液晶顯示模塊振動分析與減振加固方案

單正葉 ， 陳永梅 ， 陳 春

（1．特種顯示國家工程實(shí)驗(yàn)室 安徽 蕪湖 241000；2．安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 蕪湖 241000；3．安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

近年來，隨著液晶顯示技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示器以其信息容量大、顯色性好、輕便、薄形、低功耗等優(yōu)勢，已取代了傳統(tǒng)的CRT顯示器，成為主流顯示器件，不僅在民用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在軍工領(lǐng)域內(nèi)也得到逐步的普及，但液晶顯示器仍存在工作溫度范圍小、耐振動差等固有弱點(diǎn)。

在一些領(lǐng)域，由于必須適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，如飛機(jī)、坦克上的振動、沖擊，軍艦上的炮振、高空的強(qiáng)陽光、海面上的鹽霧、潮濕等等。為了使液晶顯示器能夠適應(yīng)海、陸、空等各種作戰(zhàn)平臺的環(huán)境，需要對其進(jìn)行性能加固，主要是將商用液晶顯示屏經(jīng)環(huán)境、性能等方面的改善，使之能滿足惡劣應(yīng)用環(huán)境的要求，其中的關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)械性能加固、減振等。對于大尺寸的液晶屏，現(xiàn)有的簡單加固減振技術(shù)難以滿足要求，因此，需要進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)，在進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，針對不同尺寸的液晶屏通過研究選用不同的加固結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)液晶屏的性能。

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

1 理論模型

1.1 模型描述

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

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

圖2 建構(gòu)的盒式結(jié)構(gòu)模型Fig．2 A box-type built-up structure

1.2 理論公式

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

其中下標(biāo)i表示板材的序列號。A和B分別是耦合板邊緣的寬度和長度。

假設(shè)薄板理論模型的總勢能和動能分別標(biāo)記為和，可以簡潔地寫成

2 結(jié)果分析

2.1 共振峰

當(dāng)出現(xiàn)共振峰時(shí)，液晶模塊極易損壞，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減少共振峰的影響。在理論計(jì)算式中，首先需要確定具體的共振峰位置。

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

取模型中的4個(gè)點(diǎn)，計(jì)算它們的橫向速度與振動頻率之間的關(guān)系，各點(diǎn)的坐標(biāo)分別是（0．38 m，0．3 m，0 m），（0．38 m，0．3 m，0．52 m），（0 m，0．3m，0．26m），（0．76 m，0．3m， 0．26 m）。如圖3所示。其中曲線1代表傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果，曲線2是運(yùn)用本文方法得到的速度響應(yīng)曲線。在0～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)，可以看到在某些頻率點(diǎn)上出現(xiàn)共振峰，兩種方法得到的結(jié)果是完全一致地，4個(gè)點(diǎn)的共振峰的位置也是一致的。證明了文中的方法是可靠的。實(shí)際在工程應(yīng)用中需要對液晶屏結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改以減小共振峰的影響。

進(jìn)一步的理論計(jì)算可以得出3種現(xiàn)象：1）每一組相對的平板，比如平板1和3，平板2和4，都是振蕩對稱或反對稱的；2）4塊平板沿著Y軸的波腹點(diǎn)數(shù)隨著Y軸方向的耦合條件而同時(shí)改變；3）耦合系統(tǒng)的自然頻率會因?yàn)樗x擇的獨(dú)立模型的數(shù)值和在耦合中的主導(dǎo)板而改變。

2.2 功率流和能量分布

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

經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真分析，功率流通過耦合邊1和2流向液晶模塊左右側(cè)板（plate2和plate4），再流向液晶面板3?？梢钥闯鲈诜枪舱穹迳?，功率流衰減的非常快。為了找到液晶顯示模塊上最易損壞的點(diǎn)，需要對面板3、背板1、側(cè)板2和4上各點(diǎn)的振動能量進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，仍然假定在背板1中心采用周期性外力激發(fā)，考慮到低頻共振影響大，選取幾個(gè)較低的頻率進(jìn)行仿真計(jì)算，圖4反映了各點(diǎn)的能量密度和能量傳輸?shù)姆较蛐裕?在圖 4 中，（a），（b），（c），（d） 各圖分別對應(yīng) 29.82 Hz，74.06 Hz，179.84 Hz和246.12 Hz幾個(gè)共振頻率。每塊平板的能量流模式在整個(gè)系統(tǒng)的能量強(qiáng)度矢量圖之后表示。

圖3 4個(gè)點(diǎn)的共振峰Fig.3 Resonance peaks of four points

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

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

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

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

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

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

3 減振加固方案

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

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

4 結(jié)束語

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

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