王軍義，馬劍鋒，楊　斌，顧適夷，黃東洋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京　210016）

加固液晶顯示器振動(dòng)分析及抗振設(shè)計(jì)

王軍義，馬劍鋒，楊斌，顧適夷，黃東洋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016）

【摘要】從液晶顯示屏的構(gòu)造出發(fā)，分析了振動(dòng)對(duì)液晶顯示屏的影響，介紹了加固液晶顯示器的抗振動(dòng)加固方法。通過(guò)理論建模分析得出了相對(duì)位移響應(yīng)均方值、絕對(duì)加速度響應(yīng)均方值和系統(tǒng)固有頻率的關(guān)系，運(yùn)用該方法對(duì)一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行分析，確定了系統(tǒng)的抗振設(shè)計(jì)參數(shù)，證明了該方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】加固液晶顯示器；加固技術(shù)；抗振設(shè)計(jì)；隨機(jī)振動(dòng)；固有頻率

引言

近些年來(lái)，加固液晶顯示器以其體積小、重量輕、功耗低、電磁輻射低、不受磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)在，現(xiàn)已基本取代了CRT顯示器，廣泛應(yīng)用于車(chē)載、機(jī)載及艦載電子設(shè)備的顯示系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、電子偵查和導(dǎo)航等諸多系統(tǒng)中。但是，由于液晶顯示屏的特殊構(gòu)造，導(dǎo)致其對(duì)顯示平面方向的振動(dòng)非常敏感，車(chē)載或機(jī)載環(huán)境強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響液晶顯示屏顯示圖像的質(zhì)量。液晶屏尺寸越大，振動(dòng)對(duì)顯示效果的影響越明顯。因此，必須對(duì)液晶顯示屏進(jìn)行抗振加固設(shè)計(jì)以提高顯示器的抗振性能。

1　液晶顯示屏的構(gòu)成

液晶顯示屏的構(gòu)成主要有前屏玻璃和后屏玻璃，在兩層玻璃中間有塑料隔子或刻蝕形成的微小玻璃柱用以保證間距，在四周有密封材料制作的封接邊框?qū)蓪硬ＡХ饨映梢壕Ш?，灌裝液晶材料［1］。前屏玻璃和后屏玻璃的厚度一般為0.55mm或0.7mm，液晶盒通過(guò)塑料隔子或光刻玻璃凸點(diǎn)保持前后玻璃之間的間距，液晶盒的液晶層厚度約為5～8μm。

圖1　液晶顯示屏的主要結(jié)構(gòu)

從液晶盒的結(jié)構(gòu)組成可以知道，雖然有塑料隔子的支撐，但對(duì)于液晶顯示器，尺寸很薄的平板玻璃在振動(dòng)時(shí)肯定會(huì)導(dǎo)致液晶盒厚的變化，盒厚的變化在液晶屏內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，就帶來(lái)了顯示圖像質(zhì)量的變化，表現(xiàn)為振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生白斑，影響顯示效果。

2　液晶顯示器加固工藝介紹

液晶屏的加固工藝主要從兩方面進(jìn)行：一是對(duì)液晶屏進(jìn)行剛性化處理，即在液晶屏玻璃前后表面用透明光學(xué)膠復(fù)合光學(xué)強(qiáng)化玻璃，增加液晶屏的強(qiáng)度和剛度；二是在液晶屏的四周用具有阻尼作用的特殊材料隔離，減小支撐環(huán)節(jié)的剛性，一般使用柔性好的隔振緩沖材料安裝固定液晶屏，進(jìn)行減振處理［2］。液晶屏玻璃復(fù)合加固和減振結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2　液晶屏復(fù)合加固和減振結(jié)構(gòu)示意圖

液晶屏經(jīng)過(guò)前后復(fù)合強(qiáng)化玻璃，提高了液晶屏的剛度和強(qiáng)度，提高了液晶屏的抗振動(dòng)沖擊性能；在液晶屏復(fù)合組件和金屬結(jié)構(gòu)之間加隔振緩沖材料，減小了加固液晶顯示器系統(tǒng)的固有頻率，通過(guò)隔振設(shè)計(jì)可以滿足高強(qiáng)度振動(dòng)環(huán)境的要求。

3　加固液晶顯示器抗振動(dòng)分析與設(shè)計(jì)

對(duì)于加固液晶顯示器，隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可從兩個(gè)方面進(jìn)行：（1）限制系統(tǒng)中液晶屏玻璃的相對(duì)位移，使液晶屏玻璃上的絕對(duì)加速度最小；（2）限制液晶屏玻璃上的絕對(duì)加速度值，使液晶屏玻璃的相對(duì)位移最小。根據(jù)振動(dòng)相關(guān)理論，在一定輸入的激勵(lì)條件下，欲使被隔振物體的加速度小，則被隔振物體的相對(duì)位移就要大，而相對(duì)位移小，則加速度就大。在液晶顯示器的設(shè)計(jì)中，顯示屏和機(jī)殼結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移不宜取得過(guò)大。因此，加固液晶顯示器振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是在控制液晶屏上加速度值在允許范圍的前提下使液晶屏的相對(duì)位移值最小。

機(jī)載或車(chē)載電子設(shè)備的使用環(huán)境條件一般為隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度用隨機(jī)振動(dòng)的自功率譜密度函數(shù)表示。隨機(jī)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)值取決于某一數(shù)值的概率，它的功率譜密度函數(shù)是連續(xù)的頻譜，包含各種頻率分量，隔離振動(dòng)的效果可以用各種響應(yīng)的均方值來(lái)衡量［3］。本文在進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)時(shí)，從系統(tǒng)的加速度響應(yīng)均方值、絕對(duì)位移響應(yīng)均方值出發(fā)，以被隔振對(duì)象相對(duì)位移輸出小、絕對(duì)加速度輸出小兩個(gè)方面綜合考慮，合理選擇隔振系統(tǒng)的隔振參數(shù)，提高加固液晶顯示器的抗振性能。

