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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Schwingungsprüfung und
insbesondere auf eine Anordnung zur Schwingungsprüfung und
ein Verfahren, bei dem akustische Wellen als Mittel für die Übertragung
von Schwingungen auf einen Gegenstand erzeugt werden, der getestet
werden soll.
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Grundlage
der Erfindung
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In
den vergangenen Jahren sind viele Arten von TestAnordnungen entwickelt
worden, um Gegenstände
Schwingungen zu unterziehen, um dadurch ihre Zuverlässigkeit
nach industriellen Normen unter Berücksichtigung der äußersten
Einsatzbedingungen der spezifischen Gegenstände zu bestimmen, die getestet
werden sollen. In den vergangenen Jahren haben die Industrie der
Verteidigung, der Luft- und Raumfahrt und andere elektronische und
technologische Industrien Verfahren, Richtlinien und Normen entwickelt,
die eine Stimulationstechnik beinhalten, die als Environmental Stress
Screening (ESS) bekannt ist, die darauf abzielt, latente Fehler
vor der Auslieferung von elektronischen und/oder elektromechanischen
Produkten sichtbar zu machen, und zwar Fehler, die sonst nur entdeckt
würden,
wenn die Produkte bereits im Einsatz sind und dadurch unvorhersehbare
Produktausfälle
im allgemeinen bereits in einem frühen Stadium des Produktlebens verursachen
würden.
Im Rahmen der ESS muss eine Reihe von Testschritten durchgeführt werden,
die in den Fertigungsprozess eines Produktes integriert werden müssen, wobei
diese Schritte darin bestehen, dass das Produkt vorbestimmten Leveln
der Belastung unterzogen wird, die von den verwendeten Fertigungstechniken abhängen, um
Fehler im Laufe der Fertigung festzustellen. Solche Fehler können durch
eine visuelle Inspektion oder eine konventionelle Qualifizierung
und/oder die Erprobung der Zuverlässigkeit, die am Ende des Fertigungsverfahrens
durchgeführt
werden, nicht festgestellt werden. Die Wirksamkeit von ESS beruht
hauptsächlich
auf der Tatsache, dass die Belastung (Amplitude und Dauer), die
erforderlich ist, um latente Fehler festzustellen, nicht ausreichend
ist, um einen Schaden zu verursachen, der die Lebensdauer eines
fehlerfreien Produktes nachteilig beeinflussen könnte.
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Während die
Qualität
und die Zuverlässigkeit
von Produkten verbessert wird, die dadurch wettbewerbsfähiger werden,
kann ESS die Produktion, die Wartung und die Rückkosten, die durch Produktausfälle verursacht
werden, deutlich reduzieren. Während
in den frühen
Jahren von ESS die Testverfahren auf statische Wärmezyklen und Zyklen von Sinusschwingungen
begrenzt waren, wurden die Testverfahren danach dadurch verbessert,
dass dynamische Wärmezyklen
und zufällige
Vibrationszyklen eingeschlossen wurden. Die Anwendung von ESS bei
der amerikanischen Marine ist in dem „Navy Manufacturing Screening
Program" NAVMAT-9492,
1979 dokumentiert und später
hat die amerikanische Armee ESS eingesetzt, um eine sehr hohe Zuverlässigkeit
zu gewährleisten,
die für
kritische und komplexe elektronische Systeme notwendig ist, und
es wurden militärische
Normen wie zum Beispiel „Environmental
Stress Screening Process for Electronic Equipment" „MIL-HDBK-2164A entwickelt. In der letzten
Zeit wurden ESS-Tests in immer mehr Bereichen der zivilen Industrie
eingesetzt, um die Qualität
von kommerziellen elektronischen und elektromechanischen Produkten
zu verbessern und gleichzeitig die Herstellkosten zu verringern.
Es wurden ESS-Richtlinien für
die Erprobung von solchen kommerziellen Produkten veröffentlicht,
wie zum Beispiel das Dokument „Environmental Stress
Screening Guidelines for Assemblies", Institute of Environmental Sciences,
März 1990,
und „Product Realiability
Division Recommended Practice 001.1, Management and Technical Guidelines
for the ESS Process „Institute
of Environmental Sciences and Technology, Januar 1999. Entsprechend
der NAVMAT-9492 und wie dies durch die Referenzkurve 10 in
der 1 der spektralen Energiedichte (PSD) gezeigt wird,
müssen die
Anordnungen für
Schwingungsversuche Schwingungen im Frequenzbereich von 20 bis 2.000
Hz während einer
Dauer von etwa 10 Minuten erzeugen, und zwar mit einem nominalen
Vibrationslevel (Beschleunigung) von nahe 0,04 g2 /Hz,
der einem tatsächlichen
Level von 6 g rms entspricht, welcher durch die Integration der Referenzkurve
NAVMAT PSD erreicht wird. Die NAVMAT-9492 Richtlinien, die nicht
als aktuelle Norm veröffentlicht
worden sind, können
nicht als für
alle Produkte geeignet angesehen werden. Bei bestimmten Arten von
elektronischen Produkten kann ihre Verwendung eine schädliche Wirkung
haben. In anderen Fällen
sollten Beanspruchungslevel verwendet werden, die höher sind,
als die NAVMAT-9492
Richtlinien, da bei dem neuesten ESS 2000 Projekt die Verwendung
eines Levels von nominalen Schwingungen (Beschleunigung) von bis
zu 20 g rms in Betracht gezogen wird. Da jeder elektronische Schaltung
mit bestimmten spezifischen Eigenschaften ausgestattet ist, hängt die
Reaktion der Schwingungen des Schaltkreises nicht nur von der Art
der Erregung ab, sondern auch von den spezifischen dynamischen Eigenschaften.
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Um
die ESS Schwingungsstimulation durchzuführen, wird im allgemeinen ein
elektrodynamischer Vibrationstisch verwendet, da er eine geeignete
Kontrolle der Vibrationsparameter erlaubt, um den ESS Spezifikationen
zu entsprechen. Die hohen Kosten solcher Ausrüstungen kann jedoch den wirtschaftlichen
Vorteil, der mit ESS erreicht wird, stark reduzieren, wenn das Produktionsvolumen
nicht ausreichend ist, wodurch die Verwendung von elektrodynamischen
Vibrationstischen für
ESS-Tests auf große
Fertigungsanlagen begrenzt wird. Obwohl andere technologische Lösungen oder
billigere Vibrationsanlagen zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel
hydraulische oder pneumatische Vibrationstische, sind solche Vibratoren
im allgemeinen nicht geeignet, um die ESS-Stimulation zu erzeugen.
Da die Verwendung von hydraulischen Vibratoren auf niedrige Schwingungsfrequenzen
begrenzt ist, kann der obere Bereich des Frequenzspektrums des ESS
Energiedichteprofils nicht verarbeitet werden. Während pneumatische Vibratoren
höhere
Schwingungsfrequenzen verarbeiten können, erlauben sie im allgemeinen
jedoch nicht die genaue Kontrolle des Erregungssignals, das für ESS erforderlich
ist, um ein Stimulationsprofil zu erzeugen, das an ein spezifisches
Produkt angepasst ist, wie dies in dem Dokument „Improper Environmental Stress
Screening Can Damage Your Product", Howe E., Test Engineering & Management, Okt./Nov.
1998, Seiten 22-23, und in „Improper
Environmental Stress Screening Can Damage Your Product – Part II", Howe E., Test Engineering
and Managemant, Dez./Jan. 1998–99,
Seiten 14–16.
In bestimmten Fällen
kann eine Veränderung
des Levels der Amplituden mehr als 30 dB erreichen.
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In
den vergangenen Jahren wurden akustische Versuchskammern entwickelt,
um verschiedene akustische Schwingungstests durchzuführen, bei
denen der zu testende Gegenstand, wie zum Beispiel das Teil eines
Flugzeugs, einem hohen Schalldruck unterzogen wird, welcher Schwingungen
auf diesen Gegenstand überträgt. Solche
Kammern aus dem Stand der Technik werden in dem US Patent Nr. 3,104,543,
dem US Patent Nr. 3,198,007, dem US Patent Nr. 3,827,288 und dem
US Patent Nr. 4,574,632 offenbart. Kürzlich wurde in dem US Patent
Nr. 5,226,326, das an Polen et al. erteilt worden ist, vorgeschlagen,
eine Schwingungskammer zu verwenden, die mit zwei Lautsprechern
ausgerüstet
sind, welche durch denselben operativen Frequenzbereich gekennzeichnet
und in einer Schub- Zugkonfiguration angeordnet sind, um eine Vielzahl
von zufälligen
Schwingungsmodi auf einen zu testenden Gegenstand entsprechend einem
ESS Vibrationsprofil zu übertragen,
das durch einen verbesserten Energiedichtelevel im Vergleich zu
dem Profil gekennzeichnet ist, das mit einer phasengleichen Anordnung
von Lautsprechern erreicht wird. Da die akustischen Wellen eine
direkte Stimulation von Schwingungen auf dem Produkt erzeugen, erfordert
die akustische Kammer nicht die Verwendung von mechanischen Befestigungen,
die für
jedes zu testende Produkt spezifisch sind, so dass generell universelle
Befestigungen verwendet werden können.
