列車網絡監控系統顯示器的振動測試及改進

丁 杰

(1. 湖南文理學院 機械工程學院，湖南 常德 415000；2. 湖南文理學院 國際學院，湖南 常德 415000)

列車網絡監控系統主要用于監視列車運行時車輛設備的工作狀態，對于列車的安全可靠運行具有重要的作用[1]。由于列車運行過程中，除了輪軌激勵，列車內部的變壓器、風機等設備的振動噪聲傳遞以及產品自身的激勵源作用都會對列車網絡監控系統的可靠性產生影響。

王鵬 等[2-3]基于應力-強度模型推導的可靠度計算公式，對分布式列車網絡通信與控制系統在高低溫使用環境下的可靠度進行了評價，還對列車運行監控主機的可靠性鑒定試驗設計了溫度、濕度、振動、沖擊、浪涌等應力組成的綜合環境條件。朱建山 等[4]針對誘發顯示器故障模式的高溫和振動因素設計了可靠性強化試驗方案。胡子昂 等[5]針對加固液晶顯示器在振動環境出現的漏光問題，通過建立有限元模型對比分析了有無振動對液晶顯示器光線透過率的影響。

針對某列車網絡監控系統顯示器廣播時出現屏幕閃動問題，本文將對顯示器開展振動測試，從時域和頻域角度分析故障原因，并結合顯示器的振動傳遞特性提出相應的減隔振方案，為提高列車網絡監控系統顯示器的可靠應用提供指導。

1 顯示器的振動測試及分析

1.1 聲音與振動的測點布置

列車網絡監控系統顯示器在播放廣播時，屏幕會出現閃動現象。為確認該現象是否為顯示器中的揚聲器廣播聲音激發的振動而引起，在實驗室中采用B&K數據采集系統對顯示器開展振動測試。

顯示器外部的測點主要分布在顯示器背部(靠近揚聲器的位置)、頂部后端、頂部前端和顯示器屏幕等位置，顯示器內部的測點主要分布在內層電路板、外層電路板和靠近液晶屏板等位置，如圖1所示。測試過程中，在距離揚聲器0.4 m處布置傳聲器，全程采集聲音數據。

圖1 顯示器的振動測點布置

1.2 聲音與振動的時域分析

測試過程中，顯示器背部的揚聲器處于播放狀態，播放的聲音持續約0.7 s，周期性出現，同時振動信號也與之保持同步，如圖2所示。圖2中的振動加速度時域信號與聲音的聲壓時域信號的曲線變化趨勢基本一致，說明顯示器的振動是由揚聲器產生的聲音所激發。但振動信號與聲音信號的幅值變化規律有差異，主要是因為振動信號還與顯示器的結構動力學特性高度相關[6-8]。

圖2 振動加速度與聲音的聲壓時域信號波形

顯示器的揚聲器播放時，現場感覺聲音音量較大。為定量地描述其聲音大小，對聲音數據進行時域分析。圖3為廣播聲音的A計權聲壓級隨時間的變化曲線。由圖3可以看出，A計權聲壓級曲線隨時間周期性變化，其中最大可以達到94 dB，最小約為54 dB，聲壓級跨度約為40 dB。一個周期內，聲音的平均聲壓級約為92.8 dB。

圖3 廣播聲音的A計權聲壓級隨時間變化曲線

對顯示器振動加速度信號進行時域分析。圖4為顯示器不同測點的振動加速度對比。

圖4(a)表示顯示器各測點的振動峰值對比，可以看出：(1)各測點中，揚聲器最靠近振源，峰值最大，其中揚聲器垂向峰值超過50 m/s2；(2)各測點3個方向的振動峰值中，垂向最大，即垂向是振動向屏幕端傳遞的主要方向；(3)屏幕垂向振動峰值較大，約31 m/s2，說明顯示器背部揚聲器對前端屏幕影響較大，現場也能通過手感覺到屏幕振感較為明顯；(4)顯示器內部2層電路板垂向振動峰值偏大，都接近20 m/s2，內層電路板略大于外層電路板，除揚聲器附近、顯示器屏幕測點外，內層電路板振動峰值大于其他測點，振動沖擊偏大，可能會對電路板性能產生影響。