圖3　加固液晶顯示器振動(dòng)模型

以液晶屏組件作為被隔振對(duì)象，加固液晶顯示器簡(jiǎn)化模型如圖3所示。圖中，m表示液晶屏組件的質(zhì)量，k表示隔振系統(tǒng)的剛度，c表示隔振系統(tǒng)的阻尼。

運(yùn)動(dòng)微分方程：

4　工程應(yīng)用分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

以某加固液晶顯示器為例，對(duì)該顯示器振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。振動(dòng)頻率范圍為10Hz～2000Hz，振動(dòng)形式為隨機(jī)振動(dòng)，功率譜密度圖譜如下：

圖4　某加固顯示器隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖譜

根據(jù)前面的理論分析，運(yùn)用式（2）（3）進(jìn)行求解，按多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化即可得出系統(tǒng)的最佳固有頻率，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中公式的求解過(guò)程很繁瑣，因此工程上常用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的方法加以解決。在試驗(yàn)頻率段內(nèi)，取一系列，用數(shù)值積分方法求出積分值和，并繪出和關(guān)系曲線，然后從曲線中找出最佳固有頻率點(diǎn)。取阻尼比，用MATLAB編程計(jì)算出和關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖5和圖6：

圖5　相對(duì)位移響應(yīng)均方值

圖6　絕對(duì)加速度響應(yīng)均方值

由圖5可以看出，相對(duì)位移均方值隨著系統(tǒng)固有頻率的增大而減小，并且當(dāng)系統(tǒng)固有頻率大于60Hz以后，曲線趨于平緩，隨著固有頻率的增大，相對(duì)位移均方值的減小不太明顯；從圖6可以看出，絕對(duì)加速度響應(yīng)均方值隨著系統(tǒng)固有頻率的增大而增大，并且當(dāng)系統(tǒng)固有頻率大于200Hz以后增大明顯。

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，最初由于固有頻率的設(shè)計(jì)不合理，振動(dòng)篩選過(guò)程中出現(xiàn)白斑，不滿足用戶使用要求。經(jīng)分析后認(rèn)為系統(tǒng)固有頻率值偏大，造成液晶屏上絕對(duì)加速度值超過(guò)了允許值，導(dǎo)致液晶屏局部范圍內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生了白斑。我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，合理選擇液晶屏模塊與機(jī)殼結(jié)構(gòu)之間的緩沖隔振材料，并調(diào)整液晶屏模塊和結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移空間，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，振動(dòng)白斑現(xiàn)象基本上消失，滿足了用戶的要求。

5　結(jié)論

本文從液晶顯示器的構(gòu)造出發(fā)，對(duì)加固液晶顯示器振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中顯示黑場(chǎng)下白斑現(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過(guò)理論建模得出了被隔振對(duì)象相對(duì)位移響應(yīng)方差和絕對(duì)加速度響應(yīng)方差的計(jì)算公式，然后用MATLAB編程計(jì)算繪出了相對(duì)位移響應(yīng)方差和絕對(duì)加速度響應(yīng)方差相對(duì)于固有頻率變化時(shí)的曲線，從曲線的趨勢(shì)分析得出了固有頻率設(shè)計(jì)時(shí)較為合理的取值范圍。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)將系統(tǒng)固有頻率控制在合理的范圍之內(nèi)，最終通過(guò)了振動(dòng)試驗(yàn)要求。

需要說(shuō)明的是，隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，將加固液晶顯示器簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度的振動(dòng)模型也是一種近似的處理方法。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中往往根據(jù)理論指導(dǎo)進(jìn)行初步計(jì)算分析，然后通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，最終獲得滿意的隔振效果。

【參考文獻(xiàn)】

［1］吳金華，王軍義，潘書(shū)山.大面積TFT液晶顯示屏的振動(dòng)應(yīng)力分析及其抗振加固［J］.光電子技術(shù)，2009，29（1）：60-65.

［2］曹允，王勇，范彬，王勇渤.加固液晶顯示器關(guān)鍵技術(shù)［J］.光電子技術(shù)，2011，31（2）：73-77.

［3］嚴(yán)濟(jì)寬.機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù)［M］.上海：上海科技文獻(xiàn)出版社，1985.

［4］劉范川，任建鋒，劉世剛.機(jī)載電子設(shè)備隔振系統(tǒng)固有頻率的確定［J］.電訊技術(shù)，2007，47（3）：195-198.

【作者簡(jiǎn)介】

王軍義（1980～），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榧庸桃壕э@示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Analysis and Anti-vibration Design on Rugged Liquid Crystal D isp lay

W ang JunYi，M a JianFeng，Yang Bin，Huang DongYang
（China Electronics Techno logy Group Co rpo ration NO.55 Institu te，Nan jing 210016）

【Abstract】Starting from the structure of the liquid crystal display，this paper analyzes the impact of vibration on the LCD screen，and introduced the rugged technology on liquid crystal display.By theoretical modeling analysis，theresponse mean square valueof relative displacement and absolute acceleration is calculatedand the relationship with natural frequency is educed.An application example of project is given and the design parameters are determined，which prove the feasibility of this method.

【Key words】Rugged LCD ；Rugged technology；Anti-vibration design；Random vibration；Naturalfrequency