扬声器的可靠性技术分析及试验

1 引言
      在人们的日常活动中，经常会涉及到产品的可靠 性问题。但是可靠性学科的诞生并不久远，中国从2O世纪5O年代中期 开始建 立了可靠性试验基地，推动了国产元器件的可 靠性进程，为今天国产元器件广泛地进入世界市场打 下了良好的基础。 
       国已经成为扬声器制造大国，但还没有成为扬 声器制造强国。随着产量的剧增，质量和可靠性尚有待 提高。其实扬声器 的可靠性是中高档产品的重要特征， 对于这一点，有些扬声器制造商认识是不够的，概念也 很模糊。所以要扭转只重视扬声器 性能指标设计，忽视 可靠性设计的倾向，充分认识可靠性的内涵和意义。

2 扬声器的可靠性
2．1可靠性的定义和适用范围 扬声器可靠性的定义是：“扬声器产品在规定的条 件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 ”它是扬 声器产品出厂后的时间质量指标，用来描述扬声器在使用过程中是否易损坏和可靠程度。随着用户要求的 提高，扬声 器结构越来越复杂(如汽车扬声器)，输出功 率越来越大(如PA扬声器)，使用环境越来越严酷(如 户外扬声器)，将会导致扬声器产品的可靠性水平下 降。同时如采用新材料、新工艺或新技术，也会使扬声 器不可靠的因素增多。
     扬声器的可靠性还可定义为：“扬声器产品在规定 的条件下和规定时间内所允许的故障数。”数学表达式 为平均故障间隔时间(MTBF)。可认为随机故障是不可 避免和可接受的，也就导致由于设计原因或制造过程 引起的故障，只要在允许数之内，往往不再作进一步的 追溯。为此，早在1995年国际上就开始对传统的可靠 性定义和随机失效无法避免的旧观念提出了质疑，同 时在可靠性工程中开始推行失效物理方法。在欧洲也 开始用无维修使用期(MFOP)取代原先的MTBF，故障 率浴盆曲线分布规律随之被打破[21。因此，结合失效物 理方法和失效分析方法_3_，设计出不存在随机失效的 扬声器产品或许不是一种妄想。有相当多的国外企业 在这方面已进行了有成效的工作。

可靠性定义中的“规定的条件”决定了可靠性的范 围很广，产品的可靠性与产品的工作状态、使用条件、 储存运输的环境 条件有很大的关系。条件可分为使用 条件和周围环境条件两大类。使用条件是指进入产品 内部而起作用的应力条件，包括各种 电应力、化学应力 和物理应力等。周围环境条件包括温度、湿度、气压、有 害气体、霉菌、盐雾、冲击、振动和辐射等各种环境应力 条件。从这个意义上来说，环境试验也归属可靠性试验 范畴。这些应力条件可以单独施加也可以综合施加，综 合施加对扬声器产品的可靠性影响将更为显著。
2．2可靠性技术
2．2．1 降额设计 降额设计的目的是通过设计，使扬声器工作时，让 对扬声器可靠性影响较大的关键部件承受的应力适当 低于常规水平，从而降低其基本失效率。在扬声器系统 设计中，降额设计应用得比较普遍。在扬声器单元设计 时，采用较大面积的定位支片、较大口径的音圈、引线 及引线的整形设计等都体现了降额设计的思想。

2．2．2 冗余设计 冗余设计的思想由于成本的关系，在扬声器或扬 声器系统的设计中体现得并不充分。多股编织线的应 用或双定位支片的采用或许可以体现一些冗余设计的 思路。
2．2．3 热设计
扬声器的故障率会随着工作温度的增加而上升， 为降低失效率，就必须降低工作温度。Henricksen C． A．从理论上对扬声器的热传导机理作了讨论[41。扬声 器的发热原因主要是音囤的发热，所以降低扬声器工 作温度可以从降低音圈的发热和提高音圈和磁路的散 热着手。扬声器的热没计方法有：(1)通过在极芯、定位 支片、盆架、纸锥根部、音圈骨架上设计通孑L形成散热 通道。同时也须注意防止设计不良产生气流噪声。(2) 使用磁流体，提高音圈散热能力。该方法有时不能与方 法(1)并用。(3)使用黑色器件，提高器件的热辐射和热 传导能力。(4)在成本允许的情况下，增加散热片进行 散热。(5)对于极高功率且连续使用的扬声器，可能需 要采用油冷或水冷技术才能提高可靠性。(6)提高材料 和胶粘剂的耐热。很多扬声器设计人员在碰到问题时 会本能地采用这个办法，但是单纯提高材料和胶粘剂 的耐热并不是好的可靠性设汁思路。因为胶粘剂和材 料的稳定性有可能成为扬声器可靠性提高的不确定因 素。当然，在使用橡胶或塑料部件时，仍需特别关注这 些部件对温度或温度冲击的耐受性。