圖4 不同測點的振動加速度對比

提取一個周期振動信號的有效值進行分析，圖4(b)為顯示器各測點全頻段(分析頻率為0～12.6 kHz)的振動有效值對比。可以看出：(1)各測點橫向、縱向和垂向的全頻段振動有效值變化趨勢與峰值趨勢類似，揚聲器處最大，其次是顯示器屏幕，然后是2層電路板，最后是顯示器頂部的測點；(2)3個方向中的全頻段有效值以垂向為最大，垂向既是振動傳遞的主要方向，又是結構動力學特征最明顯的方向。

對于一般結構而言，低頻振動對結構可靠性的影響要大于中高頻振動[9]，圖4(c)為顯示器各測點在0～500 Hz頻段的振動有效值對比。可以看出：(1)各測點在0～500 Hz頻段的振動有效值變化趨勢與全頻段振動有效值變化趨勢差異性較大，其中顯示器屏幕、靠近液晶屏板等薄板結構的振動有效值更加突出，分別達到4.43 m/s2和2 m/s2；(2)各測點在0～500 Hz頻段的垂向振動有效值基本大于其他2個方向；(3)低頻振動的傳遞受結構動力學影響較大，且對結構破壞性更強，內層電路板0～500 Hz垂向振動有效值約為0.5 m/s2，顯示器屏幕和靠近液晶屏板的垂向振動有效值更大。因此，揚聲器聲音產生的振動會對顯示器內部的薄板結構振動產生較大的影響，進而影響內部電子元器件的正常運行。

1.3 聲音與振動的頻域分析

為了解揚聲器聲音及激發振動的頻譜特征，對聲音與振動信號分別進行頻譜分析。圖5是揚聲器一個周期信號聲音的A計權聲壓級頻譜曲線。由圖5可以看出，揚聲器聲音的A計權聲能量主要集中350～750 Hz和3 000～7 000 Hz，其中350～750 Hz區間的峰值較明顯，400 Hz附近峰值最大，3 000～7 000 Hz區間存在寬頻聲音，頻譜曲線整體上抬。

圖5 揚聲器聲音的A計權聲壓級頻譜曲線

對主要測點的振動頻譜分析大多關注中低頻，因此，將分析頻率范圍設為0～3 200 Hz。圖6是揚聲器和顯示器頂部前端的3個方向振動頻譜曲線。

由圖6(a)可知：(1)揚聲器處振動能量主要集中在800～1 600 Hz，其中低頻120～220 Hz、330～400 Hz等也有明顯的峰值；(2)在主要頻率區域，揚聲器處垂向振動頻譜基本大于其他2個方向，與時域分析結論一致，同時120～220 Hz垂向振動峰值較為明顯，將對顯示器屏幕等薄板結構產生影響。

由圖6(b)可知：(1)顯示器頂部前端的振動頻譜與揚聲器處振動頻譜類似，也是集中在3個頻域區間，說明顯示器頂部前端的振動主要來自于揚聲器；(2)顯示器頂部前端的振動頻譜與揚聲器處頻譜存在一定差異，其中330～400 Hz的垂向振動峰值相對更大，主要是由于振動傳遞及頂部結構特性放大了揚聲器處傳遞過來的低頻振動。

圖6 揚聲器和顯示器頂部前端的振動頻譜曲線

圖7是揚聲器和內外層電路板的垂向振動頻譜曲線。揚聲器垂向振動頻譜特征基本涵蓋了內外層電路板的振動特征，因此進一步確定內外層電路板的振動來源于揚聲器，且由于傳遞特性的影響，部分頻率振動存在放大現象。

圖7 揚聲器和內外層電路板的垂向振動頻譜曲線

圖8是顯示器屏幕3個方向的振動頻譜曲線。與前面所述的測點頻譜特征的區別在于：屏幕振動主要集中在400 Hz內的低頻(最大峰值在218 Hz，幅值達到1.83 m/s2)，這與屏幕垂向剛度較低而固有頻率被激發有關。低頻振動區域與揚聲器處低頻振動區域重疊，說明顯示器低頻振動來自于揚聲器。

圖8 顯示器屏幕3個方向的振動頻譜曲線

圖9是各測點垂向振動頻譜曲線對比。其中，縱坐標采用dB尺度，以便于體現不同頻率處垂向振動的相對大小，紅色曲線為揚聲器處垂向振動。由圖9可以看出，顯示器各測點垂向振動頻譜與揚聲器處振動頻譜變化趨勢基本一致，但在400 Hz以下，大部分測點頻譜都大于揚聲器處振動頻譜，其中屏幕和靠近液晶屏板的振動放大明顯。因此可以認為，顯示器所有部位的振動均來自于揚聲器的聲音激發，且低頻振動在傳遞過程中存在放大現象。

