陳才明，凌慧
(寧波新容電器科技有限公司，浙江 寧波315202)
摘 要：金屬化薄膜電容器的噪聲是薄膜在交流電場(chǎng)下振動(dòng)引起，如何消除至今在電容器行業(yè)中仍是一個(gè)技術(shù)難題。通過(guò)對有噪聲產(chǎn)品解剖觀(guān)測和對噪聲現象特點(diǎn)的分析研究，提出了揭示噪聲產(chǎn)生原因和噪聲與溫度關(guān)系的“氣泡噪聲”機理，認為熱定型工序的高溫生成薄膜層間的氣泡是產(chǎn)生噪聲的根本原因。材料篩選、工藝改進(jìn)能改善噪聲強度和發(fā)生概率，但只要熱定型工序存在要杜絕噪聲的產(chǎn)生就是十分困難的。
關(guān)鍵詞：金屬化薄膜電容器；噪聲；氣泡；熱定型
0 引言
金屬化薄獏電容器在交流電壓下會(huì )產(chǎn)生噪聲或稱(chēng)為交流聲，當電容器使用在有靜聲要求場(chǎng)合時(shí)該噪聲將成為致命的缺陷：有研究認為，由于在電容器介質(zhì)薄膜層間存在間隙薄鏌在電磁力的作用下發(fā)生周期性形變，導致薄膜共振，從而引起了交流聲。也曾見(jiàn)過(guò)日立、松下公司薄膜電容器說(shuō)明書(shū)中告知：電容器在施加高頻電壓時(shí)會(huì )發(fā)出一種聲音（交流聲），這是由于二電極間電荷力的作用，使薄膜發(fā)生機械振動(dòng)而產(chǎn)生的聲音，對電性能沒(méi)有影響，請在實(shí)際使用時(shí)確認電容器噪聲是薄膜在電場(chǎng)力作用下振動(dòng)產(chǎn)生的機理已得到公認，對如何消除、改善噪聲的發(fā)生早有不少研究報道，如文獻介紹選用合適薄膜材料、控制卷繞壓力，在真空下熱處理、緩慢冷卻，可使電容器交流聲控制在允許
范圍30dB以下;文獻認為合適的卷繞張力、熱壓工藝能使電容器的交流聲控制在3%以下；文獻研究結論是在60℃以下熱處理均不會(huì )出現交流聲，70℃以上熱處理無(wú)論大氣還是真空條件下均會(huì )出現交流聲，認為消除交流聲的主要技術(shù)措施進(jìn)行低溫(浸漬)處理；文獻認為低溫熱定型是解決交流聲的方法但會(huì )影響電容器的壽命。研究的共性結論是選用合適的材料和工藝能改善噪聲狀況，但均沒(méi)有提出杜絕產(chǎn)生噪聲的對策。
本文通過(guò)對樣品的解剖觀(guān)測以及對噪聲現象特點(diǎn)的定性分析研究，揭示了能引起薄膜振動(dòng)的“氣泡噪聲”機理。
1 金屬化薄膜電容器噪聲現象的特點(diǎn)
金屬化薄膜電容器施加直流電壓時(shí)沒(méi)有噪聲，施加交流電壓時(shí)會(huì )發(fā)出“茲、茲”的噪聲，噪聲頻率為電源頻率的兩倍,所以也稱(chēng)作為交流聲。金屬化薄膜電容器的噪聲較?。ㄈ缥墨I1以距離0.5m，
≥30 dB則判定為交流聲大），在沒(méi)有消音室情況下很難通過(guò)人的聽(tīng)覺(jué)來(lái)進(jìn)行定量分析研究。有時(shí)覺(jué)得通過(guò)某一工藝改進(jìn)噪聲問(wèn)題已經(jīng)得到有效解決，但過(guò)一段時(shí)間后發(fā)現噪聲問(wèn)題又會(huì )重新出現。通過(guò)長(cháng)期研究發(fā)現影響金屬化薄膜電容器噪聲的因數太多，噪聲大小、噪聲的觸發(fā)與消失等均與材料、工藝、環(huán)境溫度、施加電壓等密切相關(guān)，并有許多有趣特點(diǎn)現象。
1.1 施加電壓的影響
電容器噪聲是薄膜在交流電場(chǎng)力作用下振動(dòng)產(chǎn)生的機理已得到公認，電場(chǎng)力F的大小正比于電容器施加電壓的平方。
