揚聲器的可靠性技術(shù)分析及試驗

1 引言
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(xué)科的誕生并不久遠(yuǎn)，中國從2O世紀(jì)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(jìn)程，為今天國產(chǎn)元器件廣泛地進(jìn)入世界市場打 下了良好的基礎(chǔ)。
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 的可靠性是中高檔產(chǎn)品的重要特征， 對于這一點，有些揚聲器制造商認(rèn)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(rèn)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(yán)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)。”數(shù)學(xué)表達(dá)式 為平均故障間隔時間(MTBF)?？烧J(rèn)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(jìn)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[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(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(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(jìn)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(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)康摹⒃囼瀾?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(yán)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(rèn)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(jìn)行試驗，這 與GB標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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，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(yán)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(jìn)應(yīng)力加速壽命 試驗和序進(jìn)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—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(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗的參考。步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)。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(kuò)大31J-4o-85。C。