автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Разработка методического и приборного обеспечения испытаний радиоэлектронных средств на акустические воздействия

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. Ыа

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО И ПРИБОРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ. НА АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.27.07-оборудование производства электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Москва - 1999г. '/¡С/•- ----

01V а .

Работа выполнена на кафедре «Промышленная экология» в Московском государственном инспгтуге электронной техники (Техническом Университете).

Научный руководитель:

Доктор технических наук .профессор КУЗНЕЦОВ О.А. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор ОДИНОКОВ В.В. Кандидат технических наук, ОЧЕПОВСКАЯ Т.Н.

Ведущее предприятие ФГУП НПП «ОПТЭКС» ^Зеленоград:

Защита состоится «_>»_ • 2000 г. в ■_

в ауд. 3104 на заседании диссертационного совета Д 053.02.04 в Московском государственном институте электронной техники (Техническом университете). Ю3482.г.Зеленоград.МГИЭ(ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «_» ______1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор технических наук, профессор

А.И.ПОГАЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Характерной чертой современного научно-технического прогресса является широкое внедрение электроники во все отрасли современного общества. Частью электроники являются радиоэлектронные системы (РЭС),важнейшем качеством которых является надежность, определяющая их технический уровень. Надежность сложных систем, к которым относятся современные РЭС, характеризуется несколькими основными показателями, одним из которых является безотказность. Важнейшей характеристикой безотказности является отказ, возникающий при эксплуатации, а том. число отказ, вызванный механическим разрушением элементов конструкции и являющийся следствием превышения механических напряжений о материале конструкций допустимых величин.

Эти превышения зависят не только от величины механических воздействий, в частности акустических воздействий (АВ) в рассматриваемом месте конструкции ,но и от величины допустимых напряжений а ее материалах.

В настоящее время наблюдается возрастание параметров АВ из-за появления новых динамичных носителей РЭС, многообразия и сложности их конструкций, видоизменяющих параметры АВ внутри конструкций. Немаловажным фактором при этом являются большие, негативные последствия отказов РЭС а случае их выхода из строя, из-за важлости задач, решаемых современными

РЭС. Сложность решения проблемы заключается в том, что современные РЭС конструктивно представляют собой совокупность взаимосвязанных механически разнородных элементов, обеспечивающих ее механическую прочность. Подобная совокупность таких элементов обладает в каждом конкретном случае индивидуальной звукоизоляцией (ЗИ),являющейся результатом видоизменения внешнего АВ конструкцией РЭС и влияющей на интенсивность отказов от подобного воздействия при эксплуатации. Все это обуславливает актуальность задач решаемых в настоящей работе.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методического и приборного обеспечения испытаний на АВ РЭС для повышения их надежности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 .Разработать методы исследований ЗИ РЭС при стационарных и импульсных АВ;

2.Разработать испытательные стенды для практической реализации предложенных методов исследований ЗИ РЭС.

3.По результатам исследований широкого спектра отдельных конструкций РЭС разработать рекомендации по повышению надежности РЭС к АВ и разработать отдельные конструкции с улучшенными ЗИ.

Объект исследования. Конструкции РЭС, включая конструкции герметичных корпусов (ГК), испытательные стенды на АВ.

Методы исследования. В работе использованы современные экспериментальные методы исследований по созданию и замеру АВ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1.Предложен новый способ определения ЗИ ГК путем замера уровня звукового давления (УЗД) на предварительно открытом конце откачной трубки ГК, .позволяющий на 40% снизить трудоемкость и на 60% сократить время испытаний.

2.Разрабсгган новый экспресс-метод замера ЗИ ГК с помощью ударного стенда, позволяющий на 80% сократить время испытаний.

3.Получены новые данные о ЗИ ГК с использованием оребрения, оклейки тонкими полимерными пленками стенок ГК, тканых демпфероп и вакуумирования внутренней полости ГК. Установлено что конструкция ГК с ребрами жесткости повышает минимальную ЗИ, определяющую её эффективность, на 7-10 дБ., оклейка тонкими полимерными пленками увеличивает минимальную ЗИ на 2-6 дБ, размещение в основание ГК тканых демпферов позволяет повысить минимальную ЗИ на 5-7 дБ, повышение ЗИ ГК на 40-50 дБ достигается вакуумированием его внутреннего объёма.