Ein weiteres akustisches Schwingungssystem für das ESS-Verfahren ist in
dem US Patent Nr. 5,471,877 offenbart, welches an Brown erteilt
worden ist, und bei dem eine flüssige
Kopplung mit den PCB's
verwendet wird, um Temperaturzyklen zu erzeugen und gleichzeitig Spannungszyklen
auf den Schwingungstest zu übertragen.
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Obwohl
sie billiger sind, als elektrodynamische Ausrüstungen, können diese akustischen Testsysteme aus
dem Stand der Technik keine genaue Kontrolle über einen spezifischen Teil
des Frequenzspektrums gewährleisten,
das notwendig ist, um bestimmte Produkte zu testen, da die vorgeschlagene
Schub-Zugkonfiguration
von identischen Lautsprechern eine allgemeine Erhöhung der
spektralen Energiedichte weitgehend über den gesamten Frequenzbereich
des Profils erzeugt. Eine genaue Kontrolle ist insbesondere in dem
unteren Frequenzbereich des Profils besonders wichtig, in dem eine
optimale Stimulation der hauptsächlichen
Schwingungsmodi kritisch ist, wie dies durch die typische experimentelle
Kurve 12 der spektralen Energiedichte in der 1 gezeigt
wird, in der eine akustische Testkammer aus dem Stand der Technik
verwendet wurde, um eine gedruckte Schaltung ohne montierte Bauteile
mit einem Weißrauscherregungssignal
zu testen, das durch eine Übergangsfrequenz
von 500 Hz gekennzeichnet war. In der Darstellung der 1 kann
man erkennen, dass das Frequenzverhalten im unteren Teil der operativen
Bandbreite deutlich geringer ist, als die Richtlinie der PSD-Referenzkurve 10 und
anzeigt, dass der Level der tatsächlich
auf den zu testenden Gegenstand übertragenen
Belastung nicht ausreichend ist. Obwohl ein nominaler Schwingungslevel
(Beschleunigung) von etwa 14,5 g rms angenommen werden kann, der
deutlich unter den NAVMAT Richtlinien liegt, erlaubt die Integration von
negativen und positiven Veränderungen,
die von der experimentellen Kurve 12 im Vergleich zu der Kurve 10 gezeigt
werden, eine Abschätzung
der gesamten negativen und positiven Veränderungen von jeweils etwa 4,3
g rms und 13,9 g rms, wobei die positive Veränderung im wesentlichen mit
dem oberen Teil des Frequenzbereiches über etwa 1.000 Hz zusammenhängt. Obwohl
die positive Veränderung
besser kontrolliert werden könnte,
wenn die Eigenschaften der Amplitude des Erregungssignals bei hoher
Frequenz verändert
würde,
um die positive Veränderung
auf einen gewünschten
Level dämpfen,
hat die Erfahrung gezeigt, dass im niedrigen Frequenzbereich eine
Begrenzung der Amplitude des Erregungssignals stattfindet, in der
die negative Veränderung
nicht mehr weiter deutlich reduziert werden kann, wodurch die Zuverlässigkeit
und die Wirksamkeit der ESS-Technik begrenzt wird.
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Eine
genaue Kontrolle im Bereich der Übergangsfrequenz
ist ebenfalls wichtig, wenn ein Übergangsgerät verwendet
wird, um die Lautsprecher anzutreiben, die verschiedene Betriebsbereiche
haben. Im letzteren Fall sollte die genaue Kontrolle des spektralen
Profils der Energiedichte weder auf Kosten der spektralen Energiewirksamkeit
erreicht werden, noch den gesamten akustischen Level in der Testkammer
nachteilig erhöhen,
um so bessere Arbeitsbedingungen zu gewährleisten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Daher
ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Versuchsanordnung
und ein Verfahren für die Übertragung
von Schwingungen auf einen zu testenden Gegenstand anzubieten, welche
eine verbesserte Kontrolle über
das Profil der spektralen Energiedichte der übertragenen Schwingungen ermöglicht.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Versuchanordnung
und ein Verfahren anzubieten, um Schwingungen auf einen Gegenstand
zu übertragen,
der für
das Environmental Stress Screening Verfahren verwendet werden kann.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Versuchanordnung und ein Verfahren anzubieten, um Schwingungen auf
einen Gegenstand zu übertragen,
der gleichzeitig Temperaturwechselbeanspruchungen unterzogen wird.
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Nach
dem vorstehend genannten Hauptziel der vorliegenden Erfindung wird
nach einem breiten Aspekt der Erfindung eine Anordnung für die Schwingungsprüfung vorgeschlagen,
die ein Hauptgehäuse
umfasst, das einen akustischen Hohlraum bildet, sowie eine akustische
Quelle aufweist, die mindestens einen akustischen Schallwandler
enthält,
der akustisch mit dem akustischen Hohlraum verbunden ist, um akustische Niederfrequenzwellen
auf einer freiliegenden Fläche
des Gegenstandes zu erzeugen, um ihn in Schwingungen zu versetzen.
Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Ablenkbleche
als Teil des Hauptgehäuses enthält, und
mit einer Hauptöffnung
versehen ist, und die Anordnung den Gegenstand in einer Stellung
aufnehmen kann, in der die Hauptöffnung
durch den Gegenstand und die akustische Isolierung weitgehend verschlossen
wird, während
der Teil der akustischen Wellen im Niederfrequenzbereich gedämpft werden,
welche eine weitgehend gegenüberliegende
Fläche
des Gegenstandes erreichen, die nicht direkt den akustischen Wellen
ausgesetzt ist.
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Üblicherweise
enthält
die Anordnung für
die Schwingungsprüfung
außerdem
eine weitere akustische Quelle, die mindestens einen weiteren akustischen
Schallwandler aufweist, der außerhalb
des akustischen Haupthohlraum und gegenüber dem Ablenkblech angeordnet
ist, um akustische Wellen auf dem Gegenstand zu erzeugen, um darauf
weitere Schwingungen zu übertragen.
Dieser akustische Schallwandler und der weitere akustische Schallwandler
sind miteinander mit dem Ablenkblech ausgerichtet und dazwischen
angeordnet, wobei die akustischen Schallwandler durch ergänzende Frequenzbereiche
gekennzeichnet sind.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Anordnung
für die
Schwingungsprüfung
ein wärmeisoliertes
Gehäuse,
welches einen thermischen Hohlraum bildet, in den der Gegenstand eingelegt
wird, sowie Mittel für
die Erzeugung eines inerten Gasstroms, Mittel für die Erwärmung des inerten Gasstroms,
Mittel für
die Abkühlung
des inerten Gasstroms, Mittel für
die Zirkulierung des inerten Gasstroms in den thermischen Hohlraum
für die
Erzeugung eines ersten Temperatursignals. Die Anordnung enthält außerdem Kontrollmittel,
welche auf das Temperatursignal ansprechen und operativ mit den
Mitteln für
die Erwärmung
und Kühlung verbunden
sind, um die Temperatur des inerten Gasstroms und des Gegenstands
zu kontrollieren, indem wahlweise das Mittel für die Erwärmung und die Kühlung entsprechend
einem vorbestimmten thermischen Zyklusprofil aktiviert werden, während die
akustische Quelle die akustischen Wellen auf der freiliegenden Fläche des
Gegenstandes zu erzeugen.