F=（ε
式中：ε
為電容器薄膜介電常數；A為極板面積；d為電容器極板間距；U為電容器兩端所加的電壓；F為電容器通過(guò)電流后所產(chǎn)生的電動(dòng)力；K為比例系數。
電容器的噪聲是由于外施電壓在電容器極板上產(chǎn)生機械振動(dòng)，傳播到空氣中產(chǎn)生的。噪聲產(chǎn)生、消失與施加電壓高低有關(guān)，可分成觸發(fā)噪聲的起始電壓和噪聲消失的熄滅電壓，起始電壓高于熄滅電壓，不同產(chǎn)品噪聲的起始電壓也會(huì )不同，我們對一批額定電壓為交流450 V的電容器做了測試，有噪聲的起始電壓一般在400-500 V，噪聲消失電壓一般在300 V以下，有的甚至低到200 V,—旦觸發(fā)噪聲后，短時(shí)間內再次觸發(fā)時(shí)的起始電壓將會(huì )下降,下降幅度有的會(huì )大于20%。沒(méi)有噪聲的即使將電壓升至1000V也不會(huì )有交流聲產(chǎn)生。
1.2 生產(chǎn)工藝、材料的影響
生產(chǎn)工藝對噪聲的影響不容置疑，有研究報道卷繞壓力太小或過(guò)大均不利于噪聲的改善，試驗結果表明不同卷繞壓力下產(chǎn)生噪聲的概率會(huì )有不同，即使認為是最佳卷繞壓力加工的產(chǎn)品交流聲發(fā)生
概率也有10%左右。
有研究報道在60℃條件下熱處理，不論是大氣還是真空條件下均沒(méi)有出現交流聲，在70℃以上條件下不論是大氣還是真空條件下熱處理，均有80%出現嚴重交流聲。也有研究報道熱處理后的冷卻條件對電容器交流聲的影響較大，緩慢冷切有利于減少交流聲的產(chǎn)生。
我們實(shí)驗和研究的結論是不論采用怎樣的卷繞壓力或張力，不論是大氣或真空條件下，是采用階梯升溫還是緩慢冷切，只要進(jìn)行了熱定型處理(一般在85℃以上)均會(huì )有噪聲產(chǎn)品產(chǎn)生，通過(guò)批量生產(chǎn)的統計結果來(lái)看只是產(chǎn)生噪聲的概率不同，嚴重程度不同，但都無(wú)法杜絕噪聲的產(chǎn)生。一個(gè)有趣的現象是只要不進(jìn)行熱定型處理就不會(huì )有重的噪聲產(chǎn)品產(chǎn)生。
表1-4只是我們研究卷繞張力對噪聲影響試驗數據的一部分，該試驗選擇容量大容易產(chǎn)生噪聲的批量生產(chǎn)的60μ
F/450 V產(chǎn)品，是在同一批次聚丙烯薄膜，在同一時(shí)間段，只是改變卷繞機的張力，在其他工藝相同情況下所生產(chǎn)的電容器的噪聲篩選測試情況。測試條件是：在25℃：室溫的安靜房間，電容器施加650 V交流電壓，測試速度1只/2 s， 噪聲有否以檢驗員耳朵距離產(chǎn)品30 cm的聽(tīng)力判斷。其中表1是對比工藝張力變化的噪聲情況，結果表明增強張力的產(chǎn)品有噪聲比例較低。表2是增強張力與工藝張力再次進(jìn)行對比驗證，結果增強張力的產(chǎn)品有噪聲比例仍好于工藝張力，但不如初次好。表3再次進(jìn)行對比驗證，結果雖然增強張力仍好于工藝張力，但噪聲比例很不理想，可能是材料或其他因數引起噪聲增加。試驗表明張力控制好能改善噪聲，但仍無(wú)法杜絕噪聲的產(chǎn)生。我們也試驗過(guò)更大的卷繞張力，結果是噪聲并沒(méi)有消除反而引起其他質(zhì)量問(wèn)題。表4是我們調整卷繞張力為工藝值+7%后，再分幾種不同熱定型工藝進(jìn)行的噪音情況對比,結合生產(chǎn)計劃安排將直接加熱分為 A、B
2組，將階梯加熱分為C、D、E 3組，分別選用瑞士產(chǎn)METRON1C卷繞機和臺灣產(chǎn)RDAW-195卷繞機進(jìn)行對比，另外設立一組不進(jìn)行熱定型處理的僅用臺灣產(chǎn)卷繞機卷繞的為F組。
