Fast and Reliable Acoustic Defect Detection?at End-of-Line

Stefan Irrgang, Wolfgang Klippel
KLIPPEL GmbH, Mendelssohnallee 30, 01277 Dresden, Germany

1??引言

產(chǎn)線終端（EoL）測試的主要目標(biāo)是可靠地將故障與無故障被測設(shè)備（DUT）分開，并最大程度地減少誤判（false positive或者false negative）。但是，某些缺陷只會產(chǎn)生輕微的癥狀，在EoL測試期間可能聽不見或不嚴(yán)重，但在最終應(yīng)用的生命周期中可能變得無法接受，此類產(chǎn)品不應(yīng)寄付給客戶。針對如頻響或揚聲器參數(shù)（T/S、剛性不對稱和音圈靜止位置）的特定特性進(jìn)行包括聲學(xué)、電氣以及機械檢查在內(nèi)的全面測試是很有必要的，這在[4][5][9]中進(jìn)行了詳細(xì)的討論。本文重點介紹測試不規(guī)則缺陷（也稱為“異常音Rub&Buzz”）[10], 在大多數(shù)情況下只能通過聲學(xué)測量來檢測，因為與測試基波或諧波不同，檢測這些缺陷是減少測試時間的最大限制因素。本文研究了限制生產(chǎn)環(huán)境中靈敏度和自動測試速度的物理約束條件，并尋求可以以最小代價輕松實現(xiàn)的最佳解決方案[1]。

2?EoL測試的特殊性

產(chǎn)品開發(fā)過程中進(jìn)行的典型測量通常不受時間限制，且僅適用于選定的樣品。通過平均監(jiān)測信號（噪聲抑制）并在消聲和氣候受控環(huán)境中使用IEC障板，可以實現(xiàn)高信噪比（SNR）。而生產(chǎn)環(huán)境中的限制必須克服，才能使所有DUT的測試（100％測試）可行：

·????????測試時間短

·????????DUT的特性可能會隨時間而變化（膠水未完全干燥、干燥過程中溫度升高、磨合效應(yīng)等）

·????????測量麥克風(fēng)處于近場

·????????測試箱提供環(huán)境噪聲屏蔽

·????????EoL測試臺處的測試條件不同

必須努力抑制以下不確定的條件和影響，因為會限制結(jié)果的可再現(xiàn)性，例如

·????????DUT和傳感器的夾持和位置

·????????人工操作

·????????聲負(fù)載變化（箱體泄漏）

·????????連接問題

·????????外部聲學(xué)或機械干擾導(dǎo)致的判定不準(zhǔn)

·????????顯著的溫濕度變化

測試結(jié)果的再現(xiàn)性和可重復(fù)性應(yīng)得到驗證。對于EoL測試，這比標(biāo)準(zhǔn)R＆D測量的可比性更為重要。捕獲并分析來自DUT的響應(yīng)，并提取用于PASS/FAIL分類的特征。

3??最佳激勵

激勵對于快速EoL測試至關(guān)重要。Chirp信號是制造中聲學(xué)測試最流行的激勵。

3.1??穩(wěn)態(tài)測量

測量DUT行為的最準(zhǔn)確方法是穩(wěn)態(tài)測量。當(dāng)所有狀態(tài)變量（如聲壓、位移、電流）的振幅穩(wěn)定下來并且恒定時，開始采集。建立時間取決于基波和其他高次模態(tài)共振（紙盆分裂模式）的共振頻率和品質(zhì)因數(shù)。例如，對于品質(zhì)因數(shù)Q0?=1和共振頻率f0?= 50Hz工作于密閉箱的超低音單元，必須激勵40ms才能達(dá)到0.2％的幅度精度。而對于開口箱而言，較高的品質(zhì)因數(shù)Qp?=10和50Hz的端口共振則需要將預(yù)激勵時間增加到400ms。另外，如果允許所測振幅的誤差為4％，將使預(yù)激勵時間縮短一半，這種交換在EoL測試中是可以接受且無關(guān)緊要的。