Практическая ценность. Разработанные методы исследования и оборудование для их реализации, а также конструкции демпферов с повышенным теплоотводом, практически использовались егНИИ микроприборов при исследовательских и промышленных испытаниях блоков и устройств РЭС.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась на. кафедре «Промышленная экология " МГИЭТ(ТУ).Полученные результаты работы, использованы в АО КБ НИИ "Взлет",.НПАО

"Элас", при разработке и испытаниях радиоэлектронных блоков

»

по темам "Сфинкс" и "Серна". В научно-исследовательском институте микроприборов НПО "Элас" внедрена конструкция опытного образца радиоэлектронного блока с теплопроводящим демпфером, обеспечивающим снижение нагрузок на электрорадиоэлементы (ЭРЭ) от АВ объекта .

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Х1 Всесоюзной акустической конференции Акустического института имени академика Н. Н. Андреева в Москве в 1991 г, на научно-технической конференции МГИЭТ в 1996 г, на Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 97» в МГИЭТ в 1997 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, среди которых доклады, авторские свидетельства и статьи в научных журналах.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения,

четырех глав, выводов, списка литературы из 71 наименования и приложений. Работа общим объемом 117 стр. содержит 111 стр. основного текста, 29 рисунков, 5 таблиц, 4 приложения на 6 с. Основные положения, выносимые на защиту:

1.Повышению достоверности и информативности испытаний ГК на АВ способствует замер ЗИ ГК через откачную .трубку с помощью ударного стенда и многократной записью результатов измерений самописцем на одном и том же участке носителя информации.

2.3И ГК может бьггь повышена путем оребрения наиболее тонхих стенок ГК, оклейки стенок тонкими полимерными пленками, рационального размещения в основании ГК тканых демпферов, а также вакуумирования внутренней полости ГК.

. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные научные и практические результаты работы .выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено влияние АВ на надежность РЭС. Современные РЭС широко применяются в различных областях жизнедеятельности человека, особый интерес с точки зрения сохранения стойкости к внешним воздействующим факторам и повышенных показателях надежности представляют РЭС, работающие при воздействии иктенсивных(более 140 дБ) АВ, причиной которых являются самолетные и ракетные двигатели, а

также аэродинамический напор воздуха. Важными параметрами АВ являются уровень звукового давления (УЗД),диапазон действующих частот, время действия и коэффициент направленности Кн. При существующих наземных испытаниях РЭС имитируют действующее АВ в акустических камерах. с источниками АВ. Распространение АВ в замкнутых объемах с размещенными внутри ЭРИ достаточно сложно, что усложняет изучение механизма влияния АВ на отдельные детали и узлы РЭС. Анализ действующих на РЭС АВ показывает; что величина УЗД составляет в среднем 140-170 дБ, достигая 190,дБ, в диапазоне частот 50-20000 Гц при времени действия от 10**-2до10**8 с. Исходя из того, что надежность характеризует поведение РЭС во времени и включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, то АВ в основном влияют на безотказность, в частности , на количество конструкционных отказов, особенно отказов микроминиатюрных узлов РЭС проводников микромонтажа, кристаллов интегральных схем и т.п. изделий. Из технических условий на различные ЭРЭ известны предельно допустимые значения УЗД и диапазоны частот АВ, выше которых эксплуатировать их не допускается. Например, диод 2Д212А-6,транзистор 2Т364Б-2,дроссели ДМ допускается применять при АВ до 130-140 дБ, что делает необоснованном их применение при вышеуказанных АВ на РЭС без изучения ЗИ РЭС. Существующие методы испытаний РЭС на АВ не позволяют исследовать величину ЗИ, а только прооеряют работоспособность РЭС при АВ. Известные из других

областей техники методы борьбы с шумом показывают целесообразность снижения АВ в месте расположения наиболее чувствительного к АВ ЭРЭ с помощью обволакивающих шумоизолирующих покрытий, увеличения расстояния до источника АВ, шумологлощающей обработкой ограждающих ЭРЭ панелей. Однако наиболее кардинальным методом защиты РЭС от АВ является использование ГК, обладающих наибольшей ЗИ из всех конструкций РЭС. Известные расчеты ЗИ ГК не дают удовлетворительных результатов из-за неучета резонансных явлений стенок ГК и интерференции звуковых колебаний внутри ГКВ рамках данной работы разработан алгоритм расчета ЗИ ГК, учитывающий резонансные явления стенок ГК, с реализацией его на персональном компьютере. Исходной формулой при определении ЗИ стенки ГК ,как плоской пластины .является:

где цилиндрическая жесткость К и характеристический импеданс 2 определяются по формулам:

= Ю1в

А2}

к

Е • Я 3

2 с = г : с

где у - плотность материала пластины. кг/м*м*м ; Н - толщина материала пластины, м; Е - модуль упругости материала Я

