線距離從600mm增加到l000mm；碰撞試驗(yàn)，增加門(mén)撞擊試驗(yàn)(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))，波形為近似半正弦波，加速度300m／s，持續(xù)時(shí)問(wèn)6ms，撞擊次數(shù)100000次，揚(yáng)聲器垂直安裝。
4氣候環(huán)境
試驗(yàn)氣候環(huán)境試驗(yàn)主要是指溫濕度試驗(yàn)。汽車(chē)或戶外揚(yáng)聲器試驗(yàn)溫度范圍可能擴(kuò)大31J-4o-85。C。
5溫度循環(huán)沖擊試驗(yàn)
揚(yáng)聲器的溫度循環(huán)沖擊試驗(yàn)是揚(yáng)聲器的極限應(yīng)力試驗(yàn)的一種。該試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)揚(yáng)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(duì)揚(yáng)聲器的影響。由于揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)或工藝的原因，不少揚(yáng)聲器在這個(gè)項(xiàng)目上會(huì)出現(xiàn)失效。例如布折環(huán)會(huì)出現(xiàn)變形等。對(duì)于不同的客戶，該試驗(yàn)的應(yīng)力及應(yīng)力施加周期會(huì)不同。不同的應(yīng)力及應(yīng)力施加周期會(huì)得出不同的結(jié)果，相互問(wèn)并不具備可比性。
6鹽霧試驗(yàn)和交變鹽霧試驗(yàn)
揚(yáng)聲器鹽霧試驗(yàn)㈣的試驗(yàn)?zāi)康拇嬖谡J(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，與廣泛持有的觀點(diǎn)相反，該試驗(yàn)不是模擬海洋大氣的影響，而是主要用來(lái)評(píng)價(jià)保護(hù)涂層的質(zhì)量和均勻性。模擬海洋大氣影響的試驗(yàn)是交變鹽霧試驗(yàn)。交變鹽霧試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級(jí)分為6級(jí)。其中3-6級(jí)適用于在含鹽大氣和干燥大氣頻繁交替使用的產(chǎn)品，例如汽車(chē)及汽車(chē)零部件。目前，揚(yáng)聲器該類試驗(yàn)的失效判據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，令人頗為困擾。
7太陽(yáng)輻射試驗(yàn)
揚(yáng)聲器的太陽(yáng)輻射試驗(yàn)口是評(píng)價(jià)太陽(yáng)輻射對(duì)戶外或汽車(chē)揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的熱效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)，試驗(yàn)溫度低溫25。C，高溫40。c或55。C。主要失效是外觀和機(jī)械失效，特別是揚(yáng)聲器的塑膠部件和帶涂層塑膠部件。該試驗(yàn)實(shí)施前提是揚(yáng)聲器產(chǎn)品在使用時(shí)暴露在太陽(yáng)輻射下。所以要求揚(yáng)聲器做太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的客戶并不是很多。
8淋雨試驗(yàn)
主要用來(lái)觀察汽車(chē)或戶外揚(yáng)聲器對(duì)水的滲透性和密封性。通常揚(yáng)聲器廠不具備淋雨試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備下雨室，所以該試驗(yàn)一般由整車(chē)廠完成。整車(chē)廠根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將揚(yáng)聲器分成不能暴露于水、有滲水性、無(wú)滲水性和防水等若干等級(jí)，然后按照揚(yáng)聲器在汽車(chē)上使用部位的不同，選擇不同等級(jí)的揚(yáng)聲器。
9其它試驗(yàn)
氣壓、有害氣體、霉菌和粉塵試驗(yàn)基本上未在揚(yáng)聲器上實(shí)施。限于篇幅，不再贅述。
揚(yáng)聲器的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了評(píng)估產(chǎn)品的可靠性，必須采用合理的試驗(yàn)方案，不同的試驗(yàn)方案會(huì)得出不同的結(jié)果，相互問(wèn)并不具備可比性。有時(shí)為了盡快找出問(wèn)題，需要進(jìn)行加速試驗(yàn)或極限應(yīng)力試驗(yàn)，做這些試驗(yàn)時(shí)，要注意應(yīng)力的增加不要破壞原有的失效分布規(guī)律，否則加速試驗(yàn)或極限應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)果是可疑的?？煽啃栽囼?yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)包括試驗(yàn)樣本的規(guī)定、試驗(yàn)條件的確定、試驗(yàn)截止時(shí)間的確定、測(cè)量周期的確定和失效判據(jù)的確定等幾個(gè)方面。
可靠性學(xué)科和可靠性物理學(xué)是成熟較晚的學(xué)科，揚(yáng)聲器在可靠性方面尚有很大的研究空間。揚(yáng)聲器可靠性技術(shù)應(yīng)該貫穿于揚(yáng)聲器的整個(gè)壽命期內(nèi)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造階段進(jìn)行可靠性工作，對(duì)于提高產(chǎn)品的固有可靠性十分重要。在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)工作前，揚(yáng)聲器制造商可能需要與用戶開(kāi)展充分的溝通，便于可靠性工作的順利開(kāi)展。
