一種新型蜂鳴器的設(shè)計(jì)

陳漢寧，王永懷

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞721300)

1 概述

隨著應(yīng)用地域的擴(kuò)大和整車性能的不斷提高，特別是在礦山、戈壁灘等惡劣路況、惡劣環(huán)境條件下，要求車載聲響報(bào)警系統(tǒng)用蜂鳴器具備抗強(qiáng)振動(dòng)、沖擊能力，同時(shí)有較高的可靠性;特別是，在噪聲較大特殊環(huán)境情況下，普通蜂鳴器聲壓只有80分貝左右，極易淹沒在周圍的環(huán)境噪聲之中，聽不清或者聽不到，在此情況下，有針對(duì)性地提出了需要研制一種新型蜂鳴器。

該新型蜂鳴器是一種聲響報(bào)警用汽車電器元器件，具有體積小(Φ38mm×38mm)、重量輕(58g)、結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝、聲壓大(120分貝)的特點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性能力強(qiáng)，特別適合礦山、野外作業(yè)的越野車、重型汽車和履帶車以及其它報(bào)警設(shè)備作為聲響報(bào)警使用。

產(chǎn)品外形示意圖如下(圖1)。

2 設(shè)計(jì)方案的確定

2.1 設(shè)計(jì)分析(FMEA)

現(xiàn)有蜂鳴器潛在失效分析，我們先看幾張蜂鳴器的圖片:

圖1 蜂鳴器示意圖

這幾款蜂鳴器是目前國(guó)內(nèi)較常見的車載蜂鳴器，通常路況應(yīng)用不存在問(wèn)題。若要使用在礦山、戈壁灘等惡劣路況下的重型車輛上或履帶車上，其耐振動(dòng)、沖擊能力就存在不足;同時(shí)，礦山、戈壁灘等惡劣路況下，環(huán)境噪聲大，普通蜂鳴器蜂鳴聲基本上聽不見。

失效現(xiàn)象a:蜂鳴器不響

失效分析:圖2、圖3、圖4結(jié)構(gòu)的蜂鳴器其元器件主要是懸空焊接在印制電路板上，無(wú)減振設(shè)計(jì)，在振動(dòng)、沖擊情況下易引起元器件在印制電路板上諧振。同時(shí)，當(dāng)在礦山、戈壁灘等惡劣路況下出現(xiàn)較強(qiáng)的車輛顛簸時(shí)，強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊會(huì)加劇諧振出現(xiàn)，容易造成元器件管腳斷裂或焊點(diǎn)開裂，導(dǎo)致蜂鳴器不響，形成失效。

失效現(xiàn)象b:蜂鳴器蜂鳴聲音變音

失效分析:圖2、圖3、圖4結(jié)構(gòu)蜂鳴器中蜂鳴片(或鳴響器)焊接于印制電路板之上，在強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊作用下，印制電路板對(duì)諧振有放大作用，造成圖2、圖3、圖4結(jié)構(gòu)蜂鳴器中蜂鳴片(或鳴響器)部位出現(xiàn)強(qiáng)振動(dòng)，導(dǎo)致蜂鳴器蜂鳴聲音出現(xiàn)啞音或變音。

2.2 可靠性設(shè)計(jì)

2.2.1 蜂鳴器的指標(biāo)

溫度范圍:－45℃—85℃、工作電壓:28vd.c、聲壓:120dB、沖 擊:40m/s2、振 動(dòng):10Hz—3000Hz，294m/s2、壽命:1000h。

2.2.1.1 普通蜂鳴器的指標(biāo)

根據(jù)SJ/T 10660－1995《聲響器和蜂鳴器通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，蜂鳴器的振動(dòng)要求如表1所示:

表1 普通蜂鳴器振動(dòng)要求

SJ/T 10660－1995《聲響器和蜂鳴器通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定沖擊指標(biāo)。

2.2.1.2 新型蜂鳴器要達(dá)到的指標(biāo)

a、振動(dòng)指標(biāo)如下:加速度294m/s2，頻率范圍10Hz～3000Hz，

三個(gè)正交軸的每一軸的兩個(gè)方向，各向掃描3次，時(shí)間15min。

b、沖擊指標(biāo)如下:沖擊為后峰鋸齒脈沖波，波形要求如圖5，峰值加速度P=392m/s2，持續(xù)時(shí)間TD=19ms。三個(gè)正交軸的每一軸的兩個(gè)方向上進(jìn)行三次沖擊。

圖5 后峰鋸齒形參數(shù)和允差

通過(guò)指標(biāo)對(duì)比可以看出，新型蜂鳴器的振動(dòng)、沖擊指標(biāo)是針對(duì)惡劣路況下的礦山、野外作業(yè)的越野車、重型汽車和履帶車制定的。

