- 揚聲器的可靠性定義
- 可靠性設計技術
- 揚聲器的可靠性試驗
- 降額設計
- 冗余設計
- 熱設計
在人們的日常活動中，經(jīng)常會涉及到產(chǎn)品的可靠性問題。但是可靠性學科的誕生并不久遠，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。
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高檔產(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設計，忽視可靠性設計的傾向，充分認識可靠性的內(nèi)涵和意義。
揚聲器的可靠性
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，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(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，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)。”數(shù)學表達式為平均故障間隔時間(MTBF)。可認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(nèi)，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(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。因此，結合失效物理方法和失效分析方法，設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(chǎn)品的可靠性影響將更為顯著。
2可靠性技術
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?shù)陀诔Ｒ?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。
2．3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。HenricksenC．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(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。
2．4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(chǎn)品的實際可靠性關聯(lián)很小，缺乏經(jīng)驗或應用不當只能產(chǎn)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。
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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。
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20Hz～20kHz范圍內(nèi)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(chǎn)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。
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力加速壽命試驗、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，OptimumAmplifierPower)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(AESRecommendedPracticeSpecification．ofLoudspeakerComponentsUsedinProfessionalAudioandSoundReinforcement)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(chǎn)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(nèi)已開始生產(chǎn)這種儀器。
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(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600mm增加到l000mm；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300m／s，持續(xù)時問6ms，撞擊次數(shù)100000次，揚聲器垂直安裝。
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。
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。
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(zhì)量和均勻性。模擬海洋大氣影響的試驗是交變鹽霧試驗。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。
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(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。
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。
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。
揚聲器的可靠性試驗設計
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。
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(nèi)，在產(chǎn)品的設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。