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Nach
einem weiteren breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren für
die Schwingungsprüfung
vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst:
- i)
Anordnung eines Hauptgehäuses,
das einen akustischen Haupthohlraum bildet und ein Ablenkblech mit mindestens
einer Hauptöffnung
enthält;
- ii) Anordnung von mindestens einem zu prüfenden Gegenstand in einer
Position, in welcher die Hauptöffnung
von diesem Gegenstand verschlossen wird, um dadurch eine seiner
Flächen
für akustische
Wellen im Niederfrequenzbereich freizulegen, während der Anteil der akustischen
Wellen gedämpft
wird, die eine weitgehend gegenüberliegende
Fläche
des Gegenstandes erreichen, die nicht direkt den akustischen Niederfrequenzwellen
ausgesetzt ist; und
- iii) Leitung von akustischen Wellen im Niederfrequenzspektrum
an diese Öffnung
und den Gegenstand.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsarten
der Anordnung und des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung werden
nachstehend in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen folgendes dargestellt ist:
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Die 1 zeigt
eine im logarithmischen Maßstab
geplottete Kurve, die eine Referenzkurve der spektralen Energiedichte
entsprechend NAVMAT-9492 mit einer typischen Frequenzkurve der Reaktion
zeigt, die für
eine gedruckte Schaltung ohne Bauteile erhalten wird, wie sie in
einer akustischen Kammer aus dem Stand der Technik getestet wurde;
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Die 2 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer akustischen Isolationskammer,
die eine Prüfeinheit nach
einer bevorzugten Ausführungsart
der Anordnung für
die Schwingungsprüfung
nach der vorliegenden Erfindung enthält;
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Die 3 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Teils der Anordnung für die Schwingungsprüfung aus
der 2, welche den zentralen Teil der Prüfeinheit
in größeren Einzelheiten
zeigt;
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Die 4a zeigt
eine komplette Endansicht der Prüfeinheit
aus den 1 und 2 ohne Befestigung;
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Die 4b zeigt
eine komplette Rückansicht
der Prüfeinheit
aus den 1 und 2 ohne Befestigung;
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Die 5 zeigt
eine perspektivische Teilansicht der Prüfeinheiten aus den 1 und 2,
welche das Ablenkblech zeigt, auf dem eine Befestigung montiert
ist, um eine einzige gedruckte Schaltung zu befestigen, die getestet
werden soll;
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Die 6 zeigt
eine perspektivische Teilansicht der Prüfeinheit aus den 4a und 4b,
auf der ein Paar benachbarter Befestigungen montiert ist, die mit
der in den 1 und 2 Befestigung
identisch sind, um eine gleichzeitige Schwingungsprüfung von
zwei gedruckten Schaltungen mit denselben Abmessungen zu erlauben;
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Die 7 zeigt
einen Aufriss der Prüfeinheit
aus den 4a und 4b, auf
der eine alternative Befestigung montiert ist, um ein Paar übereinandergelegte gedruckte
Schaltungen mit vergleichbaren Abmessungen zu befestigen, die getestet
werden sollen;
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Die 8 zeigt
die Ansicht des linken Endes der alternativen Befestigung aus der 7 im
zusammengebauten Zustand, welche ein Paar gedruckte Schaltungen
zeigt, die steif an der Befestigung befestigt sind;
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Die 9 zeigt
ein Blockdiagramm eines Antriebssubsystems als Teil der akustischen
Quellen der Prüfeinheit
aus der 1 entsprechend der bevorzugten
Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung;
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Die 9a zeigt eine Teilansicht des Subsystems
aus der 9, welche eine alternative Konfiguration der
Verbindung für
den Antrieb der akustischen Schallwandler zeigt;
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Die 10 zeigt
eine graphische Darstellung der typischen Frequenzkurven entsprechend
der Anordnung des Übergangs,
welcher für
das Antriebssubsystem verwendet wird, das in der 9 gezeigt
ist;
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Die 11 zeigt
eine geplottete graphische Darstellung im logarithmischen Maßstab der
Referenzkurve der spektralen Energiedichte entsprechend NAVMAT-9492
mit einer experimentellen Kurve des Frequenzbereichs, welche der
in der 1 gezeigten gedruckten Schaltung entspricht, die
jedoch mit einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung unter
Verwendung der ersten Konfiguration der Verbindung getestet wurde, die
in der 9 gezeigt ist; Die 12 zeigt
eine geplottete graphische Darstellung im logarithmischen Maßstab der
Referenzkurve der spektralen Energiedichte entsprechend NAVMAT-9492
und eine experimentelle Kurve des Frequenzbereiches, der mit einem
ersten Beispiel eines Erregungssignals für eine gedruckte Schaltung
mit Bauteilen erreicht wurde, die mit einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung
getestet wurde, in dem die erste Konfiguration der Verbindung aus
der 9 verwendet wurde;
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Die 13 zeigt
eine geplottete graphische Darstellung im logarithmischen Maßstab der
Referenzkurve der spektralen Energiedichte entsprechend NAVMAT-9492
und eine experimentelle Kurve des Frequenzbereiches, der mit einem
zweiten Beispiel eines Erregungssignals für eine gedruckte Schaltung
mit montierten Bauteilen in der 12 erreicht
wurde, die mit einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung getestet
wurde, in der die erste Konfiguration der Verbindung aus der 9 verwendet
wurde;
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Die 14a zeigt eine graphische Darstellung von üblichen
Werten des Eingabesignals für
die Erregung nach der Übergangsfilterung
in Bezug auf die Frequenz, wenn die erste Konfiguration aus der 9 verwendet
wird, um ein bestimmtes Profil eines Frequenzbereiches zu erzeugen,
wobei in dieser graphischen Darstellung der Bereich unter der Kurve
im Bereich des Übergangs
der Abschaltung der Frequenz dunkel eingefärbt wurde;
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Die 14b zeigt eine graphische Darstellung der üblichen
Werte des Eingabesignals der Erregung nach der Übergangsfilterung in Bezug
auf die Frequenz, wenn die alternative Konfiguration aus der 9a verwendet wird, um dasselbe Profil
des Frequenzbereiches aus der 14a zu
erzeugen, wobei in dieser graphischen Darstellung der Bereich unter
der Kurve im Bereich des Übergangs
der Abschaltung der Frequenz dunkel eingefärbt wurde;
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Die 15 zeigt
ein allgemeines Blockdiagramm des thermischen Kontrollsubsystems,
das entsprechend einer alternativen Ausführungsart der Anordnung nach
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wodurch gleichzeitig
mit der Schwingungsprüfung
ein Screenen der thermischen Zyklusbeanspruchung möglich ist;
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Die 16 zeigt
eine graphische Darstellung typischer Kurven der Reaktion des Temperaturzyklus
im Laufe der Zeit, die mit dem thermischen Kontrollsubsystem aus
der 15 erreicht wurden, wobei verschiedene Sensoren
und Positionen verwendet wurden.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten
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In
der Darstellung der 2 enthält die Anordnung für die Schwingungsprüfung nach
der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung, die durchgehend mit der Bezugsnummer 20 bezeichnet
wird, eine Prüfeinheit,
die durchgehend mit der Bezugsnummer 21 bezeichnet wird,
und in eine Isolationskammer 22 einer bekannten Art eingelegt
wird, wie sie zum Beispiel von Metcart (Quebec, Kanada) hergestellt
wird, und die eine Zugangstür 24 enthält. Die
Anordnung enthält
außerdem
ein Antriebssubsystem, das in einen Elektroschrank 23 eingebaut
ist, wobei dieses Subsystem später
noch im Einzelnen beschrieben wird. Das Antriebssubsystem ist an
den elektrischen Eingang und Ausgang der Prüfeinheit mit Hilfe eines elektrischen
Kabelstrangs 25 angeschlossen, der eine Seitenwand 27 der
Kammer 22 durchquert. Auf dem Boden 26 der Kammer 22 steht
ein Hubständer 28 von
der Art eines Gestells, wie dies im Einzelnen in der 3 dargestellt
ist, welcher ein Paar parallele und vertikale Stützschienen 30, 30' enthält, auf
denen mit Hilfe von Rollen 29 ein Paar Träger 32, 32' bewegt werden
kann. In der Darstellung der 4a und 4b enthält der Hubständer 28 ein
Paar Fußteile 31, 31', die jeweils
an das untere Ende der Schienen 30, 30' angeschlossen
sind, die an ihrem oberen Ende mit Hilfe eines Querträgers 33 miteinander
verbunden sind, wie dies in der 4a dargestellt
ist. An den Trägern 32, 32' und zwischen
den Schienen 30, 30' ist
ein oberer Schallwandler befestigt, wie zum Beispiel ein Lautsprechermodul 34,
das vier 38 cm/1.000 W Lautsprecher 35 hoher Kapazität umfasst, die
im Inneren auf einer Bodenplatte 36 montiert sind, die
entsprechende Öffnungen 39 aufweist.
Obwohl vorzugsweise vier Lautsprecher 35 verwendet werden,
um eine Eingangsimpedanz zu erreichen, welche die Energiewirkung
optimieren, kann auch eine geringere Anzahl von Lautsprechern verwendet
werden. Die Prüfeinheit 20 enthält ebenfalls
ein Hauptgehäuse 38 mit
einem akustischen Hauptschallwandler in Form eines Hauptlautsprechermoduls 40,
der auf Rädern 43 montiert
ist, sowie eine Abdeckung 42, die mit Hilfe von Klammern 49 auf
dem Modul 40 befestigt ist, und das eine obere Wand aufweist,
die ein Ablenkblech 44 bildet, das eine Hauptöffnung 45 aufweist.
Das Hauptlautsprechermodul 40 bildet zusammen mit der entsprechenden
Antriebsschaltung eine akustische Quelle, wie dies später noch
in Bezug auf die Darstellung der 9 in größeren Einzelheiten
erklärt
wird. Das verwendete Ablenkblech bestand aus einem 1,6 cm dicken
Furnier, um eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten. Da die Abmessungen
der Hauptöffnung
von den Abmessungen des zu prüfenden
Gegenstandes abhängen,
ist die Abdeckung 42 so konzipiert, dass das Ablenkblech
ausgetauscht werden kann. Ein 53 cm/1.000 W Lautsprecher 46 hoher
Kapazität
ist an der Innenseite einer oberen Platte 48 montiert,
die mit einer entsprechenden Öffnung 50 ausgestattet
ist, und als Teil des Hauptlautsprechermoduls 40 dient,
so dass es akustisch an ein akustisches Hauptgehäuse angeschlossen werden kann, das
durch die Abdeckung 42 zusammen mit dem Ablenkblech 44 und
der oberen Platte 48 gebildet wird. Selbstverständlich kann
auch mehr als ein Lautsprecher montiert werden, wenn dies durch
die Abmessungen und das Gewicht des zu prüfenden Gegenstandes notwendig
ist. Nach der vorliegenden Erfindung dämpft das Ablenkblech 44 durch
die Dämpfung
der akustischen Wellen, welche die Oberfläche des Gegenstandes erreichen,
die nicht direkt den akustischen Wellen ausgesetzt sind, welche
von dem Lautsprechermodul 40 erzeugt werden, und dämpfen die
entgegengesetzte Phase der akustischen Annihilation, die an der
nicht freiliegenden Seite des Ablenkbleches 44 auftritt,
und verbessert dadurch deutlich die Kontrolle des Frequenzbereiches
im niedrigen Frequenzbereich des Erregungsprofils, an dem die optimale
Stimulation der Hauptschwingungsmodi kritisch ist, wie dies bereits
vorstehend mit Bezug auf die NAVMAT 9492 Richtlinien erklärt worden
ist, die für die
ESS-Tests verwendet werden.
