列车网络监控系统显示器的振动测试及改进

丁 杰

(1. 湖南文理学院 机械工程学院，湖南 常德 415000；2. 湖南文理学院 国际学院，湖南 常德 415000)

列车网络监控系统主要用于监视列车运行时车辆设备的工作状态，对于列车的安全可靠运行具有重要的作用[1]。由于列车运行过程中，除了轮轨激励，列车内部的变压器、风机等设备的振动噪声传递以及产品自身的激励源作用都会对列车网络监控系统的可靠性产生影响。

王鹏 等[2-3]基于应力-强度模型推导的可靠度计算公式，对分布式列车网络通信与控制系统在高低温使用环境下的可靠度进行了评价，还对列车运行监控主机的可靠性鉴定试验设计了温度、湿度、振动、冲击、浪涌等应力组成的综合环境条件。朱建山 等[4]针对诱发显示器故障模式的高温和振动因素设计了可靠性强化试验方案。胡子昂 等[5]针对加固液晶显示器在振动环境出现的漏光问题，通过建立有限元模型对比分析了有无振动对液晶显示器光线透过率的影响。

针对某列车网络监控系统显示器广播时出现屏幕闪动问题，本文将对显示器开展振动测试，从时域和频域角度分析故障原因，并结合显示器的振动传递特性提出相应的减隔振方案，为提高列车网络监控系统显示器的可靠应用提供指导。

1 显示器的振动测试及分析

1.1 声音与振动的测点布置

列车网络监控系统显示器在播放广播时，屏幕会出现闪动现象。为确认该现象是否为显示器中的扬声器广播声音激发的振动而引起，在实验室中采用B&K数据采集系统对显示器开展振动测试。

显示器外部的测点主要分布在显示器背部(靠近扬声器的位置)、顶部后端、顶部前端和显示器屏幕等位置，显示器内部的测点主要分布在内层电路板、外层电路板和靠近液晶屏板等位置，如图1所示。测试过程中，在距离扬声器0.4 m处布置传声器，全程采集声音数据。

图1 显示器的振动测点布置

1.2 声音与振动的时域分析

测试过程中，显示器背部的扬声器处于播放状态，播放的声音持续约0.7 s，周期性出现，同时振动信号也与之保持同步，如图2所示。图2中的振动加速度时域信号与声音的声压时域信号的曲线变化趋势基本一致，说明显示器的振动是由扬声器产生的声音所激发。但振动信号与声音信号的幅值变化规律有差异，主要是因为振动信号还与显示器的结构动力学特性高度相关[6-8]。

图2 振动加速度与声音的声压时域信号波形

显示器的扬声器播放时，现场感觉声音音量较大。为定量地描述其声音大小，对声音数据进行时域分析。图3为广播声音的A计权声压级随时间的变化曲线。由图3可以看出，A计权声压级曲线随时间周期性变化，其中最大可以达到94 dB，最小约为54 dB，声压级跨度约为40 dB。一个周期内，声音的平均声压级约为92.8 dB。

图3 广播声音的A计权声压级随时间变化曲线

对显示器振动加速度信号进行时域分析。图4为显示器不同测点的振动加速度对比。

图4(a)表示显示器各测点的振动峰值对比，可以看出：(1)各测点中，扬声器最靠近振源，峰值最大，其中扬声器垂向峰值超过50 m/s2；(2)各测点3个方向的振动峰值中，垂向最大，即垂向是振动向屏幕端传递的主要方向；(3)屏幕垂向振动峰值较大，约31 m/s2，说明显示器背部扬声器对前端屏幕影响较大，现场也能通过手感觉到屏幕振感较为明显；(4)显示器内部2层电路板垂向振动峰值偏大，都接近20 m/s2，内层电路板略大于外层电路板，除扬声器附近、显示器屏幕测点外，内层电路板振动峰值大于其他测点，振动冲击偏大，可能会对电路板性能产生影响。

