扬声器的弹波(Damper)

1.弹波又叫档板，阻尼器，它有制动作用和中心保持作用。弹波的外缘和支架粘在一起，弹波的颈部和音圈bobbin及鼓纸的颈部粘在一起，它可以使音圈在磁隙内运动时，不致碰到铁片或磁铁，也使音圈和鼓纸正确连接保持中心，故亦称之为中心保持器。

弹波的性能和鼓纸的凸缘相似，对低音谐振fo产生影响，且对鼓纸的连接有适度的弹性辅助作用，并可控制鼓纸的振动方向的作用。弹波的弹性（柔软度）与鼓纸的凸缘配合可适宜调整低音谐振fo，通常要在实验中求得。

总之，弹波的作用有：

①制动作用。

②音圈定位的功能（中心保持作用）。

③影响扬声器的性能曲线。如：失真、fo、Q值等技术参数。

2.弹波的分类

按材料分：

a.棉布系列，标示时用 CW：漂白布 CY：胚布。

b.Conex（芳纶）系列，标示时用“N”。

c.Conex与棉混合系列，标示时用“NC”。

d.其它材料系列如麻、人造丝等。

3.弹波的物理参数——弹性系数即变位

弹波的变位指在弹波中心放置夹具，并在夹具上加一定质量的砝码，弹波中心部位发生的位移量称为该质量下的变位。测试方法常有投影法，转盘测试法等多种，但目前最先进的测试法为“激光测量法”，激光测量法采用无触点测量，因此最准确可靠。

4、 材质的性能

a.弹波Conex系列，Conex又称Nomex，英文Polyfiber。

Conex（芳纶）材料性能特点：

① 耐高温，阻燃性好，可以在260℃的高温下使用。

② 耐有机溶剂和酸类试剂，稳定性好，而老化。

③ 尺寸稳定。

④ 耐磨耐曲折，即耐疲劳性好，弹性好。

⑤ 耐温、耐湿、耐候，受天气影响小。

用Conex制成的弹波保持了Conex材料的性能特点具体表现如下：

①变位稳定，耐疲劳。

②弹波线性区域宽。

③耐温、耐燃、耐候受天气影响小。

缺点是：

①与胶水的结合力低，故中心胶最好采用环氧树脂。

②材料组织困难。

③成本高。

b.弹波的棉布系列，棉布系列弹波，指以棉布为基材加工而成的弹波。棉布系列弹波的优点：

①成本低，取材方便。

②耐温、不易老化。

③与胶水的结合力强。

棉布系列弹波的缺点：

①耐疲劳性相对Conex弹波差：

②耐湿性差，由于棉布易吸潮，因此耐温度差。具体表现在弹波的变位稳定性差。

目前棉布系列弹波是使用时间最长，用量最大的品种，主要用于中低档的扬声器。

弹波尺寸公差表

c.弹波Conex + 棉布复合系列，为了改进弹波的综合性能，现有Conex与棉布复合系列，其中Conex占50%，棉纤维占50%，它的优点是：

①成本较Conex下降。

②耐疲劳，耐温度性较好。

③与胶水的结合力好。

消除摩天楼风载晃动的减震摆

消除摩天楼风载晃动的减震摆

刘延柱 科学网博客 2021-4-1

晨雾 / 转帖

【晨雾按语】据媒体报道今天（2021年5月18日）中午时分，深圳赛格大厦出现晃动，现场有人员从大厦撤离。记者当日14时10分许从深圳消防获悉，已接警并出警，具体状况需进一步调查。

在此转载一篇关于摩天大楼减震摆的科普文章。感谢文章原作者。

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赴台旅游过的游客大都去过台北的 101 大楼（图 1），参观过大楼里悬挂的巨大的减震摆（图 2）。这个直径 5.5 米，重达 660 吨的巨大钢球由 4 根粗钢索悬挂在 88 层与 92 层之间，形成一个大单摆。

图1 台北101 大楼

图2 101 大楼的减震摆

2016 年完工的上海中心大厦高度 632 米，远远超过高度 448 米的 101 大楼（图 3）。是已建成的全国第一，世界第二高楼，上海的地标性建筑之一。上海中心的顶部 126 层也悬挂着一个 1000 吨的重量更大的减震摆。这个巨大的减震转置全名是 “ 摆式电涡流调谐质量阻尼器 ” (Pendulum Eddy-current Tuned Mass Damper) [1]。值得一提的是减震摆质量块上方装饰的艺术品（图 4）。这个从《山海经》中 “烛龙之眼” 获得灵感的雕塑作品与 “龙塔” 式的大厦造型相辉映。上方有一圆洞直指苍穹，在透过玻璃的阳光投射下更增添神秘色彩，被昵称为上海中心大厦的 “慧眼” 。