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Daher
ist das Ablenkblech 44 Teil des Hauptgehäuses 38,
in dem der akustische Schallwandler montiert ist, welcher die untere
Bandbreite der Betriebsfrequenz umfasst, das heißt, der Lautsprecher 46 in
diesem Beispiel. Die Verwendung des Ablenkbleches 44 trägt dazu
bei, den gesamten akustischen Level in der Prüfkammer auf einem Wert zu halten,
der mit Hilfe der akustischen Isolationswände der Kammer gedämpft wird, um
so sichere Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Die Erfahrung hat
gezeigt, dass die Verwendung des Ablenkbleches zusammen mit den
Lautsprechern 35, die eine höhere Bandbreite der operativen
Frequenz haben, nicht notwendig ist, um einen genügenden Level
des Schalldrucks bei diesen Frequenzen zu erzeugen.
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In
der Darstellung der 3 ist an dem Ablenkblech 44 steif
befestigt ein Befestigungsmittel in Form einer Befestigung 52 gezeigt,
an deren Rand eine gedruckte Schaltung 41, die auf dem
Ablenkblech 44 getestet werden soll, in einer Position
steif befestigt ist, in der die in den 4a und 4b gezeigte
Hauptöffnung 45 weitgehend
durch die gedruckte Schaltung 41 verschlossen wird. Selbstverständlich kann
die Befestigung 52 entsprechend geändert werden, um einen anderen
Gegenstand aufzunehmen, der Schwingungen unterzogen werden soll
und der dieselben oder kleinere Abmessungen hat. In der Darstellung
der 4a und 4b ist
der Halter 28 außerdem
mit einer Hebevorrichtung 54 ausgestattet, die einen Elektromotor 56 mit
einer Kontrollvorrichtung 57 aufweist, und der an ein Untersetzungsgetriebe 59 mit
einer Abtriebswelle angeschlossen ist, die seitlich über zusammenwirkende
Ritzel 58 und 58' mit
einer angetriebenen Welle 60 mit gegenüberliegenden Enden 62, 62' verbunden ist,
und die entsprechende Bohrungen durchqueren, die in den oberen Teilen 30, 30' vorgesehen
sind. Auf den Enden der Welle 62, 62' sind erste
und zweite Kettengetriebe 64, 64' montiert, welche mit Abtriebsketten 66, 66' zusammenarbeiten,
deren erstes Ende steif an einem oberen Teil der Träger 32, 32' befestigt ist,
während
ein zweites Ende an Gegengewichten 72, 72' befestigt ist,
welche erste und zweite Führungszylinder 68, 68' durchqueren,
die mit Hilfe von oberen und unteren Stützelementen 70, 70' an den Schienen 30, 30' befestigt sind.
Die Bewegung in der oberen Richtung und der unteren Richtung des
oberen Lautsprechermoduls 34 wird mit Hilfe einer Kontrolleinheit 73 aktiviert.
Ein (nicht gezeigter) Schirm oder Vorhang aus einem akustischen
Isoliermaterial oder Gewebe kann mit seinem oberen Rand an dem Lautsprechermodul 34 befestigt
werden, um eine weitere direktionale Eingrenzung der akustischen
Wellen gegen den zu testenden Gegenstand zu bilden.
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In
der Darstellung der 5 enthält die Befestigung 52,
welche eine einzige gedruckte Schaltung (PCB) 41 aufnehmen
soll, einen weitgehend rechteckigen Rahmen 74, der mit
einem vertieften ebenen Teil 76 ausgerüstet ist, welcher eine zentrale Öffnung bildet,
die mit der Hauptöffnung 45 ausgerichtet
ist und steif an dem Ablenkblech 44 mit Hilfe von geeigneten
Befestigungen, wie zum Beispiel (nicht gezeigten) Schrauben, befestigt
ist. In dem ebenen Teil 76 ist in einer weitgehend rechteckigen
Konfiguration ein Satz akustischer Isolierdichtungen 79 angeordnet,
welche einen weitgehend geschlossenen Perimeter bilden, der den
Umfang des PCB 41 umrandet und dadurch die längliche Öffnung blockiert,
welche zwischen dem PCB 41 und dem ebenen Teil 76 des
Rahmens 74 ausgebildet ist. Die Dichtungen 79 können aus
jedem Material hergestellt werden, das entsprechende akustisch isolierende
Eigenschaften besitzt, wie zum Beispiel Polyurethanschaum mit geschlossenen
Zellen und eine ausreichende Dichte hat. Die Dichtungen 79 werden
mit einem geeigneten Kleber auf dem ebenen Teil 76 befestigt.
Ebenfalls auf dem ebenen Teil 76 und getrennt durch die
Dichtungen 79 ist ein Satz justierbarer Klammern 49 mit
Montageblöcken 81 befestigt,
die in einer vorbestimmten Position an den entsprechenden Seiten
des Rahmens 74 mit Hilfe von Stellschrauben 82 verriegelt
werden, welche entsprechende (nicht gezeigte) Bohrungen durchqueren,
die in den Blöcken 81 vorgesehen
sind. Alternativ können
die Seiten des Rahmens 74 mit länglichen Schlitzen versehen
werden, um die Positionierung der Blöcke 81 zu ermöglichen.
Jede Klammer 49 enthält
ein federbetätigtes
Klammerelement 86, welches über einen Zapfen 87 mit
dem Basiselement 88 zusammenwirkt, das ein Paar seitliche
Flansche 90 aufweist, die mit Hilfe von Schrauben 92 an
dem entsprechenden Block 81 befestigt sind.
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An
dem vorderen Ende der Klammerelemente 86 ist ein Abstandshalter 94 in
einer Position parallel zu der entsprechenden Kante des PCB mit
Hilfe eines Satzes Schrauben 96 befestigt, welche vertikal
das vordere Ende des Klammerelementes 86 durchqueren. Jeder
Montageblock 81 ist mit einer (nicht gezeigten) Rippe ausgestattet,
die ein Ende aufweist, das vertikal mit dem Abstandshalter 94 ausgerichtet
ist, wenn sich die Klammer in der verriegelten Position befindet,
und bildet einen leckdichten Raum, um den benachbarten Teil des
Randes des PCB aufzunehmen. Die gegenüberliegenden Enden der Abstandshalter 94 und
die entsprechenden Rippen sind mit Gummiunterlagen 95 ausgerichtet,
um sicherzustellen, dass Randfläche
des PCB nicht durch die Klammern 49 beschädigt wird,
wenn diese in die geschlossene Position gebracht werden, während eine
akustische Isolierung an dem Berührungspunkt
des PCB gewährleistet
wird. Die Befestigung ist so ausgelegt, dass eine ausreichende Anzahl
von Klammern 49 auf dem Umfang des PCB entsprechend seinen Hauptschwingungsmodi
und an der Stelle der montierten Komponenten 85 montiert
werden können,
um eine effektive Umwandlung der akustischen Energie in Schwingungen
zu gewährleisten,
die auf den PCB geleitet werden, wie dies später noch im Einzelnen erklärt wird.
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In
der Darstellung der 6 ist ein Paar benachbarter
Befestigungen 52 gezeigt, die mit der in den 1 und 2 gezeigten
Befestigung identisch sind, und welche die gleichzeitige Schwingungsprüfung von zwei
gedruckten Schaltungen 41 und 41' mit vergleichbaren Abmessungen
erlaubt. In dieser Konfiguration ist das Ablenkblech 44' mit einer Hauptöffnung 45' versehen, die
in etwa zweimal so groß ist,
wie die Öffnung 45, die
in dem Ablenkblech 44 der Prüfeinheit gezeigt ist, die in
den 1 und 2 dargestellt ist. Um außerdem die
akustische Isolierung in dem Raum zu gewährleisten, welcher durch benachbarte
Seitenränder
der Rahmen 74 gebildet wird, um ein ausreichendes Spiel
für die
Schrauben zu bilden, welche die inneren Klammern 49 halten,
wird eine akustische Dichtung 99, die mit den Dichtungen 79 identisch
ist, mit Hilfe eines Klebers fest in den Freiraum eingefügt. Die
Dichtung 99 kann auch aus zwei identischen dünneren Dichtungen
bestehen, die mit Hilfe eines geeigneten Klebers an den Seitenrändern des
Rahmens 74 befestigt werden.