表1 3種張力卷繞產(chǎn)品的噪聲比例
表2 增強張力與工藝張力比較
表3 增強張力與工藝張力再次比較
A、B組的工藝是2h加熱到100℃，保溫6h，后以每2h 10℃降溫，12h后結束。
C組工藝是以每20 min升溫10℃：，在70℃保溫1 h,在80℃保溫2h,在90℃保溫6h，后6h自然降溫至50℃結束；
D組工藝是以每20 min升溫10℃：，在70℃保溫1h,在80℃保溫1h，在90℃保溫2h，在100℃保溫2h，后階梯降溫2h降溫至80℃，3.5h降至60℃：，5.5h降至50℃結束；
E組工藝是以每20 min升溫10℃，在70℃：保溫1h,在80℃：保溫2h，在90丈保溫2h，在100℃保溫2h，后10 h緩慢降溫至50℃結束。
各組測試條件相同，噪聲比例結果見(jiàn)表4。
表4 不同熱定型工藝的噪聲對比情況
從統計結果看瑞士卷繞機加工的噪聲占比相對較低，E組階梯升溫、緩慢降溫的噪聲占比最好，但仍有8%的噪聲產(chǎn)生，而不進(jìn)行熱定型處理的F組噪音占比為零，根據我們經(jīng)驗，如后續進(jìn)行80℃以上高溫密封檢漏工序后，F組還是會(huì )有噪聲 產(chǎn)品出現。
我們也對不同廠(chǎng)家的聚丙烯薄膜材料進(jìn)行過(guò)對比試驗，比照結果是不同廠(chǎng)家薄膜其噪聲占比會(huì )有所不同，但差異并不絕對穩定，象前面幾項工藝驗證一樣沒(méi)有令人信服的因果關(guān)系或強相關(guān)性。
1.3 氣候條件的影響
通過(guò)長(cháng)期生產(chǎn)實(shí)踐和客戶(hù)檢驗反饋情況發(fā)現，在天氣較冷季節生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)生噪聲的概率相對較高，噪聲程度也較嚴重，到了氣溫高的夏天生產(chǎn)出來(lái)的電容器噪聲狀況會(huì )自然的有所改善。
表5 某年全年一次噪聲檢驗合格率統計表
以前我們曾對一年生產(chǎn)的CBB65型空調器壓機電容器進(jìn)行過(guò)統計分析，按月統計的產(chǎn)品噪聲比 例分布情況見(jiàn)表5、圖1。
圖1 某年份按月統計的產(chǎn)品噪聲比例分布情況
我們分析認為排除材料有批次差異外，生產(chǎn)工藝并無(wú)明顯不同，但60月份噪聲比例低的原因可能是環(huán)境溫度相對較高的原因。
1.4 產(chǎn)品儲存期的影響
空調器廠(chǎng)對電容器噪聲要求很高，根據產(chǎn)品不同分別規定距電容器0.5m或1m遠的地方不能聽(tīng)到明顯的噪音作為驗收標準。為此電容器生產(chǎn)廠(chǎng)將噪聲列為重要的出廠(chǎng)檢驗項目，一般采取在靜室由年輕聽(tīng)力好的職工逐只進(jìn)行試聽(tīng)篩選檢驗，工作量很大，而且也難以監控。篩選出噪聲大的電容器進(jìn)行隔離存放，但過(guò)段時(shí)間后再篩選時(shí)，發(fā)現大噪聲的發(fā)生概率會(huì )顯著(zhù)下降，原來(lái)噪聲大的也會(huì )變小甚至消失。電容器儲存一段時(shí)間后再測試，可能是其觸發(fā)噪聲的起始電壓有所提高或許是環(huán)境條件的影響，總之部分產(chǎn)品噪聲狀況會(huì )有所改善。
1.5 噪聲與性能關(guān)系
已有報導稱(chēng)交流聲不會(huì )影響電容器的其他性能。我們經(jīng)過(guò)長(cháng)期實(shí)驗也證明了電容器老化試驗后的容量下降值(?