圖9 各測點垂向振動頻譜曲線對比

2 顯示器的振動傳遞特性及減隔振

2.1 錘擊響應分析

為進一步研究從揚聲器到屏幕的振動傳遞特性，本文進行了錘擊試驗，其中力錘作用在揚聲器附近，同時測量屏幕振動加速度數據。圖10為屏幕處振動加速度響應信號頻譜曲線。由圖10可以看出，在揚聲器附近輸入近似脈沖激勵后，屏幕處低頻區域在180 Hz、378 Hz和466～490 Hz等處存在明顯的峰值(可能為屏幕固有頻率)，這說明從揚聲器到屏幕的傳遞路徑會對180 Hz、378 Hz和466～490 Hz等低頻振動存在明顯的放大現象。

圖10 屏幕處振動加速度響應信號頻譜曲線

2.2 振動傳遞路徑分析

前面的分析已經確定，顯示器屏幕及其他部位的振動主要是由揚聲器播放的聲音激發產生。揚聲器聲音激發其外部殼體和顯示器殼體振動，然后傳遞到顯示器外部結構，進一步傳遞到內部電路板及前端的液晶屏板、屏幕等，圖11為顯示器的振動傳遞路徑示意圖。

圖11 顯示器的振動傳遞路徑示意圖

2.3 揚聲器的減隔振方案

揚聲器聲音激發的振動對顯示器圖像質量及內部電路板結構均會產生影響，若考慮實際運行時車體本身的振動，顯示器的實際振動環境可能更加惡劣。因此，有必要采取一定的減振措施在不降低廣播質量的前提下改善顯示器的振動環境。一般而言，從聲音源本體降噪減振能產生很好的效果，但由于客戶對揚聲器聲音量級和品質有限制，因此，這并非最優的方案。

從聲音和振動的傳遞上考慮減振時，一方面可考慮將揚聲器結構更換安裝部位，減少其對顯示器的影響；另一方面可采取合適的減隔振措施，降低揚聲器聲音對顯示器振動的影響。受安裝空間的限制，顯示器的結構非常緊湊，揚聲器的安裝部位難以進行較大的調整，本文將主要從減隔振措施方面入手[10-11]。

根據圖11所示的顯示器振動傳遞路徑，為減少揚聲器聲音對顯示器的影響，需要隔離或減少通道2、3的振動傳遞。為此，揚聲器減隔振方案如圖12所示，具體為：封閉揚聲器殼體底部，減少聲音對顯示器的直接激勵，電源線可從側面引入；揚聲器殼體底部通過彈性連接固定在顯示器上，彈性連接可以考慮橡膠密封圈、橡膠減振器和彈簧等。由于前面分析已確定揚聲器聲音激發頻率主要在120 Hz以上，因此可以考慮將120 Hz作為減振目標頻率，減振系統剛體模態固有頻率宜控制在60 Hz以下，作為振動主要傳遞方向的垂向固有頻率則宜控制在30 Hz以下，據此可選擇合適的彈性支撐剛度。

圖12 揚聲器減隔振方案

現場整改采納了上述減隔振方案，通過增加橡膠密封圈解決了顯示器的揚聲器聲音導致屏幕振動的問題，播放廣播時屏幕不再出現閃動現象。該方案已在列車網絡監控系統中得到批量應用。

3 結論

通過對某列車網絡監控系統顯示器的聲音振動測試數據進行分析，得出了以下結論：

(1) 顯示器各測點的3個方向振動中，垂向振動最大，其中揚聲器處垂向振動峰值超過50 m/s2，屏幕垂向振動峰值達到31 m/s2，內部電路板垂向振動峰值接近20 m/s2。

(2) 揚聲器處振動能量主要集中在800～1 600 Hz，低頻120～220 Hz、330～400 Hz等也有明顯的峰值，而低頻振動傳遞受結構動力學影響較大，且對結構破壞性更強。

(3) 通過錘擊響應分析和振動傳遞路徑分析，以120 Hz作為減振目標頻率的減隔振方案，可以解決該顯示器的揚聲器聲音導致屏幕閃動的問題，提高了顯示器應用的可靠性。