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        基于Conex 彈波斷裂的失效分析及改善

        2022-08-02 09:34:26王世偉謝守華
        電聲技術 2022年6期
        關鍵詞:實驗

        王世偉,陳 進,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研發(fā)與應用企業(yè)重點實驗室,廣東 廣州 510800)

        0 引 言

        支片作為揚聲器振動系的核心部件之一,其主要作用是保持音圈在磁隙中的位置、防塵、作為懸掛系統(tǒng)沿軸向往復運動以及確定揚聲器的共振頻率等[1-3]。其中,支片沿軸向的往復運動,需要支片具有很好的耐疲勞性能及位移抑制能力。當支片的結構不變時,耐疲勞性能與抑制作用主要與支片的材料和工藝有關。而從材料方面考慮,支片基材的纖維材質、長短、分絲程度、纖維組成、對樹脂的吸收能力等是主要的影響因素。結合支片斷裂失效的案例,可以更好地理解支片材質對性能的影響,從而使材料和揚聲器部件性能、甚至是與揚聲器的性能產生關聯(lián)。本文主要探究了支片材料與支片部件、材料與揚聲器性能的內在聯(lián)系及宏觀性能表現(xiàn),為支片的設計選材及失效分析提供參考。

        1 問題描述及原因分析

        1.1 問題描述

        某項目揚聲器經(jīng)100 h 功率實驗(7 W)后,支片出現(xiàn)斷裂,斷裂位置處于支片內徑第一圈“波紋”處。所用支片材料為100 支Conex,斷裂示意圖如圖1 所示。

        圖1 揚聲器支片斷裂示意圖

        未發(fā)生支片斷裂的揚聲器,經(jīng)過功率實驗后的F0也有較大的變化率,達到30%以上,支片的穩(wěn)定性和位移回歸表現(xiàn)變差。表1 是揚聲器經(jīng)過X-Max實驗前后的F0變化率,可以看到,實驗后揚聲器的F0變化率超出30%,最高變化率為38%。這表明100 支Conex 支片經(jīng)實驗后的位移回歸性變差。表2 是揚聲器在最大位移處經(jīng)長期額定實驗后的F0變化率,長期額定實驗后,亦發(fā)現(xiàn)有支片開裂,未開裂喇叭實驗后的F0變化率在20%或以上,F(xiàn)0最大變化率為22.8%。表1 和表2 的結果充分說明了目前選用的100 支Conex 作為支片材料的耐疲勞及回復性是不能滿足要求的,需要優(yōu)化支片的選材。

        表1 支片未斷裂的揚聲器在X-Max 實驗前后的F0 變化

        表2 支片未斷裂的揚聲器在長期額定實驗前后的F0 變化

        1.2 支片材料對斷裂的影響分析

        從支片選材方面考慮,一般來說,Conex 材料的強度和延展率比較高,高的延展率會造成支片在振動時的抑制不足。同時,Conex 是由短纖維構成,且纖維表面光滑、沒有分絲帚化特征[4],纖維之間的結合力完全依靠含浸的酚醛樹脂,當Conex 支片有較大的位移且較難抑制回復時,由于支片的波紋結構限制,可能會造成其縱向耐彎曲性能變差,進而導致開裂。所以,對本案例支片的選材,建議能夠抑制支片的延展效果,提升回復能力,也即選用拉伸強度合適、延展率適當?shù)陀贑onex 的材料。

        2 改善方案及分析

        為了改善100 支Conex 的縱向耐彎曲性能,可以從增加支片強度,減小支片位移、纖維紗織密度,增加纖維的長度及纖維結合力等方面研究。在原支片結構的基礎上,將100 支Conex 材料更換為紗織更粗的基材或混紡材料,如60 支/80 支Conex 以及Conex 的混紡材料,并相應地調整支片位移,以期能達到改善支片斷裂的問題。

        2.1 支片材料的拉伸性能及分析

        按照《紡織品織物拉伸性能第1 部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》(GB/T 3923.1—2013)標準方法測試材料的拉伸性能,樣條寬度為50 mm,標距200 mm,拉伸速率為100 mm·min-1。取5pcs 樣條的算術平均值。測試儀器采用海達有限公司的伺服拉力實驗機。幾種支片基材的力學性能如圖2 所示??梢钥闯?,100 支Conex 的徑向/緯向拉伸強度比較低,低于80 支Conex 及80 支混紡材料。60支Conex的徑向拉伸強度遠大于緯向,方向性較強,其余材料的經(jīng)緯向拉伸強度相近。