C)和損耗角正切增量(?tanδ
)均與噪聲大小不相關(guān)，表6是其中一次噪聲大小與壽命相關(guān)性的驗證試驗報告。表6中電容器型號：CBB65；產(chǎn)品規格:50μF/450 VAC;產(chǎn)品尺寸 ：Φ50×120；噪聲篩選條件：650 V電壓、2s、距離30 cm。需要說(shuō)明的是電容器在溫度85℃烘箱中、1.35倍額定電壓頻率下經(jīng)536h后，電容應不發(fā)生永久性擊穿、開(kāi)路或閃絡(luò )。試驗則后,試驗后?tanδ≤0.002。
試驗結果表明噪聲大小與壽命性能不相關(guān)，我們認為噪聲不是薄膜間的放電聲和自愈聲，因為放電或自愈均會(huì )導致金屬層消失容量下降和介質(zhì)老化，表明噪聲只是薄膜的機械振動(dòng)，而電容器使用壽命長(cháng)短是電場(chǎng)作用下電腐蝕的老化快慢過(guò)程，二者沒(méi)有必然聯(lián)系。
表6 不同噪聲電容器的加速壽命試驗結果
2 電容器解剖觀(guān)測
電容器心子卷繞是采用全自動(dòng)卷繞加工設備，設備具有薄膜自動(dòng)張力控制，卷繞壓輥壓力恒定控制和加速、恒速、減速卷繞分階段定量設定控制，加工精度高，特別是在硬芯棒上卷繞的心子不存在明顯的內松外緊現象，薄膜層間具有較大的壓強，應該不存在引起薄膜層間振動(dòng)的空間。為了能找到引起薄膜振動(dòng)的依據，我們對有噪聲的電容器心子進(jìn)行了解剖，解剖后發(fā)現凡是噪聲較重的心子總能找到氣泡的痕跡（圖中圓圈處），圖2所示為還有點(diǎn)鼓脹的氣泡，圖3所示為已經(jīng)收縮的氣泡，圖4所示為有嚴重噪聲的大氣泡。
圖2 稍有鼓脹的氣泡
圖3 已經(jīng)收縮的氣泡
圖4 噪聲大的氣泡
3 噪聲產(chǎn)生的機理分析
根據噪聲現象的特點(diǎn)和產(chǎn)品解剖情況,認為氣泡存在是產(chǎn)生噪聲的根本原因，分析認為氣泡不是在心子卷繞過(guò)程中產(chǎn)生，而是通過(guò)后道工序過(guò)程中形成的。
3.1 氣泡的形成過(guò)程
薄膜存在厚度的不均勻性，表面也有高低不平的粗糙度，為了薄膜能展平卷繞機壓輥也刻有凹槽，即使是在最佳控制下卷繞出來(lái)的心子內部也都存在著(zhù)微量空氣。
理想氣體常態(tài)方程為PV=nRT，P是壓強；V是體積；n是物質(zhì)的量：T是溫度，單位為K；R是常數。當心子卷繞后這些微量氣體是分散在薄膜層間，其體積和壓強保持著(zhù)平衡狀態(tài)。
當在熱定型工序加熱時(shí)，氣體開(kāi)始膨脹，在此時(shí)P0V0/T0=P1V1/T1，P1V1/P0V0= T1/T0，T0、P0、V0是卷繞時(shí)的溫度、壓強、體積。T1、T1、V1，是熱定型時(shí)的溫度、壓強、體積。
當熱定型溫度與卷繞環(huán)境溫度相差很大時(shí)，存在薄膜層間的微量氣體的體積和壓強會(huì )隨熱增大，如當卷繞環(huán)境溫度為20℃，熱定型加熱溫度為85℃轉換成K氏溫度，那么T1/T0=185K/68K/，T1/T0=2.72,即熱定型時(shí)薄膜層間微量空氣體積或壓強將增加2.72倍,如熱定型加熱為溫度100℃,則T1/T0=3.12,當局部薄膜層間壓強低于該氣體壓強時(shí)，層間縫隙擴大形成通道,使原少量分散的氣體逐漸向薄膜層間壓力薄弱處聚集，就形成了氣泡。
參考文獻介紹，電容器元件采用相同的卷繞條件：卷繞的層數相同，均為1200層，卷繞機張力相同，應變系統測量方式保持不變，層間壓強變化趨勢為：元件外層壓強值??；往里層，層間壓強值逐漸增大；當靠近芯軸處時(shí)，壓強達最大值。
我們樣品解剖統計也發(fā)現，氣泡基本集中在心子直徑的3/4圈數以外部分和心子長(cháng)度的中間附近位置，沒(méi)有發(fā)現居集在芯棒附近或噴金層兩端，因為越靠近心子中間，薄膜層間的壓強越大，靠近噴金部位空氣相對容易排出，均難以形成氣泡。
3.2 氣泡與溫度關(guān)系
