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揚聲器的可靠性和可靠性試驗 LoudspeakerMicrophone   

【摘 要】闡述了的主要問題，從試驗?zāi)康?、試驗?yīng)力和失效數(shù)據(jù)等方面討論了揚聲器可靠性和可靠性試驗，在揚聲器的設(shè)計和制造階段進行可靠性工作十分重要。

【關(guān)鍵詞】揚聲器；可靠性；可靠性試驗；可靠性技術(shù)

【Abstract】In this paper，the main prohelems of loudspeaker reliabilityloudspeaker reliability test are described．The test purpose，test stressaging data of loudspeaker reliability test are discussed，hence the impor- tanee of the the reliability test in loudspeaker’S designmanufacturing．

【Key words】loudspeaker；reliability；reliability test；reliability technology

1 引言

在人們的日?；顒又?，經(jīng)常會涉及到產(chǎn)品的可靠 性問題。但是可靠性學(xué)科的誕生并不久遠，一種說法是以AGREE——美國軍用電子設(shè)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(biāo)志。從那時 起，可靠性技術(shù)在4O多年的應(yīng)用和發(fā)展中，經(jīng)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(chǎn)元器件的可 靠性進程，為今天國產(chǎn)元器件廣泛地進入世界市場打 下了良好的基礎(chǔ)。

中國已經(jīng)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(chǎn)量的劇增，質(zhì)量和可靠性尚有待提高。其實揚聲器 的可靠性是中產(chǎn)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(zhuǎn)只重視揚聲器 性能指標(biāo)設(shè)計，忽視 可靠性設(shè)計的傾向，充分認識可靠性的內(nèi)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 ”它是揚 聲器產(chǎn)品出廠后的時間質(zhì)量指標(biāo)，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(jié)構(gòu)越來越復(fù)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(dǎo)致?lián)P聲器產(chǎn)品的可靠性水平下 降。同時如采用新材料、新工藝或新技術(shù)，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(chǎn)品在規(guī)定 的條件下和規(guī)定時間內(nèi)所允許的故障數(shù)?！睌?shù)學(xué)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(dǎo)致由于設(shè)計原因或制造過程 引起的故障，只要在允許數(shù)之內(nèi)，往往不再作進一步的追溯。為此，早在1995年上就開始對傳統(tǒng)的可靠 性定義和隨機失效無法避免的舊觀念提出了質(zhì)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(jié)合失效物 理方法和失效分析方法_3_，設(shè)計出不存在隨機失效的揚聲器產(chǎn)品或許不是一種妄想。有相當(dāng)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(chǎn)品的可靠性與產(chǎn)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(guān)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(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(yīng)力 條件。從這個意義上來說，環(huán)境試驗也歸屬可靠性試驗 范疇。這些應(yīng)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(chǎn)品的可靠性影響將更為顯著。

2．2可靠性技術(shù)

2．2．1 降額設(shè)計 降額設(shè)計的目的是通過設(shè)計，使揚聲器工作時，讓 對揚聲器可靠性影響較大的關(guān)鍵部件承受的應(yīng)力適當(dāng) 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(shè)計中，降額設(shè)計應(yīng)用得比較普遍。在揚聲器單元設(shè)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(shè)計等都體現(xiàn)了降額設(shè)計的思想。

2．2．2 冗余設(shè)計 冗余設(shè)計的思想由于成本的關(guān)系，在揚聲器或揚 聲器系統(tǒng)的設(shè)計中體現(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)計的思路。

2．2．3 熱設(shè)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(dǎo)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(shè)計通孑L形成散熱通道。同時也須注意防止設(shè)計不良產(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，增加散熱片進行 散熱。5對于*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(shù)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(shè)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(shè)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(dāng)然，在使用橡膠或塑料部件時，仍需特別關(guān)注這 些部件對溫度或溫度沖擊的耐受性。

 