图 3 上海中心大厦

图 4 上海中心大厦的减震摆

楼层太高的摩天楼很容易受到风力的影响产生摇晃，这种晃动属于自激振动。在博文 “瑞利方程和范德波尔方程描述的自激振动” 里，对于输电线、悬索桥、高层建筑等细长物体因风载导致的自激振动有过详细说明。类似的这种现象早在 19 世纪就已引起注意。1878 年捷克物理学家斯特劳哈尔（Strouhal,V.）发现，当微风吹过竖琴的细弦时会使竖琴发出声音，因此对气流通过圆截面柱时产生的振动做了系统的实验研究。结论是振动频率与流速成正比，与圆截面柱的直径成反比。1912 年美籍匈牙利力学家冯?卡门（Von Kármán,T.）（图 5）从理论上证明，当流体绕过非流线形障碍物时，会在物体后方两侧产生反对称等距离排列的，旋转方向相反的成对涡旋，称为卡门涡街 (Kármán Vortex Street)（图 6）。出现涡街的尾流对物体产生周期变化的作用力，频率与流速和物体直径的关系与斯特劳哈尔的实验结果符合一致。如激励频率与物体固有频率接近，可导致激烈的共振。从而解释了风载引起自激振动的产生原因。

图 5　冯?卡门（Von Kármán,T. 1881-1963）

图 6　卡门涡街

摩天楼在风载下的自激振动若不加控制，顶端摆动的加速度可高达 6 cm/sec2 以上而超过允许范围。为减小风载引起的摇晃效应，必须采取各种阻尼方法。上海中心大厦的外形十分独特，是由曲面卷绕形成，每层扭转10 的扭曲几何体。理论研究表明，这种称为“龙塔”式的外形可延缓和削弱卡门涡街的形成。摆式阻尼器将阵风对大楼的激励转移至减震摆，其摆动的动能被电涡流阻尼器耗散，从而实现有效的振动抑制。2019 年 8 月 10 日上海受强台风 “利奇” 的袭击，风速高达每秒 40 米，上海中心大厦的减震摆的振幅高达 50cm，而大厦安然无恙。

摆式阻尼器也称为动力吸振器。其抑制振动的基本原理基于线性系统的受迫振动规律[2]。设质量为 mi (i=1,2) 的两个物体，用两个刚度为 Ki (i=1,2) 的弹簧串联成二自由度振动系统（图 7）。其中的物体 m1 受到频率为 ω 的简谐力 F0sinωt 的激励，列出此系统的受迫振动方程：

图 7　二自由度振动系统

此方程组有以下特解，确定系统的受迫振动规律：

其中函数 Δ(ω2)为

若作用于物体 m1 的激励力频率 ω 恰好等于物体 m2 的固有频率 ω20 = (K2/m2)1/2，则 x1(t) 的振幅等于零，表明物体 m1 的振动被完全抑制，激励力的全部能量被转移到物体 m2 。此即动力吸振器的理论依据。考虑阻尼因素影响的理论分析在附录中给出。

摩天楼中悬挂的大单摆就是一具超大型的动力吸振器。吹向大楼的阵风可能有多种频率成分，其中以接近大楼基频的阵风最危险，如不加控制就会使大楼产生强烈晃动。将大单摆的固有频率设计成与大楼的基频相等，则阵风的能量就被转换为单摆摆动的动能。电涡流阻尼器将此动能耗散为热量，大楼的晃动就被大大降低。

动力吸振器的原理是 1928 年由美国的奥蒙德罗伊德 (Ormondroyd,J.) 和邓哈托 (Den Hartog,J.P.) 提出的。要达到消除振动的目的又不消耗能源，动力吸振器是一种理想的消振方案。在实际应用方面，邓哈托在他的机械振动著作里曾举出理发电推子的有趣例子[3] （图10）。另一个重要的应用是在内燃机的曲柄轴上安装一个可绕旋转轴转动的弹簧振子，它的固有频率被调整得与旋转轴的临界转速相等时，可消除旋转轴的扭转振动（图11）。