пластины, —г- ; и коэффициент Пуассона материала

м

пластины, с - скорость звука в материале пластины, м/с. Реэонансы стенок учитывались с помощью ..амплитуд их колебаний при резонансной частоте, определяемых по известным зависимостям теории колебаний.. Расчеты, проведенные по этому алгоритму показали удовлетворительные результаты для однотипных ГК, выполненных из одинаковых материалов с известными коэффициентами динамичности стенок при резонансе. При расчетах ЗИ принципиально новых ГК .выполненных из новых материалов с неизвестными коэффициентами динамичности, возрастает величина получаемой ошибки в определении наименьшей величины ЗИ при резонансе. Исходя из этого актуальным становится экспериментальное определение ЗИ ГК с разработкой методического и приборного обеспечения.

Во второй главе рассмотрено существующее оборудование для испытаний РЭС на АВ, показана его малая информативность с точки зрения определения ЗИ РЭС, а особенно ЗИ ГК, обладающих наибольшими величинами ЗИ в общей ЗИ РЭС. Был разработан метод замера ЗИ ГК с помощью двух

микрофонов, один из которых расположен вне ГК и замеряет внешнее АВ, а второй- размещен в заранее выполненном отверстии стенки ГК и замеряет УЗД внутри ГК, при этом разница в показаниях, полученная с этих микрофонов, во всем диапазоне действующих частот и дает величину ЗИ. При испытаниях использовалась метрологически аттестованная прецизионная шумоизмерительная аппаратура немецкой фирмы ЯП". Анализ полученных ЗИ типовых ГК показывает:

-ЗИ ГК определяется в основном погонной массой стенок, т.е. массой материала стенки, приходящей на единицу площади стенки;

-минимальная ЗИ наблюдается на резонансных частотах стенок ГК, особенно наиболее тонких стенок.

Для ГК с плотной упаковкой внугрираслоложенных элементов, но позволяющей разместить микрофон внутри ГК, был разработан метод замеров ЗИ с размещением второго микрофона на предварительно открытом конце откачной трубке ГК с учетом потерь звуковых колебаний по длине откачной трубки при вычислении ЗИ. Этот метод обладает меньшей трудоемкостью за счет исключения работ по выполнению отверстия в ГК и герметизации в нем микрофона. Для исключения ручного учета потерь звуковых колебаний в откачных трубках был разработан метод замера ЗИ ГК с введением в измерительную цепь метрологически аттестованного полосового усилителя, компенсирующего потери, звуковых колебаний в

откачной трубке. Для увеличения степени автоматизации и архивации получаемых результатов разработан метод замеров ЗИ ГК, основанный на предыдущем методе и модернизированный-^ части введения оригинального самописца, обеспечивающего запись получаемых диаграмм(до 5-7 шт.)н& один и тот же участок диаграммной ленты. Отличительной особенностью такого самописца является дополнительное устройство изменения вида записываемого сигнала в виде сплошной, пунктирной, штрих-пунктирной и т.д. линий. В разработанных методах замеров ЗИ применялись источники АВ в диапазоне частот, что требовало при замерах ЗИ большой трудоемкости со снятием показаний на множестве частот диапазона. Для исключения этого недостатка был разработан экспресс-метод, основанный на создании АВ в виде кратковременного импульса от механического удара, получаемого с помощью разработанных автором ударных стендов, а сигналы от двух микрофонов замерялись двумя анализаторами реального времени с автоматическим замером УЗД по частотам. При этом время самих испытаний составило несколько секунд. Показана возможность объединения всего разработанного испытательного и измерительного оборудования в единый комплекс по замеру ЗИ РЭС с применением современных ПК.

В третей главе изложены и систематизированы результаты исследований типовых конструкций' РЭС с помощью разработанных методов замеров ЗИ. Получено что ЗИ типовых

конструкций РЭС, выполненных в виде отдельно расположенных блоков, на участке'от периферии РЭС до внешней поверхности блоков составляет 3-7 дБ и определяется в основном затухающими явлениями в зазорах между блоками. ЗИ. При этом обнаружено, что чем меньше величина зазора, больше заполненность зазора межблочными кабельными изделиями и больше длина зазора по ходу распространения АВ, чем больше затухание АВ в зазорах, а следовательно, больше ЗИ этого участка конструкции РЭС. Определенную роль играет направленность АВ с созданием "акустических теней" у блока. Основную роль в общей ЗИ РЭС играет ЗИ ГК, типовой график которой для ГК с размерами 37x70x21 мм при толщине стенок корпуса 3 мм., выполненного из алюминиевого сплава Д1б, приведен на рис.1

3№

10'

А

100

1000

тг

Наименьшая величина ЗИ .составляющая в точке А 10 дБ, соответствует замеренной вибродатчиком резонансной частоте тонкостенной крышки. Остальные провалы на этом графике, в точках В и С , объясняются резонансами стенок ГК и его дна. Таким образом основную роль в формировании характера изменения ЗИ играют резонансные явления тонких и протяженных стенок ГК..