氣泡生成的大小、多少與薄膜材料和卷繞工藝有關(guān)，與心子中殘留的氣體多少有關(guān)，也與熱定型溫度有關(guān)。卷繞與熱定型二者溫度相差越大越容易產(chǎn)生氣泡，心子層間壓強越小，殘留氣體越多生成氣泡就會(huì )越多、越大。硬性卷繞的圓形心子是噴金后進(jìn)行熱定型，噴金層已經(jīng)將兩端面牢牢堵死，通過(guò)真空熱定型能將心子內部空氣抽光，也只見(jiàn)介紹報道未見(jiàn)有令人信服的證據。
熱定型工序結束后，隨著(zhù)溫度下降氣泡內氣體體積或壓強也隨之減少，溫度下降到常溫后，已聚集成氣泡的微量氣體不可能再恢復到原先分散狀態(tài).薄膜在氣泡膨脹時(shí)已拉伸變形，此時(shí)也無(wú)法恢復到原先平整狀態(tài)，這就為薄膜振動(dòng)創(chuàng )造了條件。如果不進(jìn)行心子定型加熱工序，分散的氣體不會(huì )聚集形成不了氣泡，所以說(shuō)是熱定型工序產(chǎn)生了氣泡。
3.3 溫度與噪聲關(guān)系
噪聲是薄膜在電場(chǎng)力作用下振動(dòng)引起，薄膜能否振動(dòng)是由氣泡處膜的張力決定，膜的張力就是氣泡內的壓強，壓強大小取決于溫度。
當溫度較高時(shí)，氣泡內部壓強較高，薄膜有一定的張力，很難激發(fā)振動(dòng)。
當溫度較低時(shí)，氣泡內氣體收縮，氣泡處膜缺乏張力，在交流電場(chǎng)力作用下容易觸發(fā)振動(dòng)。
我們曾對有明顯噪聲產(chǎn)品在不同溫度下進(jìn)行人工噪聲測聽(tīng)，測試產(chǎn)品型號CBB65型，規格450VAC，60μF
,內部灌注植物油，外殼尺寸Φ55x130mm,樣品數8只，樣品心子卷繞時(shí)溫度28℃，熱定型溫度100℃，6h,測試施加電壓450V。不同溫度下測試的噪聲情況見(jiàn)表7。
表7 測試溫度不同時(shí)噪聲狀況對比
噪聲的大小和發(fā)生的概率與施加的電樂(lè )有關(guān)，也與卷繞時(shí)的環(huán)境溫度與噪聲測試時(shí)產(chǎn)品溫度有關(guān)，二者溫差越大氣泡越鼓脹，薄膜振動(dòng)能力就越差，噪聲就越小或激發(fā)噪聲的起始電壓就越高，所以在產(chǎn)品加熱后或在環(huán)境溫度較高時(shí)測試的噪聲就會(huì )變小甚至消失，大噪聲的發(fā)生概率也會(huì )降低，這應該是“氣泡噪聲”的基本特性。
在同樣的材料、工藝生產(chǎn)的同一批產(chǎn)品中，我們發(fā)現內部有氣泡的產(chǎn)品施加400-500V就會(huì )觸發(fā)噪聲，而對于沒(méi)有氣泡的產(chǎn)品即使施加1000V電壓也不會(huì )有噪聲產(chǎn)生，這也說(shuō)明了噪聲問(wèn)題的復雜性。要在高的熱定型溫度處理下，通過(guò)其他工藝參數的調整能改善噪聲狀況，但要杜絕噪聲的產(chǎn)生
將十分困難，甚至是不可能實(shí)現。
4 結語(yǔ)
根據解剖發(fā)現的氣泡以及提出的“氣泡噪聲”理論與金屬化薄膜電容器長(cháng)期生產(chǎn)實(shí)踐和試驗歸納出來(lái)的噪聲現象特點(diǎn)完全吻合。
1)
高的熱定型溫度使薄膜層間微量空氣發(fā)生膨脹，在空氣較多、壓強較低的薄膜層間聚集成氣泡。如果卷繞環(huán)境與熱定型時(shí)的溫差越大或薄膜層間壓強越小，就越容易產(chǎn)生氣泡，反之亦然。
2)
噪聲測試時(shí)的產(chǎn)品溫度與熱定型溫度的溫差越大，氣泡處膜的張力越小，激發(fā)噪聲起始電壓就越低，噪聲也越大，反之亦然。
3)
通過(guò)材料、工藝改進(jìn)甚至采用真空熱定型處理，X疑能改善噪聲狀況，但在大批量生產(chǎn)中出現“氣泡噪聲”現象仍不可避免。
4)
不經(jīng)過(guò)熱定型的硬芯卷繞電容器在交流電壓下是不會(huì )產(chǎn)生噪聲，但熱定型工序是生產(chǎn)高質(zhì)量、長(cháng)壽命金屬化薄膜電容器不可缺少的重要關(guān)鍵工序，通常熱定型溫度（也稱(chēng)熱聚合溫度）在90-100℃采用高溫膜的甚至高達120℃，這一矛盾已成為噪聲無(wú)法徹底解決的根本原因。
