丁 杰

(1. 湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000；2. 湖南文理學(xué)院 國際學(xué)院，湖南 常德 415000)

列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)視列車運(yùn)行時(shí)車輛設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)于列車的安全可靠運(yùn)行具有重要的作用[1]。由于列車運(yùn)行過程中，除了輪軌激勵(lì)，列車內(nèi)部的變壓器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)噪聲傳遞以及產(chǎn)品自身的激勵(lì)源作用都會(huì)對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響。

王鵬 等[2-3]基于應(yīng)力-強(qiáng)度模型推導(dǎo)的可靠度計(jì)算公式，對(duì)分布式列車網(wǎng)絡(luò)通信與控制系統(tǒng)在高低溫使用環(huán)境下的可靠度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，還對(duì)列車運(yùn)行監(jiān)控主機(jī)的可靠性鑒定試驗(yàn)設(shè)計(jì)了溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、浪涌等應(yīng)力組成的綜合環(huán)境條件。朱建山 等[4]針對(duì)誘發(fā)顯示器故障模式的高溫和振動(dòng)因素設(shè)計(jì)了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案。胡子昂 等[5]針對(duì)加固液晶顯示器在振動(dòng)環(huán)境出現(xiàn)的漏光問題，通過建立有限元模型對(duì)比分析了有無振動(dòng)對(duì)液晶顯示器光線透過率的影響。

針對(duì)某列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)顯示器廣播時(shí)出現(xiàn)屏幕閃動(dòng)問題，本文將對(duì)顯示器開展振動(dòng)測(cè)試，從時(shí)域和頻域角度分析故障原因，并結(jié)合顯示器的振動(dòng)傳遞特性提出相應(yīng)的減隔振方案，為提高列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)顯示器的可靠應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 顯示器的振動(dòng)測(cè)試及分析

1.1 聲音與振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)布置

列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)顯示器在播放廣播時(shí)，屏幕會(huì)出現(xiàn)閃動(dòng)現(xiàn)象。為確認(rèn)該現(xiàn)象是否為顯示器中的揚(yáng)聲器廣播聲音激發(fā)的振動(dòng)而引起，在實(shí)驗(yàn)室中采用B&K數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)顯示器開展振動(dòng)測(cè)試。

顯示器外部的測(cè)點(diǎn)主要分布在顯示器背部(靠近揚(yáng)聲器的位置)、頂部后端、頂部前端和顯示器屏幕等位置，顯示器內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)主要分布在內(nèi)層電路板、外層電路板和靠近液晶屏板等位置，如圖1所示。測(cè)試過程中，在距離揚(yáng)聲器0.4 m處布置傳聲器，全程采集聲音數(shù)據(jù)。

圖1 顯示器的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

1.2 聲音與振動(dòng)的時(shí)域分析

測(cè)試過程中，顯示器背部的揚(yáng)聲器處于播放狀態(tài)，播放的聲音持續(xù)約0.7 s，周期性出現(xiàn)，同時(shí)振動(dòng)信號(hào)也與之保持同步，如圖2所示。圖2中的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)與聲音的聲壓時(shí)域信號(hào)的曲線變化趨勢(shì)基本一致，說明顯示器的振動(dòng)是由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音所激發(fā)。但振動(dòng)信號(hào)與聲音信號(hào)的幅值變化規(guī)律有差異，主要是因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)還與顯示器的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性高度相關(guān)[6-8]。

圖2 振動(dòng)加速度與聲音的聲壓時(shí)域信號(hào)波形

顯示器的揚(yáng)聲器播放時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)感覺聲音音量較大。為定量地描述其聲音大小，對(duì)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析。圖3為廣播聲音的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨時(shí)間的變化曲線。由圖3可以看出，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)曲線隨時(shí)間周期性變化，其中最大可以達(dá)到94 dB，最小約為54 dB，聲壓級(jí)跨度約為40 dB。一個(gè)周期內(nèi)，聲音的平均聲壓級(jí)約為92.8 dB。

圖3 廣播聲音的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨時(shí)間變化曲線

對(duì)顯示器振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。圖4為顯示器不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度對(duì)比。