2.2.2 抗振動(dòng)和沖擊可靠性設(shè)計(jì)

針對(duì)以上普通蜂鳴器在抗振動(dòng)和沖擊方面的不足，該新型蜂鳴器的設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面去加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)可靠性:

設(shè)計(jì)方案:采取分區(qū)設(shè)計(jì)、緩沖減震設(shè)計(jì)，提高抗振動(dòng)、沖擊性能。

圖6 新型蜂鳴器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2.1 分區(qū)設(shè)計(jì):

新型蜂鳴器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上總共分成三個(gè)區(qū)(見圖6):中心控制區(qū)、音響振蕩區(qū)和回音腔室。三室彼此隔離，經(jīng)組裝后采取分層、分區(qū)、分次裝配后灌封粘接成一體。

a、音響振蕩區(qū):音響振蕩區(qū)內(nèi)放置蜂鳴片。將蜂鳴片壓入下罩殼特制卡臺(tái)中，然后在蜂鳴片的周邊用硅橡膠固定。蜂鳴片與印制電路板在兩個(gè)單獨(dú)區(qū)域，互不影響，避免印制電路板諧振影響蜂鳴片出現(xiàn)啞音或變音，提高產(chǎn)品抗振動(dòng)和沖擊能力和長(zhǎng)期工作可靠性。

b、中心控制區(qū):中心控制區(qū)有集成塊和元器件部分、印制電路板、底座、引出線和下罩殼組成。將集成塊和元器件部分焊接在印制電路板上，通過(guò)防潮處理后兩面用硅橡膠灌封固定(見圖7、圖8)。通過(guò)橡膠緩沖減輕諧振的影響，避免元器件在強(qiáng)振動(dòng)、沖擊下管腳斷裂或焊點(diǎn)開裂，提高產(chǎn)品抗振動(dòng)和沖擊能力。同時(shí)采取防潮處理，提高元器件的絕緣性能，從而提高了產(chǎn)品長(zhǎng)期使用可靠性。

圖7 控制電路正面

圖8 控制電路側(cè)面

將音響振蕩區(qū)裝配完成后，通過(guò)軟引線將蜂鳴片和印制電路板連接。將裝配好的印制電路板部分裝入下罩殼中，然后將底座通過(guò)螺紋旋入下罩殼;底座旋緊后，在引線和底座孔之間灌封密封膠固化，將底座、引線、線路板部分灌封成一體，提高產(chǎn)品整體抗振動(dòng)和沖擊能力。

2.2.2.2 緩沖減振、防沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通蜂鳴器安裝如圖2、圖4所示，安裝腳設(shè)計(jì)在產(chǎn)品底座最下方。產(chǎn)品中元器件距離安裝位置越遠(yuǎn)，越容易出現(xiàn)元器件諧振現(xiàn)象，加大了產(chǎn)品失效幾率。

新型蜂鳴器緩沖減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):

a、安裝固定形狀設(shè)計(jì):

安裝固定形狀由圖2所示的安裝螺釘孔改為圓形螺母(圖6序號(hào)4)安裝，一方面增加安裝腳固定部分面積，安裝更加牢靠，提高了產(chǎn)品抗振動(dòng)、沖擊能力;同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)圖2所示結(jié)構(gòu)的安裝腳斷裂、螺釘脫落等現(xiàn)象，從而提高產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠工作;另一方面通過(guò)圓形螺母連接更加快捷，提高裝配、維修效率。

b、安裝位置調(diào)整

新型蜂鳴器安裝螺母位置在產(chǎn)品的中部(音響振蕩區(qū))。安裝螺母與蜂鳴片基本在同一水平位置，避免了蜂鳴片遠(yuǎn)離安裝位置而發(fā)生諧振造成的聲音變化，提高產(chǎn)品長(zhǎng)期工作可靠性。

產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上分區(qū)布置，采用緩沖減振設(shè)計(jì)、防沖擊設(shè)計(jì)，可增強(qiáng)產(chǎn)品的抗振動(dòng)、抗沖擊能力。

2.2.3 回音增效設(shè)計(jì)

針對(duì)普通蜂鳴器聲壓較小的不足，新型蜂鳴器主要采取回音腔室增效設(shè)計(jì)方案，達(dá)到增大聲壓的目標(biāo)。

普通蜂鳴器(外形尺寸為Φ45mm左右)采用蜂鳴片發(fā)聲后，通過(guò)音腔直接輸出，聲壓只有80分貝左右。國(guó)內(nèi)聲壓能夠達(dá)到100分貝左右的蜂鳴器采用的蜂鳴片體積較大，蜂鳴器外形尺寸為Φ60mm×55mm，體積、重量較大，安裝不方便。

