液晶顯示模塊振動分析與減振加固方案

單正葉 ， 陳永梅 ， 陳 春

（1．特種顯示國家工程實驗室 安徽 蕪湖 241000；2．安徽省現代顯示技術重點實驗室 安徽 蕪湖 241000；3．安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000）

近年來，隨著液晶顯示技術的發展，液晶顯示器以其信息容量大、顯色性好、輕便、薄形、低功耗等優勢，已取代了傳統的CRT顯示器，成為主流顯示器件，不僅在民用領域內得到廣泛應用，在軍工領域內也得到逐步的普及，但液晶顯示器仍存在工作溫度范圍小、耐振動差等固有弱點。

在一些領域，由于必須適應惡劣的工作環境，如飛機、坦克上的振動、沖擊，軍艦上的炮振、高空的強陽光、海面上的鹽霧、潮濕等等。為了使液晶顯示器能夠適應海、陸、空等各種作戰平臺的環境，需要對其進行性能加固，主要是將商用液晶顯示屏經環境、性能等方面的改善，使之能滿足惡劣應用環境的要求，其中的關鍵技術包括機械性能加固、減振等。對于大尺寸的液晶屏，現有的簡單加固減振技術難以滿足要求，因此，需要進一步完善相關技術，在進行理論分析的基礎上，針對不同尺寸的液晶屏通過研究選用不同的加固結構，以改進液晶屏的性能。

文中首先根據液晶屏的結構，采用了由4塊平板構建的盒式結構模型，在一般邊界條件下，將盒式模型簡化成四個矩形板彈性的連接在一起，通過對共振峰、能量分布、功率流和能量傳遞等的研究，為大尺寸加固型軍用液晶屏的性能提出了可行的解決方案。

1 理論模型

1.1 模型描述

加固型液晶模塊可以看作一個空心的長方體，液晶面板架在左右兩側板上，并用螺絲擰緊，與背板構成空心盒子，液晶屏前后兩側與液晶面板之間沒有緊密連接，可以忽略。本文采用的耦合模型如圖1和圖2所示，plate1表示背板，plate2和4表示側板，plate3表示液晶面板。具體的坐標定義與參考文獻[1]相同。在每個面板的邊緣，由平動彈簧和轉動彈簧去模擬在邊界條件下的橫向剪切力、平面剪切力、縱向剪切力及彎曲力。逆時針定義為正方向，耦合角度變化的范圍是從負到正。

圖1 一般耦合板模型示意圖Fig．1 Schematic illustration of generally coupled platemodel

圖2 建構的盒式結構模型Fig．2 A box-type built-up structure

1.2 理論公式

在本文中，采用雙重傅里葉級數法來說明自由振動的能量和板式結構的功率傳輸特性。通過解Rayleigh–Ritz方程，可以得到精確解。平面板的橫向振動位移可以用坐標表示為如下形式：

其中下標i表示板材的序列號。A和B分別是耦合板邊緣的寬度和長度。

假設薄板理論模型的總勢能和動能分別標記為和，可以簡潔地寫成

2 結果分析

2.1 共振峰

當出現共振峰時，液晶模塊極易損壞，所以在設計時應盡可能減少共振峰的影響。在理論計算式中，首先需要確定具體的共振峰位置。

將大尺寸液晶模塊模型視為由4個強耦合且沿Y方向有相同厚度H=2．5 mm矩形平面板組成，占據空間 （0．76×0．60×0．52m3）。為簡化計算，假定這四塊平面板具有相同的材料特性：質量密度 ρ=2 700 kg/m3，楊式模量 E=71 GPa，泊松比 u=0．3，減振系數 Y=0．01，按強耦合模型計算，在 1 000 Hz頻率范圍內尋找共振峰。

