王世偉，陳 進(jìn)，謝守華

（1.國光電器股份有限公司，廣東 廣州 510800；2.廣東省電聲電子技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510800）

0 引言

支片作為揚(yáng)聲器振動系的關(guān)鍵部件，其選材、加工工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到揚(yáng)聲器的性能表現(xiàn)[1-3]。支片基材種類繁多，主要有Conex/Nomex，Cotton，Maton，PC 及混紡，每種基材均有多種紗支密度規(guī)格，也可以對應(yīng)含浸膠的波美度選擇。支片的選材和加工工藝不同，會引起支片部件性能很大的性能差異。本文從揚(yáng)聲器支片的斷裂失效案例著手，從基材和支片結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行分析和改善，為設(shè)計(jì)工程師提供支片斷裂失效的分析方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 問題描述及原因分析

1.1 問題描述

某智能音箱揚(yáng)聲器的支片在功率試驗(yàn)后出現(xiàn)斷裂，經(jīng)過對失效支片的分析，發(fā)現(xiàn)支片的徑向和緯向均發(fā)生纖維斷裂，如圖1 所示，斷裂位置發(fā)生在第一波紋或第二波紋處。支片的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，所選支片的基材是120 支Conex，支片位移為0.9 mm/100 g，支片含浸膠的波美度為14 °Be＇。

圖2 支片的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 原因分析

觀察支片斷裂部位，分析斷裂主要有兩種原因。其一可能是支片的強(qiáng)度不足，120 支Conex 基材較薄，紗支較細(xì)，這會影響支片基材的強(qiáng)度，此外，含浸膠的波美度也會對支片整體強(qiáng)度產(chǎn)生影響；其二可能是振動過程中支撐不足導(dǎo)致沖程加大產(chǎn)生拉裂，這與支片的波紋形狀有關(guān)[4]。該案例的改善方案主要圍繞這兩個方向展開。

2 改善方案及結(jié)果分析

2.1 測試方法

測試時，有以下3 個重點(diǎn)需要關(guān)注。

（1）拉伸強(qiáng)度。按照《紡織品 織物拉伸性能第1 部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》（GB/T 3923.1—2013）測試?yán)煨阅?，樣條寬度50 mm，標(biāo)距200 mm，拉伸速率為100 mm/min。取5 pcs 樣條的算術(shù)平均值。測試儀器采用海達(dá)有限公司的伺服拉力試驗(yàn)機(jī)。

（2）楊氏模量。將制備得到的支片材料樣片裁剪成60 mm×10 mm 的樣條，用聲波激勵的共振法測試得到楊氏模量，試驗(yàn)結(jié)果取經(jīng)緯方向各測試5 pcs 的平均值。使用Klippel MPM 模塊[5]測試。

（3）支片位移測試。將成型好的支片放在夾具上，中孔放置墊片，使用100 g 的砝碼施加重量，用支片位移測試儀（型號為TC-LK，騰辰電子有限公司生產(chǎn)）記錄支片被壓下的位移。

使用Klippel 聲學(xué)軟件測試功率試驗(yàn)前后的揚(yáng)聲器參數(shù)和位移-頻率曲線。

以上測試在國光電器股份有限公司材料開發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

2.2 改善方案之提升支片的強(qiáng)度

改善支片強(qiáng)度的主要方法是更換紗支更粗的支片基材、調(diào)整含浸樹脂的波美度等。選用基材較厚的100 支Conex 材料，在保持支片位移相同的前提下，100支Conex的強(qiáng)度相對于120支Conex較高。通過加厚基材來改善支片承受應(yīng)力的能力，提升強(qiáng)度，對應(yīng)的含浸膠波美度為31°Be＇。兩種支片具體的參數(shù)對比如表1 所示。

表1 120 支和100 支Conex 支片的材料參數(shù)

更換基材及調(diào)整波美度后的支片如圖3 所示。

圖3 調(diào)整后的支片實(shí)物圖

將斷裂失效的支片和改善后的支片放在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，改善后的100 支Conex 支片表面含浸膠更少，沒有出現(xiàn)漿紗現(xiàn)象，含浸膠分布也更均勻。