图4 不同测点的振动加速度对比

提取一个周期振动信号的有效值进行分析，图4(b)为显示器各测点全频段(分析频率为0～12.6 kHz)的振动有效值对比。可以看出：(1)各测点横向、纵向和垂向的全频段振动有效值变化趋势与峰值趋势类似，扬声器处最大，其次是显示器屏幕，然后是2层电路板，最后是显示器顶部的测点；(2)3个方向中的全频段有效值以垂向为最大，垂向既是振动传递的主要方向，又是结构动力学特征最明显的方向。

对于一般结构而言，低频振动对结构可靠性的影响要大于中高频振动[9]，图4(c)为显示器各测点在0～500 Hz频段的振动有效值对比。可以看出：(1)各测点在0～500 Hz频段的振动有效值变化趋势与全频段振动有效值变化趋势差异性较大，其中显示器屏幕、靠近液晶屏板等薄板结构的振动有效值更加突出，分别达到4.43 m/s2和2 m/s2；(2)各测点在0～500 Hz频段的垂向振动有效值基本大于其他2个方向；(3)低频振动的传递受结构动力学影响较大，且对结构破坏性更强，内层电路板0～500 Hz垂向振动有效值约为0.5 m/s2，显示器屏幕和靠近液晶屏板的垂向振动有效值更大。因此，扬声器声音产生的振动会对显示器内部的薄板结构振动产生较大的影响，进而影响内部电子元器件的正常运行。

1.3 声音与振动的频域分析

为了解扬声器声音及激发振动的频谱特征，对声音与振动信号分别进行频谱分析。图5是扬声器一个周期信号声音的A计权声压级频谱曲线。由图5可以看出，扬声器声音的A计权声能量主要集中350～750 Hz和3 000～7 000 Hz，其中350～750 Hz区间的峰值较明显，400 Hz附近峰值最大，3 000～7 000 Hz区间存在宽频声音，频谱曲线整体上抬。

图5 扬声器声音的A计权声压级频谱曲线

对主要测点的振动频谱分析大多关注中低频，因此，将分析频率范围设为0～3 200 Hz。图6是扬声器和显示器顶部前端的3个方向振动频谱曲线。

由图6(a)可知：(1)扬声器处振动能量主要集中在800～1 600 Hz，其中低频120～220 Hz、330～400 Hz等也有明显的峰值；(2)在主要频率区域，扬声器处垂向振动频谱基本大于其他2个方向，与时域分析结论一致，同时120～220 Hz垂向振动峰值较为明显，将对显示器屏幕等薄板结构产生影响。

由图6(b)可知：(1)显示器顶部前端的振动频谱与扬声器处振动频谱类似，也是集中在3个频域区间，说明显示器顶部前端的振动主要来自于扬声器；(2)显示器顶部前端的振动频谱与扬声器处频谱存在一定差异，其中330～400 Hz的垂向振动峰值相对更大，主要是由于振动传递及顶部结构特性放大了扬声器处传递过来的低频振动。

图6 扬声器和显示器顶部前端的振动频谱曲线

图7是扬声器和内外层电路板的垂向振动频谱曲线。扬声器垂向振动频谱特征基本涵盖了内外层电路板的振动特征，因此进一步确定内外层电路板的振动来源于扬声器，且由于传递特性的影响，部分频率振动存在放大现象。

图7 扬声器和内外层电路板的垂向振动频谱曲线

图8是显示器屏幕3个方向的振动频谱曲线。与前面所述的测点频谱特征的区别在于：屏幕振动主要集中在400 Hz内的低频(最大峰值在218 Hz，幅值达到1.83 m/s2)，这与屏幕垂向刚度较低而固有频率被激发有关。低频振动区域与扬声器处低频振动区域重叠，说明显示器低频振动来自于扬声器。

图8 显示器屏幕3个方向的振动频谱曲线

图9是各测点垂向振动频谱曲线对比。其中，纵坐标采用dB尺度，以便于体现不同频率处垂向振动的相对大小，红色曲线为扬声器处垂向振动。由图9可以看出，显示器各测点垂向振动频谱与扬声器处振动频谱变化趋势基本一致，但在400 Hz以下，大部分测点频谱都大于扬声器处振动频谱，其中屏幕和靠近液晶屏板的振动放大明显。因此可以认为，显示器所有部位的振动均来自于扬声器的声音激发，且低频振动在传递过程中存在放大现象。