图 10　带吸振器的理发推子

图 11　旋转轴上的动力吸振器

基于动力吸振器原理的减震摆以其消除晃动的有效性，被许多著名的超高层建筑采用。在上海中心大厦之前的 2008 年，另一座超高层建筑上海环球金融中心就已安装了两台重 150 吨的减震摆。

参考文献：

[1] 程穆，汪立军. 阻尼器在上海中心大厦的应用. 上海建设科技，2014, (3): 26-29

[2] 刘延柱，陈立群，陈文良. 振动力学(第二版). 北京, 高等教育出版社，2011: 139~141

[3] 邓哈托. 机械振动学. 北京：科学出版社. 1965 : 95~102

(改写自：刘延柱. 趣味振动力学，8.5 节. 北京： 高等教育出版社，2012)

附录：带阻尼的二自由度系统动力消振器

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信息来源：2021-05-14 刘延柱科学网博客

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光刻机研究：光刻机测量支架的减振效果，及减振作用的分析研究

文 | 祥说

编辑 | 祥说

介绍

本文根据最佳减振效果的理论模型，提出包括被动减振、主动减振等光刻机测量支架减振处理的几种方法。

开发了相应实验装置，并通过实物测试评估了实验装置的减振效果。

研究背景

近年来半导体精密加工技术飞速发展，光刻技术及光刻设备的开发已成为半导体加工设备国产化的重中之重。

其中，基于产率、成本等考虑，专用于新一代AM-OLED显示屏TFT电路制造的光刻机不断向更大世代的发展，玻璃基板尺寸逐步增加，目前10.5代的玻璃基板尺寸已达3370mm×2940mm。

随着玻璃基板尺寸增加，承载玻璃基板的运动台尺寸及质量也逐步增加。

基于产率的要求，运动台速度/加速度也逐步增大，这就导致运动台加速过程中对内部框架的冲击激励随着光刻机时代的发展逐步增大。

因此，开发出满足大激励冲击的框架技术开发成为光刻机向大世代发展的重要课题，其中安装运动台干涉仪的测量支架开发尤为关键。

图1为测量支架简化模型。从中看出，运动台是依据干涉仪实时测量数据进行位置闭环，如果测量支架出现一些偏低的频率。

体现到运动台的机械传函有较大的共振峰值，将会影响运动台对应轴的PID控制器增益，导致轴控制带宽不能满足设计指标，使得稳定时间过长从而影响运动台定位性能。

所以，识别出一些对运动台有影响的局部频率，采用局部减振方式削减幅值，降低该频率的影响成为一种有效的方案，对此，本文针对改善局部频率整理了当前的几种方法，开发了实验装置并做了仿真及实物验证。

减振效果的研究

对测量支架局部模态振型进行识别的测试方法：将减振器浮起使光刻机内部世界处于自由状态，对测量支架定点锤击激励和测量，所用的数据采集仪器为Spectrum Dynamics公司开发的SIGLAB4 2，传感器为PCB333B30型加速度传感器。