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In
den Darstellungen der 7 und 8 ist eine
alternative Befestigung in Form einer Befestigung gezeigt, die durchgehend
mit der Bezugsnummer 100 bezeichnet wird, und die so ausgelegt
ist, dass sie zwei übereinandergelegte
gedruckte Schaltungen 41 und 41' festhalten kann, die gleichzeitig
getestet werden sollen. Die Befestigung 100 hat dieselbe
modulare Konstruktion, wie die in der 5 gezeigte
Befestigung 52, und enthält zusätzliche Elemente, mit deren
Hilfe zwei gedruckte Schaltungen 41 und 41' in vertikalem
Abstandsverhältnis
aufgenommen werden können.
Die zusätzlichen
Elemente enthalten einen Satz fester Abstandsblöcke 102, die mit Hilfe
von (nicht gezeigten) Schrauben, welche entsprechende Gewindebohrungen 104 durchqueren,
an den Montageblöcken 81' befestigt sind.
Die zusätzlichen
Elemente enthalten außerdem einen
entsprechenden Satz löslicher
Abstandsblöcke 108,
die jeweils mit einer Rippe 109 ausgestattet sind, die
mit einer entsprechenden länglichen
Vertiefung zusammenarbeiten, die an der Innenseite der festen Abstandsblöcke 102 vorgesehen
ist. Die zusätzlichen
Elemente enthalten ebenfalls einen zweiten rechteckigen Rahmen 112,
welcher periphere Randteile aufweist, die in entsprechende querliegende
Vertiefungen 110 eingreifen können, die auf den löslichen
Abstandsblöcken 108 vorgesehen
sind, um sie in Form eines Moduls zusammenzufügen. Das Ende der Rippe 98,
die auf den Montageblöcken 81' angeordnet
ist, ist mit Hilfe von zwei Gummiunterlagen 95 vertikal
mit einem Montageteil 111 der Rippe 109 ausgerichtet,
wenn sich die Klammer in der geschlossenen Position befindet, um
einen leckdichten Raum für
die Aufnahme und Halterung des benachbarten Teils des Randes des
PCB 41 zu bilden, um so die akustische Isolierung an dem
Kontaktpunkt zu gewährleisten,
während
sichergestellt ist, dass die Randfläche des PVB nicht durch die
Klammern 49' beschädigt wird,
wenn diese in die geschlossene Position gebracht werden. Wenn sich
die Klammern 49' in
der geschlossenen Position befinden, wird der zweite PCB 41' ebenfalls von
den Montageabstandshaltern 94', den Gummiunterlagen 95' und den gegenüberliegenden
Zungen 114 steif festgehalten, die aus den entsprechenden
löslichen
Abstandsblöcken 108 hervorstehen.
Auf dem ebenen Teil 76' des
Rahmens 74' ist
eine erste akustische Isolierdichtung 77 aus einem elastischen
akustischen Isoliermaterial angebracht, welche den ersten PCB 41 aufnehmen
kann. Ebenfalls vorgesehen ist ein zweiter Satz Isolierdichtungen 79', die auf der
Oberfläche
des PCB 41' angeordnet
sind, um mit der ersten Dichtung 77 einen geschlossenen
Perimeter zu bilden, welcher die Peripherie des PCB 41' eingrenzt.
Es ist ein Satz steifer Ablenkblechwände 83 vorgesehen,
welche auf den zweiten Dichtungen 79' aufliegen, und so ausgelegt sind,
dass sie den zweiten rechteckigen Rahmen 112 aufnehmen
können,
dessen Wände 83 speziell
bemessen sind, um fest zwischen den Abstandsblöcken 102 zu sitzen,
um dadurch ein zweites Gehäuse
zu bilden, das einen zweiten akustischen Hohlraum zwischen den ersten
und zweiten PCBs 41 und 41' herstellt. Wenn das PCB 41' auf dem zweiten
Rahmen 122 angeordnet wird, wird dessen Öffnung durch
den PCB 41' akustisch
verschlossen, wodurch die entgegengesetzte Phase der akustischen
Annihilation, die an der nicht freiliegenden Seite des PCB 41' erzeugt wird,
gedämpft
wird, während
ein Transfer der akustischen Energie aus dem Hauptgehäuse an den
PCB 41' durch
den PCB 41 und den zweiten Hohlraum erfolgt. Selbstverständlich kann,
wenn mehr als zwei gedruckte Schaltungen getestet werden sollen,
eine bestimmte Kombination von Befestigungen, wie sie in den 5 bis 7 gezeigt
sind, verwendet werden. Um vier PCBs zu testen, kann ebenfalls ein
Paar Befestigungen 100 eingesetzt werden. Außerdem kann
die alternative Befestigung 100 aus der 7 so
verändert
werden, dass drei oder mehr übereinanderliegende
PCBs verklemmt werden können,
vorausgesetzt, dass die akustische Dämpfung zwischen den benachbarten
zweiten Hohlräumen
innerhalb einer akzeptierbaren Grenze gehalten werden kann.
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In
der Darstellung der 9 wird ein Antriebssubsystem
als Teil der akustischen Quellen für die Prüfeinheit aus der 1 nach
einer bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung erklärt.
Das Antriebssubsystem 116 enthält einen Konditionierverstärker 118,
wie er von der Firma Nexus hergestellt wird, um durch eine Eingabeleitung 119 ein
Eingabesignal in Form eines Indikatorsignals für Schwingungen zu empfangen,
welches durch einen Schwingungswandler, wie zum Beispiel einen Beschleunigungsmesser 120 erzeugt wird,
der so ausgelegt ist, dass er an einen (nicht gezeigten) zu testenden
Gegenstand angeschlossen werden kann, der auf dem Ablenkblech befestigt
ist, wie dies vorstehend erklärt
worden ist. Der Beschleunigungsmesser 120 wird vorzugsweise
in einem zentralen Bereich einer freiliegenden Fläche des
Gegenstandes angeordnet, obwohl auch andere Bereiche hierfür geeignet
sein können,
ebenso wie die Verwendung von mehr als einem Beschleunigungsmesser,
um ein kombiniertes oder mittleres Eingabesignal abzuleiten. Es
kann ein Beschleunigungsmesser, wie ein Endevco Typ 2222C verwendet
werden. Alternativ kann ein Mikrophon 122, das in der Nähe des Gegenstandes
angeordnet wird, als Schallwandler eingesetzt werden, um das Eingabesignal in
Form eines Indikatorsignals für
einen Schalldruck zu erzeugen. Obwohl ein Schwingungswandler weiterhin erforderlich
ist, um die Messungen in dB des Schalldruckes in Bezug auf die entsprechenden
Schwingungslevel in g vor der Durchführung von Tests an Serien von
identischen Gegenständen
zu kalibrieren, wonach diese Tests anschließend nur mit dem Mikrophon
in einer festen Position durchgeführt werden, ohne dass es notwendig
wäre, den
Schwingungswandler an jeden der zu testenden Gegenstände anzuschließen. Obwohl
ein zweites (nicht gezeigtes) Mikrophon in dem akustischen Hauptgehäuse angeordnet
werden kann, das durch die obere Abdeckung 42 und die obere
Platte 48 des Hauptlautsprechermoduls 40 gebildet
wird, um ein für den
Lautsprecher 46 spezifisches Eingabesignal zu erzeugen,
hat die Erfahrung gezeigt, dass das einzige Mikrophon 122,
das direkt dem akustischen Feld ausgesetzt ist, das durch die Lautsprecher 35 des
oberen Moduls 24 erzeugt wird, ebenfalls einen ausreichenden
Level von indirekten akustischen Wellen empfängt, welche durch den Lautsprecher 46 erzeugt
werden, um eine geeignete Kontrolle zu gewährleisten. Der Konditionierverstärker 118 erzeugt
eine passende Impedanz und Amplitude, um ein Eingabesignal für die Kontrolle
zu erzeugen, welches durch eine Leitung 126 an ein UDC-Kontrollgerät 124 für Schwingungen
geleitet wird.