新型蜂鳴器設(shè)計(jì)思路是高聲壓、小型化，外形尺寸只有Φ38mm×38mm。在本次設(shè)計(jì)中，一方面通過(guò)在電路上采取電壓提升、功率放大等措施提高聲壓;另一方面大膽嘗試回音腔室增效設(shè)計(jì)方案，即在中罩殼位置上部音腔部分設(shè)計(jì)一個(gè)回音腔室(見圖9、圖10所示)。

回音腔室增效設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是將音響振蕩區(qū)與音腔分區(qū)設(shè)計(jì)，蜂鳴片發(fā)聲后，使聲波信號(hào)不直接從音響振蕩區(qū)輸出，而是經(jīng)過(guò)回音腔室，通過(guò)聲波的多次折射后，對(duì)音響振蕩信號(hào)進(jìn)行回音增效后，通過(guò)上罩殼發(fā)聲孔輸出產(chǎn)生更強(qiáng)、更大的聲壓。

圖9 回音腔室結(jié)構(gòu)解剖圖

圖10 回音腔室位置

采用回音增效設(shè)計(jì)方案不僅能夠有效提升聲壓，還能夠避免灰塵直接落入蜂鳴器中，影響蜂鳴片的發(fā)聲，提高了產(chǎn)品長(zhǎng)期工作可靠性。

2.3 工作原理

該新型蜂鳴器采用COMS數(shù)字集成邏輯控制芯片，內(nèi)部設(shè)計(jì)二次穩(wěn)壓電路對(duì)集成電路芯片供電、同時(shí)設(shè)計(jì)濾波抗干擾電路及防極性反接保護(hù)電路，音頻振蕩電路。電源信號(hào)輸入后，經(jīng)過(guò)控制電路電壓提升、功率放大后，由蜂鳴片振動(dòng)輸出蜂鳴聲，聲壓振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)回音腔室，通過(guò)聲波的多次折射后，對(duì)音響振蕩信號(hào)進(jìn)行回音增效后，通過(guò)上罩殼發(fā)聲孔輸出更強(qiáng)、更大的聲壓。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)情況

按照2.2.1.2條的規(guī)定，對(duì)新型蜂鳴器振動(dòng)、沖擊指標(biāo)，進(jìn)行了摸底試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 試驗(yàn)情況

新型蜂鳴器從初樣、正樣、鑒定批裝配，聲壓檢驗(yàn)均能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo):聲壓＞120分貝。新型蜂鳴器的摸底試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)后，聲壓均能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo):＞120分貝。

4 解決的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

4.1 分區(qū)設(shè)計(jì)、緩沖減振設(shè)計(jì)

新型蜂鳴器結(jié)構(gòu)上總共分成三個(gè)區(qū)(圖6):中心控制區(qū)、音響振蕩區(qū)和回音腔室。三個(gè)區(qū)彼此隔離，采取分層、分區(qū)、分次裝配后灌封粘接成一體，有效的防止了元器件、印制電路板、蜂鳴片之間的諧振影響，同時(shí)采用緩沖減震、防沖擊設(shè)計(jì)，有效的增強(qiáng)了產(chǎn)品抗振動(dòng)、抗沖擊能力。

4.2 回音腔室設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最大亮點(diǎn)是回音腔室設(shè)計(jì)?；匾羟皇以O(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是將音響振蕩區(qū)與音腔分區(qū)設(shè)計(jì)，蜂鳴片發(fā)聲后，使聲波信號(hào)不直接從音響振蕩區(qū)輸出，而是經(jīng)過(guò)回音腔室，通過(guò)聲波的多次折射后，對(duì)音波振蕩信號(hào)進(jìn)行回音增效后，通過(guò)上罩殼發(fā)聲孔發(fā)出更強(qiáng)、更大的聲壓，達(dá)到聲壓＞120分貝的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型蜂鳴器在結(jié)構(gòu)上分區(qū)布置，采用緩沖減振、防沖擊設(shè)計(jì)，有效增強(qiáng)了產(chǎn)品的抗振動(dòng)、抗沖擊能力;同時(shí)采用回音腔室設(shè)計(jì)，通過(guò)聲波的多次折射后，對(duì)音波振蕩信號(hào)進(jìn)行回音增效，達(dá)到提高聲壓的設(shè)計(jì)目標(biāo)。新型蜂鳴器工作可靠性高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，特別適合特種車輛和越野車型以及重型汽車、履帶車配套使用。

［1］ 王錫吉，電子設(shè)備可靠性工程，1999.

［2］ SJ/T 10660－1995《聲響器和蜂鳴器通用技術(shù)條件》.

［3］ 鄒海峰，小型電磁繼電器.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1984.