根据以上的测试方法，得到了测量支架频响函数，并从中识别出测量支架各阶次结构频率。

2.1测量支架局部模态减振处理方法

方法出发点：整机出现局部频率时，加强结构提升频率是需要首要考虑的因素，频率设计完全避开运动台带宽敏感区间，实现结构频率无毛刺是最理想方案。

一般结构加强的主要手段有：

更换质强比更高的材料；约束空间内部的主要设计；连接强度更高的接口设计等。

但是，上述结构加强方案往往受制于材料成本及结构约束空间，不能达到预期的频率。

因此，本文主要围绕衰减振动幅值的方向展开，包括被动减振方案、主动减振方案、增加测量传感器采用算法补偿策略等，其中对前两种做详细展开。

阻尼结构是指将阻尼材料与构件结合成一体以消耗振动体的能量的结构。

基于减谐激励F（t）=F0 e iwt作用下的单自由度阻尼系统的运动微分方程为：

式中，η是损失因子，它的定义为η=△W/2πW。

其中△W是谐振位移的一个周期所消耗的能量，W是指最大动能或者势能。

根据表1所示的常见材料损失因子，使用阻尼结构降低振动的通常方式有两种，一种为一层高阻尼材料附着在弹性体上，另一种为把高阻尼材料塞在两层弹性体中间。

本文试验了第二种方案，即在钢结构中填充硬橡胶块，对比试验填充前后的频响函数（见图4），可以看出填充阻尼在各频段均有一定幅值衰减效果。

被动吸振器是指用于降低或抑制不期望振动的一种机械装置，它由附加在待减振构件上的一个质量块和弹性元件组成。

从中看出，刚度K2的弹簧将附加质量m2组成被动吸振器，并连接到质量为m1的结构上，该系统对应的微分方程为：

在以上条件中，当ω2≈ω2=k1/m1=k2/m2时，即机器在安装被动吸振器前在接近共振频率工作时，安装被动吸振器后x1为0。

虽然实际情况未必能做到ω2≈ω2 1，但依据k1/m1=k2/m2设计的被动吸振器，即f1=f2能最大限度地降低m1的振动幅值。

图6是本文开发的一款被动吸振器，由安装支架、橡胶、配重质量块组成，设计频率与待减震的测量支架模态一致，即99Hz，设计质量1Kg。

其中，图7给出了被动减振器安装前后测量支架的频响函数对比，从图7中可以看到，被动阻尼器的引入使得单自由度系统变为二自由度系统，即使共振频率由一个变为两个，致使在原始固有频率处幅值降低约40dB，但在引入的两个频率处幅值均增加了约15dB。

2.2主动减振方案

主动吸振器为了减小系统共振时的振幅，采用增加系统主动阻尼的方案。其区别“被动”方案的点在于：对振动系统控制是借助了外在的能量来实现。图8为主动吸振器原理图。

该系统的运动微分方程为：

其中，f act起到ma的作用是增加的阻尼，这里我们拟采用线性控制，以求解得到两个共振频率WL和WH；另外，产生的2个频率期望不要太高或太低，一般设置在Wp±5%以内，基此可求解系统响应特性如下：

综上，图9为本文搭建的主动吸振器实验平台，包括配重质量块、速度传感器、电机、连接件、控制器等。其中，速度传感器用于测量质量块的速度，控制器根据所述质量块的速度控制所述电机的出力，用于抑制振动。

此外，主动制振器工作原理图如图11所示，它包括速度传感器、控制器、电机等。其中，速度传感器用于测量质量块的速度；控制器根据所述质量块的速度控制所述电机的出力，电机的出力或运动将对进行控制，使得相对静止。

该系统的运动微分方程为：

在通常情况下，我们可以把电机控制力采用PID控制算法来定义，即为

式中gp和gd为常数，分别称为比例控制增益和微分控制增益。

而通过对以上公式进行热模拟分析，模拟结果所得JA（结温）＝4.403（℃/W）。从以上模拟结果可以看出，封装散热瓶颈主要位置在芯片与散热片接触位置。

在框架设计时，为了达到产品散热需求，需要选择导热系数高的材料或者增加框架材料导热面积来加强热传导。

总结

随着大功率集成电路向着小、轻、薄的方向不断发展，引线框架为了适应这一发展趋势。由原来的异型材料及复杂的铆接结构等向着薄型、一体化结构发展，这对大功率引线框架的设计提出了更高的要求。

本文仅从引线框架基岛结构设计，材料选择设计，防变形设计及热性能几个方面做了简单的分析探讨。

除此之外，设计时还要综合考虑引脚结构、锁定结构、防潮、防离层以及防应变，电镀选择等等的设计及措施，必须严格、谨慎，才能设计出符合产品要求的引线框架。

参考资料

1.Singiresu S. Rao. Mechanical Vibration. Beijing. Tsinghua University Press,two thousand and eighteen.

2.Shi Hanmin Mechanical Vibration Systems - Analysis, Testing, and Modeling Strategies.

3.Bartray R P,Box W J.Lithographic Apparatus andDevice Manufacturing Method:US,7130019[P].2006-10-31.

4.Tokuda Y, Takabayashi Y. Projection Exposure Apparatus Containing an Enclosed Hollow Structure:US,5691806 [P]. 1997-11-25.

5.Yan Lixun, Zhou Hong et al. Design of Adaptive Active Resonance AbsorberResearch on Vibration Reduction Performance. Experimental Mechanics. 2015.

6.Thrust Compensation Algorithm Based on Improved Radial Basis Function Neural Network2020- Chen Chao, Liao Feihong, Zhou Chang - "Special Equipment for the Electronic Industry".