圖4(a)表示顯示器各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰值對(duì)比，可以看出：(1)各測(cè)點(diǎn)中，揚(yáng)聲器最靠近振源，峰值最大，其中揚(yáng)聲器垂向峰值超過50 m/s2；(2)各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)峰值中，垂向最大，即垂向是振動(dòng)向屏幕端傳遞的主要方向；(3)屏幕垂向振動(dòng)峰值較大，約31 m/s2，說明顯示器背部揚(yáng)聲器對(duì)前端屏幕影響較大，現(xiàn)場(chǎng)也能通過手感覺到屏幕振感較為明顯；(4)顯示器內(nèi)部2層電路板垂向振動(dòng)峰值偏大，都接近20 m/s2，內(nèi)層電路板略大于外層電路板，除揚(yáng)聲器附近、顯示器屏幕測(cè)點(diǎn)外，內(nèi)層電路板振動(dòng)峰值大于其他測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)沖擊偏大，可能會(huì)對(duì)電路板性能產(chǎn)生影響。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度對(duì)比

提取一個(gè)周期振動(dòng)信號(hào)的有效值進(jìn)行分析，圖4(b)為顯示器各測(cè)點(diǎn)全頻段(分析頻率為0～12.6 kHz)的振動(dòng)有效值對(duì)比。可以看出：(1)各測(cè)點(diǎn)橫向、縱向和垂向的全頻段振動(dòng)有效值變化趨勢(shì)與峰值趨勢(shì)類似，揚(yáng)聲器處最大，其次是顯示器屏幕，然后是2層電路板，最后是顯示器頂部的測(cè)點(diǎn)；(2)3個(gè)方向中的全頻段有效值以垂向?yàn)樽畲螅瓜蚣仁钦駝?dòng)傳遞的主要方向，又是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征最明顯的方向。

對(duì)于一般結(jié)構(gòu)而言，低頻振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響要大于中高頻振動(dòng)[9]，圖4(c)為顯示器各測(cè)點(diǎn)在0～500 Hz頻段的振動(dòng)有效值對(duì)比。可以看出：(1)各測(cè)點(diǎn)在0～500 Hz頻段的振動(dòng)有效值變化趨勢(shì)與全頻段振動(dòng)有效值變化趨勢(shì)差異性較大，其中顯示器屏幕、靠近液晶屏板等薄板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有效值更加突出，分別達(dá)到4.43 m/s2和2 m/s2；(2)各測(cè)點(diǎn)在0～500 Hz頻段的垂向振動(dòng)有效值基本大于其他2個(gè)方向；(3)低頻振動(dòng)的傳遞受結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)破壞性更強(qiáng)，內(nèi)層電路板0～500 Hz垂向振動(dòng)有效值約為0.5 m/s2，顯示器屏幕和靠近液晶屏板的垂向振動(dòng)有效值更大。因此，揚(yáng)聲器聲音產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)顯示器內(nèi)部的薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響內(nèi)部電子元器件的正常運(yùn)行。

1.3 聲音與振動(dòng)的頻域分析

為了解揚(yáng)聲器聲音及激發(fā)振動(dòng)的頻譜特征，對(duì)聲音與振動(dòng)信號(hào)分別進(jìn)行頻譜分析。圖5是揚(yáng)聲器一個(gè)周期信號(hào)聲音的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜曲線。由圖5可以看出，揚(yáng)聲器聲音的A計(jì)權(quán)聲能量主要集中350～750 Hz和3 000～7 000 Hz，其中350～750 Hz區(qū)間的峰值較明顯，400 Hz附近峰值最大，3 000～7 000 Hz區(qū)間存在寬頻聲音，頻譜曲線整體上抬。

圖5 揚(yáng)聲器聲音的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜曲線

對(duì)主要測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜分析大多關(guān)注中低頻，因此，將分析頻率范圍設(shè)為0～3 200 Hz。圖6是揚(yáng)聲器和顯示器頂部前端的3個(gè)方向振動(dòng)頻譜曲線。

由圖6(a)可知：(1)揚(yáng)聲器處振動(dòng)能量主要集中在800～1 600 Hz，其中低頻120～220 Hz、330～400 Hz等也有明顯的峰值；(2)在主要頻率區(qū)域，揚(yáng)聲器處垂向振動(dòng)頻譜基本大于其他2個(gè)方向，與時(shí)域分析結(jié)論一致，同時(shí)120～220 Hz垂向振動(dòng)峰值較為明顯，將對(duì)顯示器屏幕等薄板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

