基于Conex 彈波斷裂的失效分析及改善

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(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)以及確定揚(yáng)聲器的共振頻率等[1-3]。其中，支片沿軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要支片具有很好的耐疲勞性能及位移抑制能力。當(dāng)支片的結(jié)構(gòu)不變時(shí)，耐疲勞性能與抑制作用主要與支片的材料和工藝有關(guān)。而從材料方面考慮，支片基材的纖維材質(zhì)、長短、分絲程度、纖維組成、對(duì)樹脂的吸收能力等是主要的影響因素。結(jié)合支片斷裂失效的案例，可以更好地理解支片材質(zhì)對(duì)性能的影響，從而使材料和揚(yáng)聲器部件性能、甚至是與揚(yáng)聲器的性能產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。本文主要探究了支片材料與支片部件、材料與揚(yáng)聲器性能的內(nèi)在聯(lián)系及宏觀性能表現(xiàn)，為支片的設(shè)計(jì)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(xiàng)目揚(yáng)聲器經(jīng)100 h 功率實(shí)驗(yàn)（7 W）后，支片出現(xiàn)斷裂，斷裂位置處于支片內(nèi)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(yáng)聲器支片斷裂示意圖

未發(fā)生支片斷裂的揚(yáng)聲器，經(jīng)過功率實(shí)驗(yàn)后的F0也有較大的變化率，達(dá)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(yáng)聲器經(jīng)過X-Max實(shí)驗(yàn)前后的F0變化率，可以看到，實(shí)驗(yàn)后揚(yáng)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(shí)驗(yàn)后的位移回歸性變差。表2 是揚(yáng)聲器在最大位移處經(jīng)長期額定實(shí)驗(yàn)后的F0變化率，長期額定實(shí)驗(yàn)后，亦發(fā)現(xiàn)有支片開裂，未開裂喇叭實(shí)驗(yàn)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(jié)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(fù)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(yáng)聲器在X-Max 實(shí)驗(yàn)前后的F0 變化

表2 支片未斷裂的揚(yáng)聲器在長期額定實(shí)驗(yàn)前后的F0 變化

1.2 支片材料對(duì)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(qiáng)度和延展率比較高，高的延展率會(huì)造成支片在振動(dòng)時(shí)的抑制不足。同時(shí)，Conex 是由短纖維構(gòu)成，且纖維表面光滑、沒有分絲帚化特征[4]，纖維之間的結(jié)合力完全依靠含浸的酚醛樹脂，當(dāng)Conex 支片有較大的位移且較難抑制回復(fù)時(shí)，由于支片的波紋結(jié)構(gòu)限制，可能會(huì)造成其縱向耐彎曲性能變差，進(jìn)而導(dǎo)致開裂。所以，對(duì)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(fù)能力，也即選用拉伸強(qiáng)度合適、延展率適當(dāng)?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(qiáng)度，減小支片位移、纖維紗織密度，增加纖維的長度及纖維結(jié)合力等方面研究。在原支片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(yīng)地調(diào)整支片位移，以期能達(dá)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(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定（條樣法）》（GB/T 3923.1—2013）標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試材料的拉伸性能，樣條寬度為50 mm，標(biāo)距200 mm，拉伸速率為100 mm·min-1。取5pcs 樣條的算術(shù)平均值。測(cè)試儀器采用海達(dá)有限公司的伺服拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)。幾種支片基材的力學(xué)性能如圖2 所示。可以看出，100 支Conex 的徑向/緯向拉伸強(qiáng)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(qiáng)度遠(yuǎn)大于緯向，方向性較強(qiáng)，其余材料的經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度相近。

圖2 不同支片基材的經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度

不同支片基材的經(jīng)緯向斷裂伸長率如圖3 所示?？梢钥闯觯珻onex 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(xì)不均、分絲帚化的特點(diǎn)[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(qiáng)度及斷裂伸長率來看，混紡支片材料的延展率遠(yuǎn)低于Conex，進(jìn)而可以判定混紡支片會(huì)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(cè)試及分析

將熱壓成型好的定心支片，用聲波激勵(lì)的共振法測(cè)試得到支片的力撓度、剛性曲線及相關(guān)參數(shù)。使 用KLIPPEL R&D System 的SUSPENSION PART MEASUREMENT（SPM）模塊[4]進(jìn)行測(cè)試。在Klippel SPM 模塊測(cè)試過程中，支片最大位移量時(shí)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(gè)單獨(dú)的值表示了有效行為。該值取決于刺激信號(hào)的特性和測(cè)量過程中出現(xiàn)的峰值位移。

對(duì)100 支Conex 支片（對(duì)比例）、80 支混紡支片、60 支混紡支片進(jìn)行SPM 測(cè)試，結(jié)果如圖4、圖5 所示。從圖4 可以看出，100 支Conex 支片的振動(dòng)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(shí)收斂，從剛性-位移曲線也可得出相似結(jié)論，如圖5 所示。從表3SPM 測(cè)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(yīng)的支片在最大位移處的抑制作用較差。這進(jìn)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(jié)合拉伸性能及對(duì)支片SPM 測(cè)試結(jié)果的分析，選用混紡支片進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試。

圖4 SPM 測(cè)得的三種支片的力撓度-位移曲線圖

圖5 SPM 測(cè)得的三種支片剛性-位移曲線圖

表3 SPM 測(cè)得的三種支片的有效剛度

2.3 揚(yáng)聲器性能及可靠性實(shí)驗(yàn)

結(jié)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(jī)測(cè)試?yán)刃阅?。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(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，結(jié)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(duì)比可以看出，60 支混紡支片喇叭的Kms也遠(yuǎn)高于另外兩種材料的支片喇叭。所以，從裝機(jī)測(cè)試的結(jié)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(jī)測(cè)試的主要喇叭參數(shù)

將80 支混紡支片材料投入到功率實(shí)驗(yàn)（X-Max 和長期額定實(shí)驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)后的F0變化率如表5 和表6 所示。功率實(shí)驗(yàn)后，80 支混紡支片喇叭的F0變化率在20%以內(nèi)，支片的回歸性能通過，且喇叭在實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)方案。

表5 80 支混紡支片喇叭在X-Max 實(shí)驗(yàn)前后的F0 變化

表6 80 支混紡支片喇叭在長期額定實(shí)驗(yàn)前后的F0 變化

3 結(jié) 語

支片材料的延展率與支片在最大振動(dòng)位移時(shí)的抑制作用有很大關(guān)聯(lián)，混紡材料的延展率低于Conex，SPM 測(cè)試混紡支片在較大位移時(shí)表現(xiàn)出更好的收斂效果。支片在最大位移振動(dòng)時(shí)的不收斂，在功率實(shí)驗(yàn)時(shí)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(yáng)聲器的可靠性。本案例旨在為同行業(yè)的設(shè)計(jì)人員提供支片相關(guān)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。