陳漢寧，王永懷

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞721300)

1 概述

隨著應用地域的擴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，要求車載聲響報警系統(tǒng)用蜂鳴器具備抗強振動、沖擊能力，同時有較高的可靠性;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警用汽車電器元器件，具有體積小(Φ38mm×38mm)、重量輕(58g)、結構緊湊、易安裝、聲壓大(120分貝)的特點，環(huán)境適應性能力強，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警設備作為聲響報警使用。

產品外形示意圖如下(圖1)。

2 設計方案的確定

2.1 設計分析(FMEA)

現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內較常見的車載蜂鳴器，通常路況應用不存在問題。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、沖擊能力就存在不足;同時，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。

失效現象a:蜂鳴器不響

失效分析:圖2、圖3、圖4結構的蜂鳴器其元器件主要是懸空焊接在印制電路板上，無減振設計，在振動、沖擊情況下易引起元器件在印制電路板上諧振。同時，當在礦山、戈壁灘等惡劣路況下出現較強的車輛顛簸時，強烈的振動和沖擊會加劇諧振出現，容易造成元器件管腳斷裂或焊點開裂，導致蜂鳴器不響，形成失效。

失效現象b:蜂鳴器蜂鳴聲音變音

失效分析:圖2、圖3、圖4結構蜂鳴器中蜂鳴片(或鳴響器)焊接于印制電路板之上，在強烈的振動和沖擊作用下，印制電路板對諧振有放大作用，造成圖2、圖3、圖4結構蜂鳴器中蜂鳴片(或鳴響器)部位出現強振動，導致蜂鳴器蜂鳴聲音出現啞音或變音。

2.2 可靠性設計

2.2.1 蜂鳴器的指標

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

2.2.1.1 普通蜂鳴器的指標

根據SJ/T 10660－1995《聲響器和蜂鳴器通用技術條件》標準，蜂鳴器的振動要求如表1所示:

表1 普通蜂鳴器振動要求

SJ/T 10660－1995《聲響器和蜂鳴器通用技術條件》標準中沒有規(guī)定沖擊指標。

2.2.1.2 新型蜂鳴器要達到的指標

a、振動指標如下:加速度294m/s2，頻率范圍10Hz～3000Hz，

三個正交軸的每一軸的兩個方向，各向掃描3次，時間15min。

b、沖擊指標如下: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)時間TD=19ms。三個正交軸的每一軸的兩個方向上進行三次沖擊。

圖5 后峰鋸齒形參數和允差

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

2.2.2 抗振動和沖擊可靠性設計

針對以上普通蜂鳴器在抗振動和沖擊方面的不足，該新型蜂鳴器的設計主要從以下幾個方面去加強實現可靠性:

設計方案:采取分區(qū)設計、緩沖減震設計，提高抗振動、沖擊性能。

圖6 新型蜂鳴器結構示意圖

2.2.2.1 分區(qū)設計:

新型蜂鳴器內部結構上總共分成三個區(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)內放置蜂鳴片。將蜂鳴片壓入下罩殼特制卡臺中，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單獨區(qū)域，互不影響，避免印制電路板諧振影響蜂鳴片出現啞音或變音，提高產品抗振動和沖擊能力和長期工作可靠性。

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，通過防潮處理后兩面用硅橡膠灌封固定(見圖7、圖8)。通過橡膠緩沖減輕諧振的影響，避免元器件在強振動、沖擊下管腳斷裂或焊點開裂，提高產品抗振動和沖擊能力。同時采取防潮處理，提高元器件的絕緣性能，從而提高了產品長期使用可靠性。

圖7 控制電路正面

圖8 控制電路側面

將音響振蕩區(qū)裝配完成后，通過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，提高產品整體抗振動和沖擊能力。

2.2.2.2 緩沖減振、防沖擊結構設計

普通蜂鳴器安裝如圖2、圖4所示，安裝腳設計在產品底座最下方。產品中元器件距離安裝位置越遠，越容易出現元器件諧振現象，加大了產品失效幾率。

新型蜂鳴器緩沖減振結構設計:

a、安裝固定形狀設計:

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，提高了產品抗振動、沖擊能力;同時不會出現圖2所示結構的安裝腳斷裂、螺釘脫落等現象，從而提高產品長期可靠工作;另一方面通過圓形螺母連接更加快捷，提高裝配、維修效率。

b、安裝位置調整

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

產品在結構上分區(qū)布置，采用緩沖減振設計、防沖擊設計，可增強產品的抗振動、抗沖擊能力。

2.2.3 回音增效設計

針對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計方案，達到增大聲壓的目標。

普通蜂鳴器(外形尺寸為Φ45mm左右)采用蜂鳴片發(fā)聲后，通過音腔直接輸出，聲壓只有80分貝左右。國內聲壓能夠達到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。

新型蜂鳴器設計思路是高聲壓、小型化，外形尺寸只有Φ38mm×38mm。在本次設計中，一方面通過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計方案，即在中罩殼位置上部音腔部分設計一個回音腔室(見圖9、圖10所示)。

回音腔室增效設計方案的特點是將音響振蕩區(qū)與音腔分區(qū)設計，蜂鳴片發(fā)聲后，使聲波信號不直接從音響振蕩區(qū)輸出，而是經過回音腔室，通過聲波的多次折射后，對音響振蕩信號進行回音增效后，通過上罩殼發(fā)聲孔輸出產生更強、更大的聲壓。

圖9 回音腔室結構解剖圖

圖10 回音腔室位置

采用回音增效設計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，提高了產品長期工作可靠性。

2.3 工作原理

該新型蜂鳴器采用COMS數字集成邏輯控制芯片，內部設計二次穩(wěn)壓電路對集成電路芯片供電、同時設計濾波抗干擾電路及防極性反接保護電路，音頻振蕩電路。電源信號輸入后，經過控制電路電壓提升、功率放大后，由蜂鳴片振動輸出蜂鳴聲，聲壓振動信號經過回音腔室，通過聲波的多次折射后，對音響振蕩信號進行回音增效后，通過上罩殼發(fā)聲孔輸出更強、更大的聲壓。

3 試驗驗證

3.1 振動、沖擊試驗情況

按照2.2.1.2條的規(guī)定，對新型蜂鳴器振動、沖擊指標，進行了摸底試驗和鑒定試驗，試驗均達到設計目標。

3.2 試驗情況

新型蜂鳴器從初樣、正樣、鑒定批裝配，聲壓檢驗均能達到設計目標:聲壓＞120分貝。新型蜂鳴器的摸底試驗和鑒定試驗后，聲壓均能達到設計目標:＞120分貝。

4 解決的技術難點和關鍵技術

4.1 分區(qū)設計、緩沖減振設計

新型蜂鳴器結構上總共分成三個區(qū)(圖6):中心控制區(qū)、音響振蕩區(qū)和回音腔室。三個區(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，同時采用緩沖減震、防沖擊設計，有效的增強了產品抗振動、抗沖擊能力。

4.2 回音腔室設計

該產品設計的最大亮點是回音腔室設計?；匾羟皇以O計方案的特點是將音響振蕩區(qū)與音腔分區(qū)設計，蜂鳴片發(fā)聲后，使聲波信號不直接從音響振蕩區(qū)輸出，而是經過回音腔室，通過聲波的多次折射后，對音波振蕩信號進行回音增效后，通過上罩殼發(fā)聲孔發(fā)出更強、更大的聲壓，達到聲壓＞120分貝的設計目標。

5 結束語

新型蜂鳴器在結構上分區(qū)布置，采用緩沖減振、防沖擊設計，有效增強了產品的抗振動、抗沖擊能力;同時采用回音腔室設計，通過聲波的多次折射后，對音波振蕩信號進行回音增效，達到提高聲壓的設計目標。新型蜂鳴器工作可靠性高，適應環(huán)境能力強，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，電子設備可靠性工程，1999.

［2］ SJ/T 10660－1995《聲響器和蜂鳴器通用技術條件》.

［3］ 鄒海峰，小型電磁繼電器.西安:陜西科學技術出版社，1984.