2．2．4可靠性預(yù)計 可靠性預(yù)計一直存在爭議，有人提出應(yīng)使用可靠 性估計這個詞，因為在實踐_中發(fā)現(xiàn)可靠性預(yù)計與產(chǎn)品的實際可靠性關(guān)聯(lián)很小，缺乏經(jīng)驗或應(yīng)用不當(dāng)只能產(chǎn)生低劣的設(shè)計。在GJB／Z299B一98《電子設(shè)備可靠性預(yù) 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(xué)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(yīng)力和失效判據(jù)上存在一定差異，所以筆者主要從試驗?zāi)康?、試驗?yīng)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(jīng)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zui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(yīng)力和失效判據(jù) 等，與其它可靠性試驗項目有很大的關(guān)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(dāng)多的國外用戶，尤 其是大用戶要求在20 Hz～20 kHz范圍內(nèi)進行試驗，這 與GB標(biāo)準的規(guī)定是有區(qū)別的，試驗結(jié)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(yīng)無熱損傷和機械損傷，并符合4．2要求”。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(yīng)該并列分為兩類，*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*類失效熱損傷和機械損傷。*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(dǎo)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(chǎn)生試驗結(jié)果爭議的主 要原因。 有些用戶對試驗前后的揚聲器指標(biāo)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(dāng)?shù)碾y度。 試驗后的純音檢聽功率，有相當(dāng)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(nèi) 容，通過這個試驗，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(yīng)力加速壽命試驗、步進應(yīng)力加速壽命 試驗和序進應(yīng)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(yīng)力加速壽命試驗的方法。 AES2—1984r2003t91AES Recommended Practice Specification．of Loudspeaker Components Used in Professional AudioSound Reinforcement可利用 作為揚聲器步進應(yīng)力加速壽命試驗的參考。步進應(yīng)力加速壽命試驗可以用來確定揚聲器承受安全電應(yīng)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(shè)計變化對產(chǎn)品性能的影 響。需要注意的是：揚聲器步進應(yīng)力加速壽命試驗只應(yīng)作為揚聲器恒定應(yīng)力加速壽命試驗的預(yù)備試驗或揚聲 器恒定應(yīng)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(jié)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(shè)備可以較好地解決這個問題。國內(nèi)已開始生產(chǎn)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(chǔ)機械試驗內(nèi)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(biāo)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(yīng)力 試驗的一種。該試驗的目的是評價揚聲器承受高 溫 與低溫的能力，以及高溫與低溫的交替變化對揚聲器的影響。由于揚聲器設(shè)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(yīng)力及應(yīng)力 施加周期會不同。不同的應(yīng)力及應(yīng)力施加周期會得出 不同的結(jié)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?zāi)康拇嬖谡J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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生的熱效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)，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(chǎn)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(shè) 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(jié)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(shè)計

為了評估產(chǎn)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(jié)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(yīng)力試驗，做這些試驗時，要注意應(yīng)力的增加不 要破壞原有的失效分布規(guī)律，否則加速試驗或極限應(yīng) 力試驗的結(jié)果是可疑的。可靠性試驗設(shè)計應(yīng)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(jié)束語

可靠性學(xué)科和可靠性物理學(xué)是成熟較晚的學(xué)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(shù)應(yīng)該貫穿于揚聲器的整個壽命期內(nèi)，在產(chǎn)品 的設(shè)計和制造階段進行可靠性工作，對于提高產(chǎn)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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貝爾試驗設(shè)備集團公司生產(chǎn)和銷售的產(chǎn)品主要有：
　 恒溫恒濕箱,恒溫恒濕機,恒溫恒濕試驗箱,高低溫濕熱試驗箱,冷熱沖擊試驗箱,鹽霧試驗機,鹽霧腐蝕試驗箱,環(huán)壓試驗機,紙帶耐磨試驗機,無轉(zhuǎn)子硫化儀,步入式恒溫恒濕室,熔融指數(shù)儀, 模擬運輸振動臺,電磁振動臺,材料試驗機,跌落試驗臺,破裂強度試驗機,紙箱耐壓試驗機,振動試驗機,電池檢測儀器,擠壓試驗機,電池沖擊試驗機等試驗設(shè)備。