由圖6(b)可知：(1)顯示器頂部前端的振動(dòng)頻譜與揚(yáng)聲器處振動(dòng)頻譜類似，也是集中在3個(gè)頻域區(qū)間，說明顯示器頂部前端的振動(dòng)主要來自于揚(yáng)聲器；(2)顯示器頂部前端的振動(dòng)頻譜與揚(yáng)聲器處頻譜存在一定差異，其中330～400 Hz的垂向振動(dòng)峰值相對(duì)更大，主要是由于振動(dòng)傳遞及頂部結(jié)構(gòu)特性放大了揚(yáng)聲器處傳遞過來的低頻振動(dòng)。

圖6 揚(yáng)聲器和顯示器頂部前端的振動(dòng)頻譜曲線

圖7是揚(yáng)聲器和內(nèi)外層電路板的垂向振動(dòng)頻譜曲線。揚(yáng)聲器垂向振動(dòng)頻譜特征基本涵蓋了內(nèi)外層電路板的振動(dòng)特征，因此進(jìn)一步確定內(nèi)外層電路板的振動(dòng)來源于揚(yáng)聲器，且由于傳遞特性的影響，部分頻率振動(dòng)存在放大現(xiàn)象。

圖7 揚(yáng)聲器和內(nèi)外層電路板的垂向振動(dòng)頻譜曲線

圖8是顯示器屏幕3個(gè)方向的振動(dòng)頻譜曲線。與前面所述的測(cè)點(diǎn)頻譜特征的區(qū)別在于：屏幕振動(dòng)主要集中在400 Hz內(nèi)的低頻(最大峰值在218 Hz，幅值達(dá)到1.83 m/s2)，這與屏幕垂向剛度較低而固有頻率被激發(fā)有關(guān)。低頻振動(dòng)區(qū)域與揚(yáng)聲器處低頻振動(dòng)區(qū)域重疊，說明顯示器低頻振動(dòng)來自于揚(yáng)聲器。

圖8 顯示器屏幕3個(gè)方向的振動(dòng)頻譜曲線

圖9是各測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)頻譜曲線對(duì)比。其中，縱坐標(biāo)采用dB尺度，以便于體現(xiàn)不同頻率處垂向振動(dòng)的相對(duì)大小，紅色曲線為揚(yáng)聲器處垂向振動(dòng)。由圖9可以看出，顯示器各測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)頻譜與揚(yáng)聲器處振動(dòng)頻譜變化趨勢(shì)基本一致，但在400 Hz以下，大部分測(cè)點(diǎn)頻譜都大于揚(yáng)聲器處振動(dòng)頻譜，其中屏幕和靠近液晶屏板的振動(dòng)放大明顯。因此可以認(rèn)為，顯示器所有部位的振動(dòng)均來自于揚(yáng)聲器的聲音激發(fā)，且低頻振動(dòng)在傳遞過程中存在放大現(xiàn)象。

圖9 各測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)頻譜曲線對(duì)比

2 顯示器的振動(dòng)傳遞特性及減隔振

2.1 錘擊響應(yīng)分析

為進(jìn)一步研究從揚(yáng)聲器到屏幕的振動(dòng)傳遞特性，本文進(jìn)行了錘擊試驗(yàn)，其中力錘作用在揚(yáng)聲器附近，同時(shí)測(cè)量屏幕振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。圖10為屏幕處振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)頻譜曲線。由圖10可以看出，在揚(yáng)聲器附近輸入近似脈沖激勵(lì)后，屏幕處低頻區(qū)域在180 Hz、378 Hz和466～490 Hz等處存在明顯的峰值(可能為屏幕固有頻率)，這說明從揚(yáng)聲器到屏幕的傳遞路徑會(huì)對(duì)180 Hz、378 Hz和466～490 Hz等低頻振動(dòng)存在明顯的放大現(xiàn)象。

