基于支片波纹形状和基材纱支的断裂改善

王世伟，陈 进，谢守华

（1.国光电器股份有限公司，广东 广州 510800；2.广东省电声电子技术研发与应用企业重点实验室，广东 广州 510800）

0 引言

支片作为扬声器振动系的关键部件，其选材、加工工艺及结构设计直接关系到扬声器的性能表现[1-3]。支片基材种类繁多，主要有Conex/Nomex，Cotton，Maton，PC 及混纺，每种基材均有多种纱支密度规格，也可以对应含浸胶的波美度选择。支片的选材和加工工艺不同，会引起支片部件性能很大的性能差异。本文从扬声器支片的断裂失效案例着手，从基材和支片结构两方面进行分析和改善，为设计工程师提供支片断裂失效的分析方法和经验。

1 问题描述及原因分析

1.1 问题描述

某智能音箱扬声器的支片在功率试验后出现断裂，经过对失效支片的分析，发现支片的径向和纬向均发生纤维断裂，如图1 所示，断裂位置发生在第一波纹或第二波纹处。支片的结构示意如图2所示，所选支片的基材是120 支Conex，支片位移为0.9 mm/100 g，支片含浸胶的波美度为14 °Be＇。

图2 支片的结构示意图

1.2 原因分析

观察支片断裂部位，分析断裂主要有两种原因。其一可能是支片的强度不足，120 支Conex 基材较薄，纱支较细，这会影响支片基材的强度，此外，含浸胶的波美度也会对支片整体强度产生影响；其二可能是振动过程中支撑不足导致冲程加大产生拉裂，这与支片的波纹形状有关[4]。该案例的改善方案主要围绕这两个方向展开。

2 改善方案及结果分析

2.1 测试方法

测试时，有以下3 个重点需要关注。

（1）拉伸强度。按照《纺织品 织物拉伸性能第1 部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》（GB/T 3923.1—2013）测试拉伸性能，样条宽度50 mm，标距200 mm，拉伸速率为100 mm/min。取5 pcs 样条的算术平均值。测试仪器采用海达有限公司的伺服拉力试验机。

（2）杨氏模量。将制备得到的支片材料样片裁剪成60 mm×10 mm 的样条，用声波激励的共振法测试得到杨氏模量，试验结果取经纬方向各测试5 pcs 的平均值。使用Klippel MPM 模块[5]测试。

（3）支片位移测试。将成型好的支片放在夹具上，中孔放置垫片，使用100 g 的砝码施加重量，用支片位移测试仪（型号为TC-LK，腾辰电子有限公司生产）记录支片被压下的位移。

使用Klippel 声学软件测试功率试验前后的扬声器参数和位移-频率曲线。

以上测试在国光电器股份有限公司材料开发实验室进行。

2.2 改善方案之提升支片的强度

改善支片强度的主要方法是更换纱支更粗的支片基材、调整含浸树脂的波美度等。选用基材较厚的100 支Conex 材料，在保持支片位移相同的前提下，100支Conex的强度相对于120支Conex较高。通过加厚基材来改善支片承受应力的能力，提升强度，对应的含浸胶波美度为31°Be＇。两种支片具体的参数对比如表1 所示。

表1 120 支和100 支Conex 支片的材料参数

更换基材及调整波美度后的支片如图3 所示。

图3 调整后的支片实物图

将断裂失效的支片和改善后的支片放在光学显微镜下进行观察，结果如图4 所示。从图4 可以看出，改善后的100 支Conex 支片表面含浸胶更少，没有出现浆纱现象，含浸胶分布也更均匀。

图4 Conex 支片的表面浸胶状态（50X）

使用100 支Conex 支片装机，将对应的扬声器投入功率试验，通过试验来评估该方案的可行性。功率试验后，扬声器无异音且支片未断裂，功率试验前后的扬声器F0变化率为15.23 %（如表2 所示），说明经过功率试验，支片发生了一定的疲劳。通过Klippel 测试扬声器的位移-频率曲线，对比功率试验前后的表现发现，经过功率试验，位移增加了0.3 mm，如图5 和图6 所示。

图5 功率试验前的扬声器位移（不同电压）

图6 功率试验后的扬声器位移（不同电压）

表2 100 支Conex 支片扬声器功率试验前后的参数对比

2.3 改善方案之调整支片的波纹结构

在保持支片基材（120 支Conex）和波美度（14 °Be＇）不变的前提下，调整支片的波纹结构，即增加振纹数量、减小振纹深度、缩小振纹间距，如图7 所示。

图7 调整支片波纹结构示意图（点划线表示调整后的支片波纹形状）

将调整波纹结构后的支片装配扬声器，投入功率试验。功率试验后，扬声器无异音且支片未断裂，功率试验前后的扬声器F0变化率为15%，如表3 所示。说明经过功率试验，支片发生了一定的疲劳。通过Klippel 测试扬声器的位移-频率曲线，试验后位移增加了0.6 mm，如图8 和图9 所示。该方案对应的扬声器在功率试验后产生了更大的位移变化。

图8 功率试验前的扬声器位移（不同电压）

图9 功率试验后的扬声器位移（不同电压）

表3 调整支片波纹结构的扬声器功率试验前后的参数对比

3 试验结论

纱支更粗的100 支Conex 支片基材具有更好的抗拉强度，在较高波美度时可以达到与120 支Conex 支片相同的位移，从而避免了支片浆纱的现象。对比100 支Conex 支片喇叭功率前后的声学参数可知，功率试验后，扬声器无异音且支片未断裂，扬声器F0变化率为15.23%；通过对比位移-频率曲线可知，位移增加了0.3 mm，可以很好地改善120 支Conex 支片断裂的问题。

通过增加振纹数量、减小振纹深度的方法调整支片的波纹结构，功率试验后，扬声器无异音且支片未断裂，功率试验前后的扬声器F0变化率为15%；通过Klippel 测试扬声器的位移-频率曲线，试验后的位移增加了0.6 mm。调整结构方案的支片在功率试验后，扬声器产生了更大的位移变化。

综合对比以上两种方案，更换支片基材及调整波美度的方案在相同功率试验条件下的位移变化率较小。因此优选变更支片基材和波美度的方案，解决了项目的实际问题。

4 结语

支片断裂的问题在扬声器设计阶段或可靠性试验阶段时有发生。设计工程师遇到此类问题时，可以从支片基材类别、纱支密度、含浸胶波美度以及支片结构等多方面进行改善评估，借助材料学、结构力学或仿真相关的知识或模型来优化设计方案。熟悉支片相关材料的基础物性十分关键，可以结合材料力学、材料热学甚至是材料的微观纤维结构等方面的知识来选材或做综合设计评估。