2．2．4可靠性预计 可靠性预计一直存在争议，有人提出应使用可靠 性估计这个词，因为在实践_中发现可靠性预计与产品的实际可靠性关联很小，缺乏经验或应用不当只能产 生低劣的设计。在GJB／Z299B一98《电子设备可靠性预 计手册》圈中，没有像其它元器件那样给出扬声器失效 率数学模型，而是直接给出扬声器的工作失效率为 p=O．13xl0~／h。

3 扬声器的可靠性试验
由于扬声器的用户范围极广，扬声器可靠性的试 验方法大同小异，但是在试验应力和失效判据上存在 一定差异，所以笔者主要从试验目的、试验应力和失效 判据方面作讨论。

3．1可靠性试验分类 可靠性试验通常分为环境试验、寿命试验、筛选试 验、现场试验和鉴定试验等。扬声器的可靠性试验经常 接触到的是环境试验、寿命试验和现场试验。 扬声器的最大噪声功率试验在某种程度上可以反 映扬声器可靠性的状态，但并不是严格意义上的可靠 性试验。然而因为其试验方法、试验应力和失效判据 等，与其它可靠性试验项目有很大的关联，一些争议也 源于对该试验的认识，需要作一些讨论。 该试验项目的节目源滤波器常见的有GB，IEC， DIN、JIS、EIA和IHF等，前4项是等效的，有些用户可 能不是很了解，需要作好解释。相当多的国外用户，尤 其是大用户要求在20 Hz～20 kHz范围内进行试验，这 与GB标准的规定是有区别的，试验结果表现为失效 率升高。 、 GB厂r9397—1996《直接辐射式电动扬声器通用规 范》阎中对失效判据的描述是“试验后应无热损伤和机 械损伤，并符合4．2要求”。通用规范中4．2要求是对发 声异常的判定，发声异常是指无声、碰圈、明显垃圾声、 严重异常声和机械声等。所以试验失效判据应该并列 分为两类，第一类是热损伤和机械损伤，第二类是发声 异常。实际的情况是第二类失效(发声异常)发生时，一 定出现了第一类失效(热损伤和机械损伤)。第一类失 效(热损伤和机械损伤)发生时却不一定就能明显觉察 出第二类失效(发声异常)，例如扬声器的多股编织线 断了若干股，已出现打火现象，在特殊环境下使用已具 备危险性，但是纯音检听仍能符合通用规范中4．2要 求。又例如使用塑胶部件的扬声器，塑膝件出现变形或 热熔现象，在试验室条件下纯音检听也能符合通用规 范中4．2要求，但是由于实际使用条件或安装条件的 差异，却可能使扬声器塑胶件的该类变形或热熔现象趋于严重而导致失效。所以仅以第二类失效作为该试 验的失效判据是片面的，这是产生试验结果争议的主 要原因。 有些用户对试验前后的扬声器指标的变化幅度会 提出要求，如谐振频率、阻抗和灵敏度等，变化幅度如 给得较小，对中低档扬声器而言，有相当的难度。 试验后的纯音检听功率，有相当多的用户要求在 额定功率下检听。

3．2寿命试验
扬声器的寿命试验是扬声器可靠性试验的重要内 容，通过这个试验，可以了解产品的失效规律、失效率 和平均寿命等可靠性特征量。为了解决试验样品数量 和试验周期的矛盾，可以采用加速寿命试验。加速寿命 试验分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命 试验和序进应力加速寿命试验。SJ／T10601-94t71((家用 扬声器可靠性要求及试验方法》和EIA一426B-1998f8 (Loudspeakers，Optimum Amplifier Power)提供了扬 声器的寿命试验和恒定应力加速寿命试验的方法。 AES2—1984(r2003)t91(AES Recommended Practice Specification．of Loudspeaker Components Used in Professional Audio and Sound Reinforcement)可利用 作为扬声器步进应力加速寿命试验的参考。步进应力 加速寿命试验可以用来确定扬声器承受安全电应力的 极限水平，在对不同批次或不同厂家的扬声器进行比 较时，便于探明工艺变化或设计变化对产品性能的影 响。需要注意的是：扬声器步进应力加速寿命试验只应 作为扬声器恒定应力加速寿命试验的预备试验或扬声 器恒定应力加速寿命试验的补充试验。 在进行扬声器寿命试验时，对试验样品的监控保 证了试验结果的准确性。由于扬声器特别是大功率扬 声器的特殊性，监控通常比较困难。利用PC平台的试 验设备可以较好地解决这个问题。国内已开始生产这 种仪器。