Исходя из этого для систематизации полученных значений ЗИ типовых ГК предложена нижеприведенная форма таблицы 1. Значения ЗИ приведены в зависимости от габаритов герметизирующей крышки, как самого тонкостенного элемента ГК, а именно, от ширины крышки, в значительной степени определяющей низшую частоту собственных колебаний крышки.

Таблица 1

№ Габариты, мм Величина ЗИ. дБ Диапазон частот, Гц

Крышки Корпуса Миним. ЗИ Максим. ЗИ

1 25x80x2 25x80x20 7 68

5500-5700 9 41004500

1200-1300

2 35x45x2 7 70

35x45x15 4800-5100 10 43005000

980-1000

Собственная частота • колебаний стенок при исследованиях проверялась по формуле:

" где геометрический параметр К определялся по формуле:

где А и В длина и ширина соответствующей стенки ГК. Результаты замеров и расчетов отличались не более, чем на

Проведенные исследования показали также возможность увеличения ЗИ ГК на 7-10 дБ. за счет его ориентации толстыми стенками в направлении действия максимального АВ при его неравномерности вокруг ГК. При исследованиях обнаружено увеличение общей ЗИ ГК на 2-5 дБ за счет рассеивания и поглощения звуковых волн внутри ГК хаотично направленными поверхностями ЭРЭ и коммутационных проводников Обнаружено также, что ГК с избыточным давлением 0.3 ати., необходимым для защиты ЭРЭ от внешней среды, обладают на 2-3 дБ. большей ЗИ. Учет при проектировании вышеизложенных факторов позволяет сравнительно просто увеличить ЗИ РЭС на 10-12 дБ. Большее увеличение ЗИ возможно лишь при

20%.

целенаправленном проектировании РЭС с учетом полученных в данной работе выводов и рекомендаций.

В четвертой главе изложена разработка методов и средств защиты РЭС ох АВ. Кардинальным способом повышения ЗИ на 10-12 дБ является уменьшение резонансных явлений стенок ГК путем оребрения стенок и увеличения их резонансной частоты колебаний по вышеприведенной формуле. Сравнительные испытания оребренного и обычного ГК подтвердили этот вывод. Использовалось для повышения ЗИ ГК и внешняя оклейка его тонким полимерными и резиновыми пленками с предварительным их выбором по величине ЗИ. Результаты сравнительных испытаний показали увеличение ЗИ ГК на 2-5 дБ. Значительное увеличение ЗИ на 40-50 дБ. дает вакуумирование внутреннего объёма ГК на время действия АВ за счет исключения проводящей звуковые колебания газовой среды. При такой конструкции ГК основным путем распространения АВ являются элементы конструкций корпуса. Для увеличения ЗИ были разработаны оригинальные конструкции тканых демпферов на основе капроновой ткани, разрешенной к применению в РЭС подобного класса. Основу демпферов составляют валики из ткани, размещенные внутри двух прошитых слоев ткани. Испытания показали достаточно высокие демпфирующие свойства такой конструкции. Для улучшения теплопроводных свойств этого демпфера была применена пропитка валиков теплопроводной мастикой КПТ-8,ГОСТ 19783-84, с высоким коэффициентом теплопроводности 0.8-1.0 ет/град. Наряду с

улучшением теплопроводных свойств такого демпфера улучшились и виброгасящие свойства за счет появления вязкого трения мастики между слоями ткани Амплитудно-частотная характеристика при этом обладает низким коэффициентом динамичности равным 3 ед. на частотах выше 290 Гц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.0пределена необходимость исследований ЗИ • составных частей РЭС, в особенности ГК, обладающих наибольшей ЗИ.

2.Предложены и опробованы высокоинформативные методики' исследований ЗИ ГК по методу 2-х микрофонов при размещении второго микрофона в отверстии ГК или на откачной трубке ГК с исключением потерь в ней электронным частотным компенсатором.

3.Предложена и опробована автоматизированная методика замера ЗИ ГК на основе модернизированного самописца уровня путем введения в его конструкцию блока дискретизации с переключателем режима, устройства определения экстремума регистрируемого сигнала, устройства сравнения, ключевой схемы для управления механизмом подвода пищущего у'зла и блоком задания уровня.