3.2??步進(jìn)正弦激勵

步進(jìn)正弦激勵包含多個步階，每個步階都包含固定對數(shù)間隔頻率下的完整振蕩。了解了DUT的規(guī)則和不規(guī)則模態(tài)諧振中發(fā)現(xiàn)的最大品質(zhì)因數(shù)后，可以計算出每個步階的最佳頻率間隔和周期數(shù)，以確保每個關(guān)鍵諧振都能被很好地激勵。實踐中最小周期數(shù)在2到5之間。

一個倍頻程中最少激勵頻率數(shù)量是步進(jìn)正弦激勵激發(fā)諧振的最關(guān)鍵要求。如果太低，則可能會漏過換能器的缺陷。下一節(jié)中將通過實例進(jìn)行說明。

3.3??對數(shù)chirp信號

連續(xù)正弦線性調(diào)頻（chirp）定義為基于正弦的信號，其頻率以恒定的掃描速度連續(xù)變化。chirp的優(yōu)點將用一個低音揚聲器來說明，它在200Hz附近有兩個搖擺模式（高品質(zhì)因數(shù)Q≈25），由于音圈摩擦，產(chǎn)生了脈沖失真。

圖1顯示了測量結(jié)果，其中步進(jìn)正弦和chirp激勵的時長相同，均為200ms。chirp信號激發(fā)所有頻率，并以高分辨率的脈沖失真ID提供音圈擦圈的癥狀[2][3]。而該速度下的步進(jìn)正弦激勵的頻率間隔無法充分激發(fā)搖擺模式。實際上，此低音揚聲器的最佳頻率間隔和周期數(shù)需要4.4s（20 Hz – 20 kHz）的激勵時長。此外，激勵音調(diào)的數(shù)量少也嚴(yán)重限制了頻率響應(yīng)的分辨率。

雖然chirp對于快速EoL測試更有效，但是如果太快，缺陷仍然可能被漏檢。掃描速度與諧振幅度響應(yīng)之間的關(guān)系如圖2所示。900Hz處松動部件在耳機中產(chǎn)生高品質(zhì)因數(shù)（Q > 20）的寄生振動，通過時長2s（100Hz至20kHz）的chirp信號，可以激發(fā)諧振的臨界振動并將其檢測為脈沖失真；加倍掃描速度至1s會降低癥狀大約4dB；而0.5s的時長，癥狀被測量噪聲所掩蓋。將關(guān)鍵諧振頻帶中的激勵幅度增加3dB（應(yīng)用頻率相關(guān)的幅度整形）可以部分補償因掃描速度加倍而導(dǎo)致的能量減少。

3.3.1??可變掃描速度

圖3在相同的總測量時間內(nèi)將恒定掃描速度的chirp信號（虛線）與步進(jìn)正弦波（階梯線）進(jìn)行了比較。低頻時頻映射中chirp信號的斜率大于步進(jìn)正弦的斜率，但在較高頻時較小。最佳掃描速度受低頻處的最大品質(zhì)因數(shù)限制，高頻處則不需要這種慢速掃描，反而會不必要地增加測量時間。

為了快速測試電聲設(shè)備，理想的激勵是結(jié)合chirp信號固有的密集激勵以及圖3所示的步進(jìn)正弦的時頻映射。這樣，掃描速度不是恒定的，而是隨頻率而增加，這是在物理限制條件下進(jìn)行超快速測試的基礎(chǔ)。如果掃描速度不斷變化，chirp信號將是最快的。實際上只需要兩個速度不同但恒定的部分就可以足夠近似，如圖3中的粗實線所示，該技術(shù)已在Klippel QC系統(tǒng)中實現(xiàn)[8]。對于全頻段chirp信號（20Hz – 20kHz），1kHz以上使用高于低頻5倍的掃描速度，可以將測試時間降低至傳統(tǒng)chirp信號的53％。