取模型中的4個點，計算它們的橫向速度與振動頻率之間的關系，各點的坐標分別是（0．38 m，0．3 m，0 m），（0．38 m，0．3 m，0．52 m），（0 m，0．3m，0．26m），（0．76 m，0．3m， 0．26 m）。如圖3所示。其中曲線1代表傳統方法得到的結果，曲線2是運用本文方法得到的速度響應曲線。在0～1 000 Hz頻率范圍內，可以看到在某些頻率點上出現共振峰，兩種方法得到的結果是完全一致地，4個點的共振峰的位置也是一致的。證明了文中的方法是可靠的。實際在工程應用中需要對液晶屏結構進行修改以減小共振峰的影響。

進一步的理論計算可以得出3種現象：1）每一組相對的平板，比如平板1和3，平板2和4，都是振蕩對稱或反對稱的；2）4塊平板沿著Y軸的波腹點數隨著Y軸方向的耦合條件而同時改變；3）耦合系統的自然頻率會因為所選擇的獨立模型的數值和在耦合中的主導板而改變。

2.2 功率流和能量分布

為了進一步分析振動情況，需要對平板的功率傳輸進行計算，像圖2中的一樣，周期性外力作用在平板1的中心，在0～1 000 Hz，每隔 2 Hz取一個頻率點。

經實驗仿真分析，功率流通過耦合邊1和2流向液晶模塊左右側板（plate2和plate4），再流向液晶面板3。可以看出在非共振峰上，功率流衰減的非常快。為了找到液晶顯示模塊上最易損壞的點，需要對面板3、背板1、側板2和4上各點的振動能量進行詳細的計算，仍然假定在背板1中心采用周期性外力激發，考慮到低頻共振影響大，選取幾個較低的頻率進行仿真計算，圖4反映了各點的能量密度和能量傳輸的方向性， 在圖 4 中，（a），（b），（c），（d） 各圖分別對應 29.82 Hz，74.06 Hz，179.84 Hz和246.12 Hz幾個共振頻率。每塊平板的能量流模式在整個系統的能量強度矢量圖之后表示。

圖3 4個點的共振峰Fig.3 Resonance peaks of four points

可以看出，能量的分布總是沿x軸和y軸對稱的，具體分布形式依賴于激發頻率。這表現為，在低頻范圍內，能量從激發平板1直接傳送到接收平板3，且隨著激發頻率的增加，能量流模式變得復雜化。在高頻范圍內，形成旋渦式能量分布。在垂直于耦合邊緣的方向上，每塊平板的能量強度分布也相應的具有對稱性。由于能量流的對稱性，可以得出一個清晰的傳輸路徑，如在平板4的能量只能夠從平板1通過耦合邊4得到，其他的路徑如從平板1經由平板2和3到平板4是不存在的。

圖5~7中的曲線展現了對于中央激發的平板1的強耦合模型在x軸方向的能量強度分量的對比。可以看出，不同頻率下能量傳送的形式是復雜的。在頻率74.06 Hz和76.9 Hz下的能量強度的數值是很小的，比51.78 Hz下的數值將近低3個幅度，于是，在功率流曲線上導致了明顯的下降。根據圖6和7，對于在平板1上的不同耦合邊緣及不同橫截面，通過在共振和非共振頻率下的結構強度在x軸上的分量的比較，和上面提到的類似的原因，可以說明在能量傳送過程中，不同的橫截面上的快速和輕微的功率流的衰減。對于強耦合模型，一旦外力作用在平板1的中央，在低頻率下，傳送到接收板的能量將會表現為一個近似直接的傳送方式，但隨著頻率的增加，傳送方式將復雜化。可以發現，能量流形式同樣和激發位有緊密聯系。

圖4 不同頻率下的能量強度和能量流模式分布Fig.4 Distribution of energy intensity and energy flow patterns at different frequencies

圖5 在x1=0m的橫截面上不同頻率的能量強度在x軸方向的分量的比較Fig.5 Comparison of the x-direction components of energy intensity between different frequencies at x1=0m