图9 各测点垂向振动频谱曲线对比

2 显示器的振动传递特性及减隔振

2.1 锤击响应分析

为进一步研究从扬声器到屏幕的振动传递特性，本文进行了锤击试验，其中力锤作用在扬声器附近，同时测量屏幕振动加速度数据。图10为屏幕处振动加速度响应信号频谱曲线。由图10可以看出，在扬声器附近输入近似脉冲激励后，屏幕处低频区域在180 Hz、378 Hz和466～490 Hz等处存在明显的峰值(可能为屏幕固有频率)，这说明从扬声器到屏幕的传递路径会对180 Hz、378 Hz和466～490 Hz等低频振动存在明显的放大现象。

图10 屏幕处振动加速度响应信号频谱曲线

2.2 振动传递路径分析

前面的分析已经确定，显示器屏幕及其他部位的振动主要是由扬声器播放的声音激发产生。扬声器声音激发其外部壳体和显示器壳体振动，然后传递到显示器外部结构，进一步传递到内部电路板及前端的液晶屏板、屏幕等，图11为显示器的振动传递路径示意图。

图11 显示器的振动传递路径示意图

2.3 扬声器的减隔振方案

扬声器声音激发的振动对显示器图像质量及内部电路板结构均会产生影响，若考虑实际运行时车体本身的振动，显示器的实际振动环境可能更加恶劣。因此，有必要采取一定的减振措施在不降低广播质量的前提下改善显示器的振动环境。一般而言，从声音源本体降噪减振能产生很好的效果，但由于客户对扬声器声音量级和品质有限制，因此，这并非最优的方案。

从声音和振动的传递上考虑减振时，一方面可考虑将扬声器结构更换安装部位，减少其对显示器的影响；另一方面可采取合适的减隔振措施，降低扬声器声音对显示器振动的影响。受安装空间的限制，显示器的结构非常紧凑，扬声器的安装部位难以进行较大的调整，本文将主要从减隔振措施方面入手[10-11]。

根据图11所示的显示器振动传递路径，为减少扬声器声音对显示器的影响，需要隔离或减少通道2、3的振动传递。为此，扬声器减隔振方案如图12所示，具体为：封闭扬声器壳体底部，减少声音对显示器的直接激励，电源线可从侧面引入；扬声器壳体底部通过弹性连接固定在显示器上，弹性连接可以考虑橡胶密封圈、橡胶减振器和弹簧等。由于前面分析已确定扬声器声音激发频率主要在120 Hz以上，因此可以考虑将120 Hz作为减振目标频率，减振系统刚体模态固有频率宜控制在60 Hz以下，作为振动主要传递方向的垂向固有频率则宜控制在30 Hz以下，据此可选择合适的弹性支撑刚度。

图12 扬声器减隔振方案

现场整改采纳了上述减隔振方案，通过增加橡胶密封圈解决了显示器的扬声器声音导致屏幕振动的问题，播放广播时屏幕不再出现闪动现象。该方案已在列车网络监控系统中得到批量应用。

3 结论

通过对某列车网络监控系统显示器的声音振动测试数据进行分析，得出了以下结论：

(1) 显示器各测点的3个方向振动中，垂向振动最大，其中扬声器处垂向振动峰值超过50 m/s2，屏幕垂向振动峰值达到31 m/s2，内部电路板垂向振动峰值接近20 m/s2。

(2) 扬声器处振动能量主要集中在800～1 600 Hz，低频120～220 Hz、330～400 Hz等也有明显的峰值，而低频振动传递受结构动力学影响较大，且对结构破坏性更强。

(3) 通过锤击响应分析和振动传递路径分析，以120 Hz作为减振目标频率的减隔振方案，可以解决该显示器的扬声器声音导致屏幕闪动的问题，提高了显示器应用的可靠性。