3.3.2??掃描方向

正弦波掃描的方向在快速EoL測試中至關(guān)重要，因為模態(tài)共振的振鈴會在諧波失真測量中產(chǎn)生偽值。如圖4顯示，在200ms掃描時間之內(nèi)，向下掃描在500Hz處產(chǎn)生的失真要比向上掃描大12dB。由于二階分量，1kHz的模態(tài)共振與向下掃描中500Hz的THD最大值相對應(yīng)。向下掃描時，DUT、箱體或房間中的模態(tài)諧振被激發(fā)，高品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生的振鈴將被解讀為諧波和高階失真。所以向上掃描產(chǎn)生正確的THD值，與較慢的穩(wěn)態(tài)和chirp測量結(jié)果相匹配，是在激勵引起較高頻率模態(tài)諧振之前產(chǎn)生的諧波分量。

向上掃描的另一個好處是，初始低頻有助于制造后首次使用的換能單元進(jìn)行磨合。在首次測量之前，可以使用額外的低頻高位移信號，不僅可以磨合換能單元，還可以穩(wěn)定低啟動頻率響應(yīng)。

4? 生產(chǎn)噪聲

研發(fā)測試在明確的條件下進(jìn)行，沒有明顯的外部干擾；但在生產(chǎn)環(huán)境中并非如此。聲學(xué)和結(jié)構(gòu)傳播的干擾是無法預(yù)測的，并且與檢測到的缺陷癥狀的幅度相同。有多種應(yīng)對生產(chǎn)噪聲的策略。

典型的被動解決方案包括使用阻尼良好的測試箱，可將干擾衰減至40dB。盡管這足以滿足幅度頻率響應(yīng)的要求，而且通常也適用于THD，但不足以應(yīng)對脈沖失真。

圖5顯示了使用制作良好的測試箱（其提供近35dB的衰減），其外部的脈沖環(huán)境噪聲（例如部件脫落）導(dǎo)致了測量損壞。但是，此干擾在測試麥克風(fēng)處產(chǎn)生的脈沖失真（ID）已超出允許限制15dB，會導(dǎo)致錯誤的失敗判定。

因此，除了絕緣之外，還需要其他步驟。簡單的方法（例如自動重復(fù)失敗的測試）不能可靠地確定根本原因（缺陷或生產(chǎn)噪聲），重復(fù)測量也可能會受到干擾，因此無法可靠地防止錯誤判決。如圖5所示，與測試麥克風(fēng)并聯(lián)使用其他機械或聲學(xué)傳感器，監(jiān)測環(huán)境噪聲來識別損壞的數(shù)據(jù)，由于環(huán)境噪聲通常是隨機的，因此可以將幾個只有部分損壞的重復(fù)測試的有效部分合并在一起來形成一個完整未損壞的數(shù)據(jù)集，從而最大程度地減少重復(fù)的次數(shù)。更多詳細(xì)信息和可用產(chǎn)品可參考[5][7]。

5? EoL測試時序

EoL測試的總測試周期包括：

1.??放置DUT到測試臺上

2.??固定DUT并進(jìn)行連接

3.??激勵DUT和信號采集

4.??釋放DUT

5.??將DUT移出測試臺，繼續(xù)執(zhí)行步驟1

在此討論中忽略了初始設(shè)置和產(chǎn)品轉(zhuǎn)換，因為相對于大批量生產(chǎn)的總測試時間通?？梢院雎圆挥?。第三點中的實際測量定義為由測試觸發(fā)（條形碼掃描、硬件或軟件開關(guān)）開始，直到最后捕獲信號樣本。最終判定結(jié)果可能會稍后提供，但只要不延遲下一次測試的開始，就沒有影響。

測量任務(wù)或步驟的順序也會影響總測量時間。有用的方法是將有大量處理負(fù)載的任務(wù)放在前面，并使用下一個任務(wù)的采集時間來完成上一個任務(wù)的計算。使用chirp信號時，甚至可以在采集完成之前開始一些處理。