圖6 相同頻率下不同部分的能量強度在x軸方向的分量的比較Fig.6 Comparison of the x-direction components of energy intensity between different sections at the same frequency

圖7 相同頻率下平板1的不同部分的能量強度在x軸方向的分量的比較Fig.7 Comparison of the x-direction components of energy intensity between different sections in plate1 at the same frequency

3 減振加固方案

在上述理論分析的基礎上，需提出具體的解決方案。考慮到液晶顯示模塊的損壞區域主要發生在液晶面板3上。所以需要對液晶面板3加強保護，理論分析表明能量主要通過側板2和4傳遞到面板3上；在不同頻率下能量的分布和傳遞是非常復雜的，不可能針對每一個具體的頻率改進設計方法。最有效的方法首先是盡量減小能量的傳遞，將側板2和側板4分別分割成9塊，每塊之間用減振材料聯接，實驗中按照參考文獻[8]的方式，采用在以硅橡膠為基體材料，通過加入具有高阻尼性能的丁基橡膠進行共混改性，可制備出具有高阻尼因子和寬有效阻尼溫度范圍的粘彈性硅橡膠阻尼復合材料，其最大損耗因子tanδmax≥0.7，損耗因子大于0.3的溫度范圍ΔTtanδ＞0.3≥100℃。面板3與側板2和4之間也采用該種材料聯接。結果表明能量傳遞的非常少，功率迅速衰減。該改進方案比較有效。

在某些情況下，液晶面板3上仍然有部分共振能量的出現，液晶面板仍然有可能損壞，為了進一步減少該能量的影響，需要在液晶面板反面粘貼柔性高分子透明材料，在能量傳遞過程中，面板與減振材料之間柔性聯接，將大部分能量有效地吸掉。

4 結束語

對于大尺寸的液晶屏，現有的簡單減振加固技術難以滿足要求，本次研究中，以所建構的盒式結構模型為基礎，運用雙重傅里葉級數解決法，通過對模型平板的振動分析、功率流分析及能量強度分布，得到了在強耦合模型下建立的盒狀結構模型的振動行為和能量傳送的規律，并在此基礎上提出了有效地解決方案。文中的結論為改善加固型液晶屏的結構提供了理論依據。

[1]Lin T R，Pan J．Vibration characteristics of a box-type structure[J]．Journal of Vibration and Acoustics ，Transactions of ASME，2009，13（1）：13-17．

[2]Lin T R，Pan J．Sound radiation characteristics of a box-type structure[J]．Journal of Sound and Vibration，2009，32 （5）：24-29．

[3]Dickinson S M，Warburton G B．Vibration of box-type structures[J]．JournalofMechanicalEngineeringScience，1967，9（12）：25-33．

[4]Warburton G B，Edney S L．Vibrations of rectangular plates with elastically restrained edges[J]．Journal of Sound and Vibration，1984，5（19）：53-57．

[5]Mace B R，Shorter P J．Energy flow models from finite elementanalysis[J]．Journal of Sound and Vibration，2000，33（9）：36-41．

[6]Zhou D．Natural frequencies of elastically restrained rectangular plates using a set of static beam functions in the Rayleigh-Ritzmethod[J]．Computers and Structures，1995，23（12）：31-35．

[7]Du J，LiW L，Jin G，et al．An analyticalmethod for the inplane vibration analysis of rectangular plates with elastically restrained edges[J]．Journal of Sound and Vibration，2007，30（6）：92-98．

[8]丁國芳，羅世凱，程青民，等．高阻尼寬溫域粘彈性硅橡膠復合材料的制備及性能研究[J]．化工新型材料2009，37（8）：53-55．

DING Guo-fang，LUO Shi-kai，CHENG Qing-min，etal．Study on preparation and propertiesofhigh dampingandwidetemperaturerangevicous-elastic silicone rubber compounds[J]．New ChemicalMaterials，2009，37（8）：53-55．