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Das
Kontrollgerät 124 vergleicht
das Indikatorsignal für
Schwingungen oder den Schalldruck im Feedback mit den Referenzdaten
des Erregungssignals, welche durch einen bekannten Frequenzgehalt
gekennzeichnet sind, um durch die Leitung 128 ein Erregungseingangssignal
entsprechend zu erzeugen. Alternativ kann statt der Konfiguration
eines kontinuierlichen Feedbacks, welches das Eingabesignal des
Schwingungswandlers oder Schalldruckwandlers verwendet, um das Eingabesignal
für die
Kontrolle abzuleiten, das Ausgangssignal des Kontrollgerätes durch
die Feedbackleitung 130 verwendet werden, um den notwendigen
Vergleich mit den Referenzdaten des Erregungssignals durchzuführen. Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, das Kontrollgerät 124 zu
verwenden, um das Eingabesignal der Erregung direkt aus den Referenzdaten
des Erregungssignals zu erzeugen, vorausgesetzt, es kann davon ausgegangen
werden, dass die akustischen und elektrischen Eigenschaften der
anderen Komponenten der Prüfanordnung
ausreichend stabil sind. Das Kontrollgerät 124 kann über eine
Ausgabeleitung 125 an einen (nicht gezeigten) Computer
angeschlossen werden, um Daten zu speichern und Analysen durchzuführen. Das
Eingabesignal der Erregung wird an einen Übergangsfilter 132 einer
bekannten Art geleitet, wie er zum Beispiel von der Firma Active
hergestellt wird, dessen Ausgänge 134 und 135 über Leitungen 136 und 137 an
die Verstärkerkanäle 138 und 139 eines
Energieverstärkers
angeschlossen sind, um durch die Ausgangsleitungen 140 und 141,
die an den Lautsprecher 46 und die parallel angeordneten
Lautsprecher 35 erste und zweite elektrische Ausgangssignale
zu erzeugen, welche in der Nähe
einer Übergangsabschaltfrequenz
ergänzende
Frequenzspektren aufweisen. Die Abschaltfrequenz des Filters wird
entsprechend den operativen Frequenzbereichen der Lautsprecher 46 und 35 gewählt, die
so gewählt
werden, dass sie ergänzende
operative Frequenzbereiche aufweisen, um die Energiewirkung des
Gerätes
zu maximieren. In dem vorliegenden Beispiel wurde der 53 cm Lautsprecher 46 so
gewählt,
dass er einen wirksamen Betriebsbereich von etwa 20 bis 160 Hz hat,
während
der Lautsprecher 35 so gewählt wurde, dass er einen ergänzenden
wirksamen Betriebsbereich von etwa 160 bis 2.000 Hz hat. Daher betrug
die gewählte
Abschaltfrequenz des Übergangsfilters
160 Hz, wie dies in der 10 gezeigt
ist, in der typische Kurven des Frequenzbereiches 142 und 144 entsprechend
den jeweiligen operativen Frequenzbereichen der Lautsprecher 46 und 35 gezeigt
werden, wie dies in der 9 dargestellt ist. Man kann
erkennen, dass das Übergangsausgangssignal
des Lautsprechers 46 den unteren Teil des Frequenzbereiches
unter etwa 130 Hz enthält,
während
das Übergangsausgangssignal
der Lautsprecher 35 den oberen Bereich des Frequenzbereiches über etwa
130 Hz enthält.
Aus der Kurve 142 kann man ersehen, dass eine gewisse Dämpfung in
dem Bereich erfolgt, der dem Tiefpass-Teil des Filters bei 0 dB von etwa 62
Hz auf 139 Hz in einer Rate von etwa 22 dB/Oktav entsteht, was einem
Gewinn der Dämpfung
von etwa 13 dB in diesem Bereich entspricht. Aus der Kurve 144 kann
man ersehen, dass die Dämpfung
in einem Bereich von 130 Hz auf etwa 375 Hz mit derselben Rate von
etwa 22 dB/Oktav ansteigt, was einer zusätzlichen Reduzierung der Dämpfung von
etwa 13 dB entspricht, um einen Hochpassteil des Filters bei 0 dB
zu erreichen. Ein solcher Frequenzbereich im Bereich der Abschaltfrequenz,
welcher bekannte Übergangsfilter
kennzeichnet, berührt
die Energiewirkung im Bereich der Übergangsfrequenz, und insbesondere
in einem Standardbereich, der durch die Punkte auf den Kurven 142 und 144 definiert
wird, und der einer Absenkung von 20 dB/Oktav in Bezug auf den Gewinnlevel
von 0 dB entspricht. In der Darstellung der 9a besteht
die Lösung
für die
Vermeidung einer solchen Abnahme im Bereich der Übergangsabschaltfrequenz darin,
eine alternative Konfiguration der Verbindung für die Betätigung der Lautsprecher 46 und 35 einzusetzen,
die in der 9 dargestellt ist. Sie besteht
darin, einen einzigen Ausgang des Übergangsfilters 132,
wie zum Beispiel den in der 9a gezeigten
Ausgang 135, entsprechend einer umgekehrten Polarität über die
umgekehrte Leitung 13T, das heißt, in diesem Beispiel die
Lautsprecher 35, an den entsprechenden akustischen Schallwandler
anzuschließen,
wodurch die ersten und zweiten Ausgangssignale, welche durch die
Leitungen 140 und 141 durch die Verstärkerkanäle 138 und 139 an
die Lautsprecher 46 und 35 geliefert werden, ein
weitgehend entgegengesetztes Phasenverhältnis im Bereich der Übergangsabschaltfrequenz
haben. Es kann ein (nicht gezeigter) Schalter vorgesehen werden,
um die gewünschte
Konfiguration der Polarität
zu wählen.
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In
der Darstellung der 15 ist eine alternative Ausführungsart
der Anordnung für
die Schwingungsprüfung
nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, welche es erlaubt, gleichzeitig
die Temperaturwechselbeanspruchung und die Schwingungsprüfung zu
testen. Diese alternative Ausführungsart
enthält
alle Komponenten aus der ersten bevorzugten Ausführungsart, die vorstehend in
Bezug auf die 2 bis 10 beschrieben worden
sind, jedoch zusätzlich
ein Temperaturkontrollsubsystem aufweist, das Temperaturtests, wie
zum Beispiel die Temperaturwechselbeanspruchung von Gegenständen, die
einer Schwingungsprüfung
unterzogen werden. Für
ein besseres Verständnis
ist in der 15 nur ein Teil der in den 2 bis 4b dargestellten Prüfeinheit 21 dargestellt.
Zwischen der Bodenplatte 36 und dem Ablenkblech 44 befindet
sich eine wärmeisolierte
Eingrenzung 154, die ein Wärmegehäuse 156 bilden, in
dem ein zu testender Gegenstand, wie zum Beispiel der PCB 41 enthalten
ist, wobei der PCB 41 auf dem Ablenkblech 44 in
derselben Weise montiert ist, wie dies vorstehend worden beschrieben
ist. Das wärmeisolierte
Gehäuse
besteht aus vier Wänden 156, 158, 160, 162,
die aus rostfreiem Stahl oder galvanisierten Stahlplatten hergestellt
sind, die eine äußere Beschichtung
aus einem wärmeisolierenden
Material aufweisen. Die Wand 158 ist mit einer ersten Öffnung 164 ausgestattet,
die einen Einlass bildet, der in flüssiger Verbindung mit dem vorderen
Ende einer Flüssigkeitsleitung 166 steht,
dessen hinteres Ende an den Ausgang einer Heiz-/Kühleinheit 170 angeschlossen
ist. Die Wand 162 ist mit einer zweiten Öffnung 172 ausgestattet,
die eine Ausgangsöffnung
bildet, die in flüssiger
Verbindung mit dem vorderen Ende einer Flüssigkeitsrückführleitung 174 steht,
deren hinteres Ende an die Rückführöffnung 176 angeschlossen
ist, die an die Einheit für
das Heizen/Kühlen 170 angeschlossen
ist. Obwohl für
die meisten Tests Luft als Fluid für den Temperaturtransfer verwendet
wird, kann auch ein anderes inertes Gas verwendet werden, das ähnliche
oder bessere Eigenschaften des Temperaturtransfers aufweist. Wenn
Luft als Fluid für
den Wärmetransfer verwendet
wird, wird die Einheit für
die Erwärmung/Kühlung 170 mit
mechanischen Mitteln ausgerüstet,
um einen Luftstrom in Form eines konventionellen Luftgebläses 178 zu
erzeugen, welcher die eintretende Luft aus der Rückführöffnung 176 durch die
Heizspirale 180 einer elektrischen Heizung 182 treibt,
welche mit einem Wärmekontrollgerät 184 ausgestattet
ist. Selbstverständlich
kann auch eine andere Heizung als Heizquelle verwendet werden, wie
zum Beispiel ein Ölbrenner
oder ein Gasbrenner. Auf der Einheit 170 ist ebenfalls
ein Kühlgerät 186 vorgesehen,
welches einen Vorratstank 188 enthält, der ein bedrücktes Kühlfluid
enthält,
wie zum Beispiel flüssigen
Stickstoff, und der über
das Hauptventil 190 und die Speiseleitung 192,
die mit einem elektromechanisch gesteuerten Ventil 194 mit
einer Düse 196 in
flüssiger
Verbindung steht, an dem die Absorption von Wärme aufgrund der Verdampfung
des flüssigen
Stickstoffs die Kühlung
des inerten Gases bewirkt, während
es durch den Ausgang 168 strömt, bevor es durch die Öffnung 164 in
das wärmeisolierte
Gehäuse
gelangt und in den thermischen Hohlraum 156 zirkuliert
wird. In dem thermischen Hohlraum 156 ist ein erster Temperaturfühler 198 angeordnet,
wie zum Beispiel ein Standardthermoelement vom Typ „T", um ein erstes Indikatorsignal
für die
Temperatur zu erzeugen, das durch die elektrische Leitung 200 an
den Signaleingang 202 eines Feedbackkontrollgerätes 204 als
Teil einer Einheit für
die Temperaturkontrolle 206 geleitet wird. Der erste Fühler 198 steht
nur mit dem Fluidstrom in Verbindung, so dass das erste erzeugte
Signal die Temperatur des erwärmten/gekühlten inerten
Gases anzeigt. Das Kontrollgerät 204 besitzt
einen ersten Kontrollausgang, um das Kontrollsignal für die Erwärmung durch
die Kontrollleitung 210 an das Wärmekontrollgerät 184 zu
leiten, und besitzt außerdem
einen zweiten Kontrollausgang 212, um das Kontrollsignal
für die
Kühlung
durch die Kontrollleitung 214 an das kontrollierte Ventil 194 zu
leiten. Das Kontrollgerät
ist so programmiert, dass es wahlweise entweder das Heizgerät 170 oder
das Kühlgerät 186 entsprechend
einem vorbestimmten Profil des Wärmezyklus
als Reaktion auf das erhaltene Indikatorsignal für die Temperatur aktiviert.