圖10 屏幕處振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)頻譜曲線

2.2 振動(dòng)傳遞路徑分析

前面的分析已經(jīng)確定，顯示器屏幕及其他部位的振動(dòng)主要是由揚(yáng)聲器播放的聲音激發(fā)產(chǎn)生。揚(yáng)聲器聲音激發(fā)其外部殼體和顯示器殼體振動(dòng)，然后傳遞到顯示器外部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步傳遞到內(nèi)部電路板及前端的液晶屏板、屏幕等，圖11為顯示器的振動(dòng)傳遞路徑示意圖。

圖11 顯示器的振動(dòng)傳遞路徑示意圖

2.3 揚(yáng)聲器的減隔振方案

揚(yáng)聲器聲音激發(fā)的振動(dòng)對(duì)顯示器圖像質(zhì)量及內(nèi)部電路板結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生影響，若考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)車體本身的振動(dòng)，顯示器的實(shí)際振動(dòng)環(huán)境可能更加惡劣。因此，有必要采取一定的減振措施在不降低廣播質(zhì)量的前提下改善顯示器的振動(dòng)環(huán)境。一般而言，從聲音源本體降噪減振能產(chǎn)生很好的效果，但由于客戶對(duì)揚(yáng)聲器聲音量級(jí)和品質(zhì)有限制，因此，這并非最優(yōu)的方案。

從聲音和振動(dòng)的傳遞上考慮減振時(shí)，一方面可考慮將揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)更換安裝部位，減少其對(duì)顯示器的影響；另一方面可采取合適的減隔振措施，降低揚(yáng)聲器聲音對(duì)顯示器振動(dòng)的影響。受安裝空間的限制，顯示器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，揚(yáng)聲器的安裝部位難以進(jìn)行較大的調(diào)整，本文將主要從減隔振措施方面入手[10-11]。

根據(jù)圖11所示的顯示器振動(dòng)傳遞路徑，為減少揚(yáng)聲器聲音對(duì)顯示器的影響，需要隔離或減少通道2、3的振動(dòng)傳遞。為此，揚(yáng)聲器減隔振方案如圖12所示，具體為：封閉揚(yáng)聲器殼體底部，減少聲音對(duì)顯示器的直接激勵(lì)，電源線可從側(cè)面引入；揚(yáng)聲器殼體底部通過彈性連接固定在顯示器上，彈性連接可以考慮橡膠密封圈、橡膠減振器和彈簧等。由于前面分析已確定揚(yáng)聲器聲音激發(fā)頻率主要在120 Hz以上，因此可以考慮將120 Hz作為減振目標(biāo)頻率，減振系統(tǒng)剛體模態(tài)固有頻率宜控制在60 Hz以下，作為振動(dòng)主要傳遞方向的垂向固有頻率則宜控制在30 Hz以下，據(jù)此可選擇合適的彈性支撐剛度。

圖12 揚(yáng)聲器減隔振方案

現(xiàn)場(chǎng)整改采納了上述減隔振方案，通過增加橡膠密封圈解決了顯示器的揚(yáng)聲器聲音導(dǎo)致屏幕振動(dòng)的問題，播放廣播時(shí)屏幕不再出現(xiàn)閃動(dòng)現(xiàn)象。該方案已在列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中得到批量應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過對(duì)某列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)顯示器的聲音振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 顯示器各測(cè)點(diǎn)的3個(gè)方向振動(dòng)中，垂向振動(dòng)最大，其中揚(yáng)聲器處垂向振動(dòng)峰值超過50 m/s2，屏幕垂向振動(dòng)峰值達(dá)到31 m/s2，內(nèi)部電路板垂向振動(dòng)峰值接近20 m/s2。

(2) 揚(yáng)聲器處振動(dòng)能量主要集中在800～1 600 Hz，低頻120～220 Hz、330～400 Hz等也有明顯的峰值，而低頻振動(dòng)傳遞受結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)破壞性更強(qiáng)。

(3) 通過錘擊響應(yīng)分析和振動(dòng)傳遞路徑分析，以120 Hz作為減振目標(biāo)頻率的減隔振方案，可以解決該顯示器的揚(yáng)聲器聲音導(dǎo)致屏幕閃動(dòng)的問題，提高了顯示器應(yīng)用的可靠性。