4.Предложен и опробован экспресс-метод замеров ЗИ ГК на основе разработанных ударных стендов, снабженных упругими направляющими для повышения наполненности импульсного АВ

всеми составляющими частотного спектра или тормозными устройствами платформы для предотвращения повторных ударов, искажающих параметры замеряемой ЗИ.

5.Получены и систематизированы экспериментальные данные параметров ЗИ реальных конструкций РЭС, показано, что общую ЗИ РЭС в основном определяет ЗИ ГК.

6.Показано, что минимальные параметры ЗИ ГК определяются резонансными явлениями его наиболее тонких стенок.

7.Раэработаны рекомендации, направленные на повышение ЗИ РЭС, учитывающие, что внутри расположенные в ГК ячейки с ЭРЭ повышают ЗИ ГК на 2 - 5 дБ за счет поглощения и рассеяния энергии звуковых волн разнонаправленными поверхностями ЭРЭ, избыточное давление 0,3 ати, создаваемое в ГК для защиты ЭРЭ от внешней атмосферы, понижает ЗИ ГК на 2,5-3 дБ.

в.Разрабсгганы и проверены предложенными методами конструкции ГК с повышенной величиной ЗИ на основе оребрения крышек, оклейки ГК тонкими полимерными пленками, теплопроводящих тканых демпферов и вакуумирования внутреннего объема ГК.

Применение результатов, полученных при выполнении работы, позволило повысить, информативность акустических испытаний РЭС, замерить и систематизировать параметры ЗИ реальных РЭС и их составных частей; выработать ряд практических рекомендаций по повышению ЗИ РЭС для

увеличения ее надежности и разработать высоконадежные конструкции РЭС, устойчивые к AB.

Полученные результаты работы, использованы в АО КБ НИИ "Взлет", НПАО "Элас" при разработке и испытаниях радиоэлектронных блоков по темам "Сфинкс" и "Серна" В научно-исследовательском институте микроприборов НПО "Элас" внедрена конструкция опытного образца радиоэлектронного блока с теплопроводящим демпфером, обеспечивающим снижение нагрузок на ЭРЭ от акустических воздействий объекта.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1.Патент РФ Na 2001379 МКИ G01H15/00. Способ измерения звукоизоляции герметичных радиоэлектронных блоков, 4949063/28 / Короленко Е.В.

2.A.C. 1760329 (СССР). МКИ G01D9/00. Самописец уровня для регистрации аналоговых сигналов. 4877867/10 / Кузнецов O.A., Погалов А.И., Денисевич Ю.В., Фомин В.Н., Довгай Л.А., Короленко Е.В. Опубл. в БИ, 1992, № 33

3.А.С. 1831508 (СССР) МКИ G01M7/00. Стенд для ударных испытаний изделий / Короленко Е.В., Кузнецов O.A. Опубл. в БИ, 1993, Na 8

4.A.C. 1938521 (СССР) МКИ G01M7/00. Стенд для ударных испытаний изделий / Короленко Е.В., Кузнецов O.A., Фомин В.Н. Опубл. в БИ, 1993, №18

5.A.C. 1651401 (СССР) МКИ Н05К7/20. Радиоэлектронный блок /Фомина Е.В., Шаранок В.И., Фомин В.Н. Опубл. в БИ, 1991, Na 19

6.Короленко Е.В., Довгай Л.А., Фомин В.Н. Звукоизоляция герметичных блоков с радиоэлектронной аппаратурой // Сборник докладов Х1 Всесоюзной акустической конференции. М., 1991. 89

7.Короленко Е.В., Бутузов B.C., Фомин В.Н. Подавление шума от медицинского компрессора // Сборник докладов X! Всесоюзной акустической конференции. М., 1991. 23 с.

б.Короленко Е.В. Звукоизоляция герметичных блоков с микроэлектронной аппаратурой II Сборник тезисов докладов. М.: МИЭТ, 1996.18 с.

Э.Короленко Е.В. Защита радиоэлектронных систем от интенсивных акустических воздействий // Тезисы докладов Межвузовской научно-технической конференции

"Микроэлектроника и информагтика-97".М.,МГИЭТ,1997 г. Ю.Короленко Е.В. Повышение звукоизоляции герметичных блоков путем вакуумирования //Статья в журнале "Известия вузов",1997.15 с.

Подписано в печать 15.11.99 Заказ Na 246. Тираж 65 экз: Объем 0.8 уч.изд.л Отпечатано в типографии МИЭТ