Die Einheit für
die Temperaturkontrolle 206 enthält außerdem einen konventionellen Mikrocomputer 216 mit
einem Display 218 und einem Speicher, 220, in
dem die Daten des vorbestimmten Profils des Wärmezyklus gespeichert werden,
wie dies später
noch im Einzelnen beschrieben wird. Der Computer 216 ist
außerdem
mit einem geeigneten Input/Output-Interface ausgestattet, das über Input-
Outputleitungen 222, 224 mit dem Kontrollgerät 204 verbunden
ist. Der Mikrocomputer 216 betreibt eine Kontrollsoftware,
die so programmiert ist, dass sie durch die Kontrollleitung 224 die
Daten der Kontrollparameter entsprechend den im Speicher 220 gespeicherten
Daten des Profils des Wärmezyklus
zu senden, wobei diese Kontrolldaten die festgelegten Werte der
mit der Temperatur zusammenhängenden
Daten anzeigen, die für
die Feedbackkontrolle in Abhängigkeit
von der Zeit notwendig sind. Die eingestellten üblichen Kontrollparameter des
Kontrollgerätes 204 können ebenfalls über die
Leitung 222 von dem Mikrocomputer 216 empfangen
werden. In dem thermischen Hohlraum 156 sind ebenfalls
ein oder mehrere weitere Temperaturfühler 226, 226' angeordnet,
die direkt auf dem Gegenstand 41 platziert sind, um Indikatorsignale
für die
Temperatur des Gegenstandes zu produzieren, die durch die Leitungen 230, 230' an einen analog-digitalen
Konverter 228 geleitet werden. Zum Beispiel kann ein Standardthermoelement
vom Typ „T" als Temperaturfühler 226 verwendet
werden, während
ein Thermoelement vom Typ „K", wie es von der
Firma Sanders Technology hergestellt wird, als weiterer Temperaturfühler 226' verwendet werden
kann. Durch die mit dem Computer 216 verbundene Datenleitung 232 werden
die erzeugten digitalen Signale über
die damit verbundene Datenleitung 232 an den Computer 216 gesendet,
und der Computer 216 speichert in dem Speicher 220 die
entsprechenden Temperaturdaten als Reaktion auf das empfangene digitale
Signal, das verwendet werden kann, um die Daten des Zyklusprofils
entsprechend anzupassen, die angezeigt oder anderweitig verarbeitet
werden sollen.
-
Die
Operation der bevorzugten Ausführungsarten
der Anordnung für
die Schwingungsprüfung
und des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird nachstehend
erklärt.
Entsprechend konventionellen ESS-Verfahren für das Testen von gedruckten
Schaltungen und die Bestimmung des Schwingungsspektrums, das für das Testen
eines bestimmten PCB notwendig ist, ist üblicherweise eine empirische
Angelegenheit. Die induzierte Ermüdung und Ausfällung von
latenten Fehlern werden im allgemeinen nicht in Anbetracht der tatsächlichen
Beanspruchungen in der Schaltung abgeschätzt, sondern eher empirisch
aus dem gemessenen Level der Schwingungen beurteilt. Die Fehler,
welche durch eine Stimulation mit zufälligen Schwingungen ausgefällt werden,
hängen
hauptsächlich
mit schlechten Lötmassen,
Fehlern der Komponenten oder Substrate, Anschlussproblemen, schlechter
Befestigung von Kabeln und Komponenten und strukturellen Problemen
zusammen. Verfahren für
die Bestimmung des Spektrums der Stimulation von Schwingungen reichen üblicherweise
von der Untersuchung des Schwingungsverhaltens und dem Vergleich
der globalen Reaktion auf die vorbestimmten optimalen Schwingungslevel
und der Verwendung von Spektren, die früher erfolgreich für andere
Produkte verwendet worden sind. Ein intermediäres Verfahren besteht darin,
typische Fehler in ein Produkt einzuleiten und dann den Schwingungslevel
zu erhöhen,
bis diese Fehler wiederholt auftreten. Die Dauer der Stimulation
der Schwingungen beträgt üblicherweise
10 Minuten. Bekannte Verfahren für
die Bestimmung des Spektrums der Stimulation der Schwingungen, die
auf ein bestimmtes Produkt angewendet werden können, können ebenfalls eingesetzt werden,
wenn die Anordnung für
die Schwingungsprüfung
und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
um Schwingungen auf einen zu testenden Gegenstand zu übertragen,
wobei die Eigenschaften des Energietransfers aus dem angewendeten
akustischen Feld auf die induzierten Schwingungen in Betracht gezogen
werden. Um jedoch die Wirksamkeit dieser bekannten Verfahren zu
verbessern, kann ein Strukturmodell, das die Reaktion der Schwingungen
auf ein Produkt charakterisiert, vorher hergestellt werden, um das
Spektrum der Stimulation von Schwingungen zu bestimmen, das wahrscheinlich
ein Profil des angestrebten Frequenzbereiches herstellen wird. Zu
diesem Zweck können
modale Analysetechniken verwendet werden, wie zum Beispiel diejenigen,
die in der Veröffentlichung
des Erfinders „Modal analysis
of electronic circuit using acoustical sources" 4. Annual IEEE Accelerated Stress Testing, 1998,
und „Experimental
modal analysis using acoustical sources" 17. Canadian Congress of Applied Mechanics,
1999, beschrieben sind. Die modale Analyse besteht hauptsächlich in
der Erstellung eines theoretischen Modells im Sinne von Schwingungsparametern,
welche Resonanzfrequenzen und Dämpfungsfaktoren
beinhalten, die mit den hauptsächlichen
Schwingungsmodi zusammenhängen.
Anschließend
werden Werte für diese
Schwingungsparameter experimentell mit Hilfe einer konventionellen
Instrumentierung für
die Messung bestimmt, indem entweder eine mechanische oder eine
akustische Quelle für
die Schwingungen verwendet wird. Alternativ können diese Werte der Schwingungsparameter
mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse abgeschätzt werden, die ebenfalls eingesetzt
werden kann, um die Grenzbedingungen der Befestigung zu definieren,
auf welcher der Gegenstand montiert ist. Aus den erhaltenen Werten
der Schwingungsparameter können die
Level der Stimulation der Schwingungen vorausgesagt werden, die
notwendig sind, um den Anforderungen der ESS-Tests zu entsprechen, sowie optimale
Schwingungsspektren.
-
Nachstehend
wird in Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen ein Beispiel des ESS-Verfahrens für den Test eines PCB nach der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Sobald das Spektrum und der
Level der Schwingungen für
den zu testenden PCB 41 bestimmt worden sind, wird das
in der 9 gezeigte Kontrollgerät programmiert und die Energielevel
der Verstärker 138 und 139 werden
entsprechend eingestellt. Eine Ausgangspolarität wird ebenfalls zwischen den
Konfigurationen dadurch ausgewählt,
dass entweder die Leitung 137 oder die Leitung 13T verwendet
wird. In der Darstellung der 4a wird
dann die Kontrolleinheit 73 betätigt, um die Hebevorrichtung 28 zu
veranlassen, das obere Lautsprechermodul 34 in eine Position
anzuheben, in der ein ausreichendes Spiel zwischen der Bodenplatte 36 und
dem Ablenkblech 44 der Abdeckung 42 entstanden
ist, um die Montage eines zu testenden Gegenstandes zu ermöglichen.