現(xiàn)代測試系統(tǒng)可以并行捕獲聲壓、電壓、電流和位移，因此檢查某些電氣或機械性能不會增加測量時間。

6? 結(jié)論

激勵特性限制了測量速度和檢測缺陷單元的靈敏度[6]。為了最小化PASS/FAIL判決的誤差，需要根據(jù)DUT的瞬態(tài)行為通過頻率相關(guān)的速度和幅度整形來調(diào)整激勵。在較高頻率處掃描速度增加的chirp信號是加快EoL測試的最佳激勵，節(jié)省的時間為制造提供了有趣的機會。

重復(fù)部分或完整的測量是應(yīng)對高可能性隨機環(huán)境噪聲的最佳方法，該隨機環(huán)境噪聲無法通過被動手段完全衰減。可選的第二次測量也可以用于驗證第一次測量中出現(xiàn)的不穩(wěn)定缺陷，如松散顆粒引起的可疑癥狀（如剛好低于極限閾值）。這樣可以大大減少現(xiàn)場廢品量。節(jié)省的時間也可以用于非線性參數(shù)[4][9]或其他指標(biāo)[10]的附加測試步驟中，這有助于進(jìn)行更深入的診斷。

機器學(xué)習(xí)和缺陷分類可以揭示故障單元的根本原因，并自動將其分配給已知的缺陷類別[5]。測量DUT的獨立參數(shù)越多，該過程就越有效。如果有故障的單元不能歸類到現(xiàn)有的缺陷類別中，操作員需要在產(chǎn)線附近的診斷站進(jìn)行進(jìn)一步的測試、聆聽其聲音輸出并進(jìn)行拆解以找到根本原因的可視線索，以對其進(jìn)行調(diào)查。

因此，快速EoL測量系統(tǒng)與機器學(xué)習(xí)、自動分類以及在診斷站進(jìn)行進(jìn)一步測試的順利結(jié)合會在制造和工程中產(chǎn)生一個學(xué)習(xí)過程。這有助于最大程度地提高良率，提高產(chǎn)品可靠性，并設(shè)計出具有更高效益成本比且易于制造的未來產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] S. Irrgang, W. Klippel, “Fast andSensitive End-of-Line Testing,” presented at the 144th Convention of the AudioEng. Soc. 2018, preprint 9927

[2]?IEC 60268-21 Sound System Equipment – PartAcoustical (Output Based) Measurements, IEC: 2017

[3] W. Klippel, “Measurement of ImpulsiveDistortion, Rub and Buzz and other Disturbances, “presented at the 114thconvention of the Audio Eng. Soc. (march 1 2003), preprint 5734.

[4] W. Klippel, J.Schlechter, “Fast Measurement of Motor Suspension Nonlinearities in LoudspeakerManufacturing,” Journal of Audio Eng. Soc., Vol. 58, No. 3, pp. 115-125, 2009March

[5] W. Klippel(2011). End-Of-Line Testing, Assembly Line - Theory and Practice, Prof.Waldemar Grzechca (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/21037. Available from:?https://www.intechopen.com/books/assembly-line-theory-and-practice/end-of-line-testing

[6] AN45, Optimal QC setup for fixedmeasurement time, Klippel application note,?www.klippel.de

[7] Production Noise Immunity Option forKlippel QC System, Available from: http://www.klippel.de/nc/en/products/qc-system/modules/pni-production-noise-immunity.html

[8] Klippel QC System, Available from???http://www.klippel.de/products/qc-system.html

[9] Motor and Suspension Check Option forKlippel QC System, Available from:? http://www.klippel.de/products/qc-system/modules/msc-motor-suspension-check.html

[10] W. Klippel, R. Werner: LoudspeakerDistortion – Measurement and Perception Part 2: Irregular distortion caused bydefects, Available from?http://www.klippel.de/know-how/literature/papers.html