3．3机械试验
GB／T9397—1996《直接辐射式电动扬声器通用规 范》 规定了扬声器的基础机械试验内容，可以参照执 行。但是有些用户尤其是大的汽车制造商，给出的要求 高于该标准。例如跌落试验，增加了无包装跌落项目， 有包装时跌落方向为一角三边六面；滑落冲击试验，角 A从6O。增加到75。，滑落直线距离从600 mm增加到 l 000 mm；碰撞试验，增加门撞击试验(现场试验)，波 形为近似半正弦波，加速度300 m／s ，持续时问6 ms，撞击次数100 000次，扬声器垂直安装。

3．4气候环境试验 气候环境试验主要是指温湿度试验。汽车或户外 扬声器试验温度范围可能扩大31J-4o-85。C。

3．5温度循环冲击试验
  扬声器的温度循环冲击试验是扬声器的极限应力 试验的一种。该试验的目的是评价扬声器承受极端高 温 与极端低温的能力，以及极端高温与极端低温的交 替变化对扬声器的影响。由于扬声器设计或工艺的原 因，不少扬声器在这个项目上会出现失效。例如布折环 会出现变形等。对于不同的客户，该试验的应力及应力 施加周期会不同。不同的应力及应力施 加周期会得出 不同的结果，相互问并不具备可比性。

3．6 盐雾试验和交变盐雾试验
扬声器盐雾试验㈣的试验目的存在认识上的误 区，与广泛持有的观点相反，该试验不是模拟海洋大气 的影响，而是主要用来评价保护涂层的质量和均匀 性。 模拟海洋大气影响的试验是交变盐雾试验l11】。交 变盐雾试验的严酷等级分为6级。其中3-6级适用于 在含盐大气和干燥大气频繁交替使 用的产品，例如汽 车及汽车零部件。目前，扬声器该类试验的失效判据没 有统一认识，令人颇为困扰。

3．7太阳辐射试验
    扬 声器的太阳辐射试验口 是评价太阳辐射对户外 或汽车扬声器所产生的热效应或光化学效应，试验温 度低温25。C，高温40。c或 55。C。主要失效是外观和机 械失效，特别是扬声器的塑胶部件和带涂层塑胶部件。 该试验实施前提是扬声器产品在使用时暴露 在太阳辐 射下。所以要求扬声器做太阳辐射试验的客户并不是 很多。

3．8淋雨试验
   主要用来观察汽车或户外扬声器对水的渗透性和 密封性。通常扬声器厂不具备淋雨试验的主要试验设 备下雨室，所以该试验一般由整车厂完成。整车厂根据 试验结果将扬声器分成不能暴露于水、有渗水性、无渗 水性和防水等若干等级，然后按照扬声器在汽车上使 用部位的不同，选择不同等级 的扬声器。

 3．9其它试验
气压、有害气体、霉菌和粉尘试验基本上未在扬声 器上实施。限于篇幅，不再赘述。

4 扬声器的可靠性试验设计
为了评估产品的可靠性，必须采用合理的试验方 案，不同的试验方案会得出不同的结果，相互问并不具 备可比性。有时为了尽快找出问题，需要进行加速试验 或极限应力试验，做这些试验时，要注意应力的增加不 要破坏原有的失效分布规律，否则加速试验或极限应 力试验的结果是可疑的。可靠性试验设计应包括试验 样本的规定、试验条件的确定、试验截止时间的确定、 测量周期的确定和失效判据的确定等几个方面。

5 结束语
可靠性学科和可靠性物理学是成熟较晚的学科， 扬声器在可靠性方面尚有很大的研究空间。扬声器可 靠性技术应该贯穿于扬声器的整个寿命期内，在产品 的设计和制造阶段进行可靠性工作，对于提高产品的 固有可靠性十分重要。在进行可靠性试验工作前，扬声 器制造商可能需要与用户开展充分的沟通，便于可靠 性工作的顺利开展。