Wie dies in der 3 gezeigt ist, wird der PCB 41 auf
der Befestigung 52 montiert und die Klammern 49 werden
fest in ihre geschlossene Position gebracht. Wenn ein Paar PCBs 41 und 41' getestet werden
soll, wird der PCB 41 zuerst auf der Befestigung 100 dadurch
montiert, dass der Rand des PCB's
auf die Montageblocks 81' mit
dazwischen angeordneten ersten Gummiunterlagen 95 aufgesetzt
wird. Anschließend
werden die löslichen
Abstandsblöcke 108,
die mit Hilfe des zweiten Rahmens als Modul zusammengefügt wurden,
entlang den Abstandsblöcken 102 auf
den Rand des zweiten PCB's
mit dazwischen gelegten Gummiunterlagen 95' angeordnet. Der zweite PCB 41' wird schließlich auf
die Zungen 114 der löslichen
Abstandsblöcke 108 mit
Hilfe von Abstandshaltern 94' und
Gummiunterlagen 95' montiert
und die Klammern 49 werden fest in die geschlossene Position
gebracht. Sobald die Tür 24 der
akustischen Isolierkammer 22 geschlossen worden ist, kann
der Test durchgeführt
werden. In der Darstellung der 11 ist
eine Referenzkurve 12 der spektralen Energiedichte entsprechend
NAVMAT-9492 mit einer experimentellen Kurve 146 des Frequenzbereichs
geplottet, die für
die in der 1 gezeigte gedruckte Schaltung
erhalten wurde, wobei die Komponenten nicht auf dem PCB montiert
waren und unter Verwendung der in der 9 gezeigten
Konfiguration der Verbindung mit Hilfe der Ausgangsleitung 137 getestet
wurde. Im Gegensatz zu dem Profil, das für denselben PCB mit einem System
aus dem Stand der Technik ohne Ablenkblech wie in der 1 gezeigt,
mit einem nominalen Schwingungslevel (Beschleunigung) erreicht wurde,
der auf 28,9 g rms geschätzt
wurde, kann man erkennen, dass die PSD-Werte, die mit einer Anordnung
nach der vorliegenden Erfindung erreicht wurden, deutlich über den
entsprechenden Werten liegen, die von der Referenzkurve 10 für weitgehend
das gesamte Schwingungsspektrum im Bereich von 20 bis 2.000 angegeben
wurden. Insbesondere kann man in der 1 erkennen,
dass der Frequenzbereich im unteren Teil der operativen Bandbreite
unter einer Übergangsfrequenz
von 160 Hz, mit Ausnahme von einem unbedeutenden unteren Grenzbereich
von 20 -30 Hz, wesentlich
höher ist,
als die Referenzkurve 10 des angestrebten PSD, was zeigt,
dass der Level der auf den getesteten Gegenstand übertragenen
Beanspruchungen ausreichend ist, und selbst einen höheren nominalen
Schwingungslevel erreichen kann, der von dem Operator gewünscht wird.
Es wurden insgesamt positive und negative Änderungen von jeweils 0,205
g rms und 28,4 g rms im Vergleich zu den 4,3 g rms und 13,9 g rms
erreicht, die mit einer Anordnung aus dem Stand der Technik erreicht
wurden, deren Ergebnisse in der 1 dargestellt
sind, wie dies bereits vorstehend erklärt worden ist. Es zeigt sich
daher, dass eine wirksame Kontrolle im niedrigen Frequenzbereich
mit einer Anordnung und einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
erreicht werden kann, um einen zuverlässigen und wirksamen ESS-Test
zu ermöglichen.
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In
der Darstellung der 12 ist eine Referenzkurve der
spektralen Energiedichte nach NAVMAT-9492 mit einer experimentellen
Kurve 146 des Frequenzbereiches geplottet, welche der Kurve 147 des kontrollierten
Erregungssignals überlagert
wurde, das eine Übergangsfrequenz
von 160 Hz hat und in gestrichelten Linien angegeben ist, wobei
diese Kurve 146 für
eine gedruckte Schaltung mit den darauf montierten Komponenten erzielt
wurde, und die mit der ersten Konfiguration der Verbindung aus der 9 mit
Hilfe der Ausgangsleitung 137 getestet wurde. Man erkennen,
dass die Kurve 146 des Frequenzbereichs weitgehend mit
der Kurve 147 des Erregungssignals zusammenpasst. Wie man
in der 12 erkennen kann, kann je nach den
Anforderungen des Tests das Erregungssignal entsprechend einem unterschiedlichen
Profil im Vergleich zu NAVMAT-9492 festgelegt werden kann, die als
Richtlinie verwendet werden kann.
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In
der Darstellung der 13 ist eine experimentelle Kurve 149 des
Frequenzbereiches gezeigt, die mit einem zweiten Beispiel eines
durch die Kurve 151 dargestellten Erregungssignals für dieselbe
in der 12 gezeigte gedruckte Schaltung
erreicht wurde, und bei der eine Anordnung verwendet wurde, in der
die erste Konfiguration der Verbindung aus der 9 eingesetzt
wurde. In diesem Beispiel wurden die hauptsächlichen Resonanzfrequenzen
der gedruckten Schaltung vorher mit Hilfe einer modalen Analyse
nach einer bekannten Technik identifiziert, wie zum Beispiel den
vorstehend erwähnten
Verfahren. Anschließend
wurde das Profil des Erregungssignals so bestimmt, dass die Erregungsenergie
rund um die Resonanzfrequenzen und auf dem unteren Teil des Frequenzspektrums
konzentriert wurde, um die Energiewirkung zu verbessern. Auch hier
kann man erkennen, dass die Kurve 149 des Frequenzbereiches
weitgehend mit der Kurve 151 des Erregungssignals zusammenpasst.
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In
den Darstellungen der 14a und 14b kann man erkennen, dass das übliche Profil
der Kurven 150 und 150', welche das Eingangssignal der
Erregung nach der Übergangsfilterung,
die mit Hilfe der ersten und der alternativen Konfigurationen der
Verbindung, die in den 9 und 9a dargestellt
sind, weitgehend gleich sind, mit Ausnahme der Bereiche 152 und 152' in dem Bereich,
der zwischen 115 und 190 Hz in der Nähe der Übergangsabschaltfrequenz liegt,
die für
beide Kurven auf 160 Hz festgesetzt worden ist. Es muss auch erwähnt werden,
dass beide Kurven 150 und 150' mit einem weitgehend identischen
Profil des Frequenzbereichs des PSD verbunden sind. Da die mittlere
Stromstärke
in dem Bereich 152' deutlich
geringer ist, als die mittlere Stromstärke im Bereich 152,
ergibt sich eine entsprechende Reduzierung der Energie, die wie
folgt geschätzt
werden kann:
-
-
Daher
wird eine genaue Kontrolle über
das Profil der spektralen Dichte im Bereich der Übergangsfrequenz erreicht,
ohne die spektrale Energiewirkung nachteilig zu beeinflussen und
ohne den gesamten akustischen Level in der Testkammer nachteilig
zu erhöhen
und trägt
zu besseren Arbeitsbedingungen bei.
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In
der Darstellung der 16 sind typische Kurven 232, 234 und 236 des
zyklischen Temperaturbereichs gezeigt, die mit dem in der 15 dargestellten
thermischen Kontrollsubsystem erreicht wurden, das mit einem Satz Temperaturfühler ausgestattet
ist, und zwar insbesondere mit einem Standardthermoelement 198,
einer Wärmesonde 226' und einem Standardthermoelement 226,
um Schwingungen auf den getesteten PCB zu übertragen. In dem gezeigten
Beispiel wurde ein vorbestimmtes Profil für das Screenen der zyklischen Wärmebelastung
des PCB, das vorher in dem Computer gespeichert worden ist, von
einem Benutzer ausgewählt.
Die Eigenschaften des ausgewählten
Zyklusprofils wurden entsprechend gut bekannten Kriterien ausgewählt, einschließlich der
Eigenschaften des Zyklus (niedrige Temperatur, hohe Temperatur,
thermische Reaktionsrate des Produktes, Verweilzeiten und extreme
Temperaturen), Anzahl der Wärmezyklen
und Zustand des PCB (angetrieben, nicht angetrieben, gesteuert,
nicht gesteuert). Die Eigenschaften der Wärmezyklen werden in der Veröffentlichung „Environmental
Stress Screening Guidelines for Assemblies", Institue of Environmental Sciences,
März 1990,
und „Product
Reliability Division Recommended Practice 001.1, Management and
Technical Guidelines for the ESS Process", Institute of Environmental Sciences
and Technology, Januar 1999, ausführlich diskutiert. Die thermische
Rate der Änderungswerte
in °C/min
für sukzessive
Abschnitte der Kurven 232, 234, 236 in
Zeitintervallen AB (erste Erwärmungsphase),
BC (zweite Erwärmungsphase),
AC (gesamte Erwärmungsphase)
und CD (Kühlphase),
die in der 16 gezeigt sind, und die einem
ersten Wärmezyklus
entsprechen und in einem Luftstrom mit Hilfe eines Standardthermoelementes 198 und
direkt auf dem Gegenstand mit Hilfe eines Thermoelementes 230 und
einem Wärmefühler 230' gemessen wurden,
sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.
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Wie
erwartet, kann man aufgrund der Eigenschaften des Gegenstandes und
der Reaktion der Wärmefühler aus
der Prüfung
des ersten Zyklus der Kurven 232, 234 und 236 erkennen,
dass die maximalen Temperaturwerte, die in dem Luftstrom mit einem
Standardthermoelement 198 gemessen wurden, höher sind,
als die entsprechenden maximalen Temperaturwerte, die direkt auf
dem Gegenstand mit einem Standardthermoelement 226 und
dem Wärmefühler 226' gemessen wurden,
und dass die minimalen Temperaturwerte, die in dem Luftstrom mit
einem Standardthermoelement 198 gemessen wurden, niedriger
sind, als die Temperaturen, die auf dem Gegenstand mit den Messfühlern 226, 226' gemessen wurden.