圖4 Conex 支片的表面浸膠狀態(tài)（50X）

使用100 支Conex 支片裝機(jī)，將對應(yīng)的揚(yáng)聲器投入功率試驗(yàn)，通過試驗(yàn)來評估該方案的可行性。功率試驗(yàn)后，揚(yáng)聲器無異音且支片未斷裂，功率試驗(yàn)前后的揚(yáng)聲器F0變化率為15.23 %（如表2 所示），說明經(jīng)過功率試驗(yàn)，支片發(fā)生了一定的疲勞。通過Klippel 測試揚(yáng)聲器的位移-頻率曲線，對比功率試驗(yàn)前后的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過功率試驗(yàn)，位移增加了0.3 mm，如圖5 和圖6 所示。

圖5 功率試驗(yàn)前的揚(yáng)聲器位移（不同電壓）

圖6 功率試驗(yàn)后的揚(yáng)聲器位移（不同電壓）

表2 100 支Conex 支片揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)前后的參數(shù)對比

2.3 改善方案之調(diào)整支片的波紋結(jié)構(gòu)

在保持支片基材（120 支Conex）和波美度（14 °Be＇）不變的前提下，調(diào)整支片的波紋結(jié)構(gòu)，即增加振紋數(shù)量、減小振紋深度、縮小振紋間距，如圖7 所示。

圖7 調(diào)整支片波紋結(jié)構(gòu)示意圖（點(diǎn)劃線表示調(diào)整后的支片波紋形狀）

將調(diào)整波紋結(jié)構(gòu)后的支片裝配揚(yáng)聲器，投入功率試驗(yàn)。功率試驗(yàn)后，揚(yáng)聲器無異音且支片未斷裂，功率試驗(yàn)前后的揚(yáng)聲器F0變化率為15%，如表3 所示。說明經(jīng)過功率試驗(yàn)，支片發(fā)生了一定的疲勞。通過Klippel 測試揚(yáng)聲器的位移-頻率曲線，試驗(yàn)后位移增加了0.6 mm，如圖8 和圖9 所示。該方案對應(yīng)的揚(yáng)聲器在功率試驗(yàn)后產(chǎn)生了更大的位移變化。

圖8 功率試驗(yàn)前的揚(yáng)聲器位移（不同電壓）

圖9 功率試驗(yàn)后的揚(yáng)聲器位移（不同電壓）

表3 調(diào)整支片波紋結(jié)構(gòu)的揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)前后的參數(shù)對比

3 試驗(yàn)結(jié)論

紗支更粗的100 支Conex 支片基材具有更好的抗拉強(qiáng)度，在較高波美度時可以達(dá)到與120 支Conex 支片相同的位移，從而避免了支片漿紗的現(xiàn)象。對比100 支Conex 支片喇叭功率前后的聲學(xué)參數(shù)可知，功率試驗(yàn)后，揚(yáng)聲器無異音且支片未斷裂，揚(yáng)聲器F0變化率為15.23%；通過對比位移-頻率曲線可知，位移增加了0.3 mm，可以很好地改善120 支Conex 支片斷裂的問題。

通過增加振紋數(shù)量、減小振紋深度的方法調(diào)整支片的波紋結(jié)構(gòu)，功率試驗(yàn)后，揚(yáng)聲器無異音且支片未斷裂，功率試驗(yàn)前后的揚(yáng)聲器F0變化率為15%；通過Klippel 測試揚(yáng)聲器的位移-頻率曲線，試驗(yàn)后的位移增加了0.6 mm。調(diào)整結(jié)構(gòu)方案的支片在功率試驗(yàn)后，揚(yáng)聲器產(chǎn)生了更大的位移變化。

綜合對比以上兩種方案，更換支片基材及調(diào)整波美度的方案在相同功率試驗(yàn)條件下的位移變化率較小。因此優(yōu)選變更支片基材和波美度的方案，解決了項(xiàng)目的實(shí)際問題。

4 結(jié)語

支片斷裂的問題在揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)階段或可靠性試驗(yàn)階段時有發(fā)生。設(shè)計(jì)工程師遇到此類問題時，可以從支片基材類別、紗支密度、含浸膠波美度以及支片結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行改善評估，借助材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)或仿真相關(guān)的知識或模型來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。熟悉支片相關(guān)材料的基礎(chǔ)物性十分關(guān)鍵，可以結(jié)合材料力學(xué)、材料熱學(xué)甚至是材料的微觀纖維結(jié)構(gòu)等方面的知識來選材或做綜合設(shè)計(jì)評估。