        圖2 不同支片基材的經(jīng)緯向拉伸強度

        不同支片基材的經(jīng)緯向斷裂伸長率如圖3 所示??梢钥闯?,Conex 材料具有比混紡材料較高的延展率。60 支混紡和80 支混紡的斷裂伸長率較低,其中80 支混紡的斷裂伸長率為5%(經(jīng)緯向相同),60 支混紡的徑緯向斷裂伸長率分別為8%和5.5%,均低于100 支Conex 的斷裂伸長率。這是由于混紡材料中有棉纖維,棉纖維具有粗細不均、分絲帚化的特點[5],比Conex 能含浸更多的酚醛樹脂,再加上棉纖維的延展低于Conex,從而造成混紡材料的低延展率。

        圖3 不同支片基材的經(jīng)緯向斷裂伸長率

        綜合拉伸強度及斷裂伸長率來看,混紡支片材料的延展率遠低于Conex,進而可以判定混紡支片會有較好的位移抑制效果,因此選取混紡支片作為后續(xù)改善的方向。

        2.2 支片的SPM 測試及分析

        將熱壓成型好的定心支片,用聲波激勵的共振法測試得到支片的力撓度、剛性曲線及相關參數(shù)。使 用KLIPPEL R&D System 的SUSPENSION PART MEASUREMENT(SPM)模塊[4]進行測試。在Klippel SPM 模塊測試過程中,支片最大位移量時的剛性稱為有效剛度Keff。Keff忽略了剛度與位移的變化,通過一個單獨的值表示了有效行為。該值取決于刺激信號的特性和測量過程中出現(xiàn)的峰值位移。

        對100 支Conex 支片(對比例)、80 支混紡支片、60 支混紡支片進行SPM 測試,結果如圖4、圖5 所示。從圖4 可以看出,100 支Conex 支片的振動抑制效果沒有混紡材料的好,其力-位移曲線不收斂或在較大位移時收斂,從剛性-位移曲線也可得出相似結論,如圖5 所示。從表3SPM 測得的三種支片的有效剛度可以得出,100 支Conex 的有效剛度較低,相應的支片在最大位移處的抑制作用較差。這進一步佐證了100 支Conex 由于基材的延展較大、抑制作用較差造成了支片疲勞,引起F0變化率的較大差異。結合拉伸性能及對支片SPM 測試結果的分析,選用混紡支片進行裝機測試。

        圖4 SPM 測得的三種支片的力撓度-位移曲線圖

        圖5 SPM 測得的三種支片剛性-位移曲線圖

        表3 SPM 測得的三種支片的有效剛度

        2.3 揚聲器性能及可靠性實驗

        結合上述分析,將100 支Conex 支片、80 支混紡支片、60 支混紡支片裝機測試喇叭性能。三種喇叭的共振頻率及諧波失真無明顯差別,性能上無變化。對揚聲器進行參數(shù)測試,結果如表4 所示,80 支混紡支片和100 支Conex 支片的喇叭F0相近,而60 支混紡支片喇叭F0比100 支Conex 支片喇叭高出16%,F(xiàn)0差異較大。從Kms的數(shù)值對比可以看出,60 支混紡支片喇叭的Kms也遠高于另外兩種材料的支片喇叭。所以,從裝機測試的結論來看,80 支混紡支片所裝的喇叭性能更接近原100 支Conex 支片喇叭的性能。

        表4 三種支片裝機測試的主要喇叭參數(shù)

        將80 支混紡支片材料投入到功率實驗(X-Max 和長期額定實驗),實驗后的F0變化率如表5 和表6 所示。功率實驗后,80 支混紡支片喇叭的F0變化率在20%以內,支片的回歸性能通過,且喇叭在實驗前后的性能無變化??紤]到60 支混紡支片喇叭偏離了Kms的要求,最終選取80 支混紡支片的設計方案。

        表5 80 支混紡支片喇叭在X-Max 實驗前后的F0 變化

        表6 80 支混紡支片喇叭在長期額定實驗前后的F0 變化

        3 結 語

        支片材料的延展率與支片在最大振動位移時的抑制作用有很大關聯(lián),混紡材料的延展率低于Conex,SPM 測試混紡支片在較大位移時表現(xiàn)出更好的收斂效果。支片在最大位移振動時的不收斂,在功率實驗時很容易造成斷裂失效破壞以及功率前后喇叭F0的不穩(wěn)定,影響揚聲器的可靠性。本案例旨在為同行業(yè)的設計人員提供支片相關材料的選材建議,也為支片斷裂的失效分析提供了參考方法。

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