測量

揚聲器的雜散振動可以通過與地板接觸直接傳遞到房間的表面。 這導致房間的表面同情地輻射這些振動作為可聽雜訊,這可能會影響音樂聆聽體驗。 房間的大表面積進一步加劇了這個問題,它以高效率輻射聲音。 低頻振動是最嚴重的罪犯,因為它們能夠以很小的阻抗在整個房間結構中傳播。

 

即使使用基本的隔振,也可以減輕結構振動的這些退化效應。 將隔振音頻頁腳放在揚聲器下方可減少混響時間、振動衰減偽影和某些頻率下的失真[1]。 通過將音訊電子設備與振動隔離開來,也會產生類似的積極影響。 這些優勢的程度可能因音訊頁腳設計而異。

測量隔振

我們試圖測量幾種流行的音訊頁腳設計的隔振性能。 然後,我們在相同的比較標準下測量了我們的 Carbide Base 腳。 在水平和垂直方向上測量每個音訊頁腳的隔振性。 利用三種不同的振動源來產生振動:電磁振動台,低音炮和雙向揚聲器。 在每個實驗中,將四個音訊頁腳放置在振動源的頂部,然後將鋁板放置在音頻頁腳的頂部。 用螺栓將砝碼固定在鋁板上,以模擬揚聲器或音訊設備的品質,其總品質約為32千克(70磅)。 測量專業ACH-01壓電加速度計感測器然後用雙面膠帶連接到板上,以測量水準和垂直方向的加速度。 加速度計感測器依次饋入為各自感測器校準的放大器。

電磁振動表

使用電磁振動表來獲得第一組測量值。 工作台採用數位控制,可精確調節工作檯面的振動幅度和頻率。 為了確定工作台的振動幅度,將加速度計感測器連接到工作臺上,然後使用萬用表測量感測器放大器的輸出。 同樣,第二個加速度計感測器連接到鋁板上。 從板感測器以5 Hz間隔從10 Hz到200 Hz進行測量。 振動台在每個間隔進行調整,以確保振動台以2.5 m/ s 2的加速度振動。 測量首先使用連接到工作檯面和板的正向邊緣的感測器進行,以測量水準振動。 然後使用連接到工作台和板頂部的感測器重複測量,以測量垂直振動。 這些測量集中在低音頻率區域,以確定每個音訊頁腳的共振頻率周圍的隔振性能。

 

該實驗的優點是,該表在整個測量過程中提供了一致的振動。 這使得音頻頁腳中的共振清晰可辨。 該實驗的缺點是由於間隔測量而解析度有限。 該實驗也沒有提供任何關於振動衰減行為的見解。

 

低音炮

使用低音炮作為振動源,以獲得低音頻率區域的掃描測量值。 使用PC來生成從15 Hz到200 Hz的對數掃描正弦信號,然後通過低音炮播放。 加速度計感測器安裝在板的前緣和頂部,以同時測量水準和垂直振動。 PC用於記錄板式安裝感測器的輸出。 然後將測量結果轉換為顯示振動衰減的瀑布圖。 瀑布圖的Y軸設置為忽略噪底偽像,其中0 dBFS對應於削波前的極限。 掃描期間的最大聲壓級為93 dBA,這是我們混響工廠地板上1 m的距離測量的。 清掃期間的最大水平機櫃加速度為2.4 m/s2

 

2 路揚聲器

使用2分頻揚聲器作為振動源,以獲得中音和高音頻率區域的掃描測量值。 該實驗使用與低音炮實驗相同的過程進行,只是掃描從200 Hz到1 kHz(中音)和1 kHz到10 kHz(高音)完成。 另一個區別是,加速度計感測器放大器設置為相對於低音炮測量提供+20 dB增益。 由於較高頻率固有的較低振動幅度,因此施加了額外的增益。 較高的增益也提高了噪底,這需要限制中頻和高頻瀑布圖的可見部分,以避免噪底偽像。 在掃描期間,揚聲器的最大聲壓級也為93 dBA,驅動電壓在所有測量中均保持恆定。 在清掃過程中,機櫃的最大加速度為1.9 m/s2

 

低音炮和揚聲器實驗的優點是,它們提供了每個音頻頁腳的振動衰減行為的高解析度視圖。 缺點是機櫃的振動不像振動檯實驗那樣與頻率一致。 然而,機櫃的振動行為在測量之間是一致的,允許在音訊頁腳之間進行有用的相對比較。 每次測量連續進行兩次,然後取平均值以平滑機櫃振動行為的不規則性。

測試中的音訊頁腳

音訊頁腳設計

測試了七種不同的音訊頁腳設計。 還測試了峰值以進行相對比較。 每個音訊頁腳中有四個放置在鋁板下方。 具有適當供應的設備用螺栓固定在板上。

 

在實現隔振方面,測試的音頻頁腳大致分為兩類: 滾珠軸承粘彈性

 

滾珠軸承

音訊頁腳 1、3 和 6 基於一個常用的概念[2] ,利用滾珠軸承在彎曲軸承座圈中滾動。 這些軸承設計轉移了振動的傳輸,從而減少了通過設備的振動。 音訊頁腳 5 通過利用獲得專利的堆疊配置的軸承來轉移振動的傳輸。 Carbide Base 頁腳利用平面軸承座圈之間的軸承,並在振動期間使用粘彈性緩衝器將設備居中。

 

粘彈性

音訊頁腳 2 採用具有粘彈性的模製玻璃纖維。 音訊頁腳 4 利用上部和下部粘彈性元件,這些元件與專利配置的橢圓形圓柱體連接。 Carbide Base 在正在申請專利的配置中使用稱為 ViscoRing™ 的管狀粘彈性元件。

按兩下每組測量值上方的「測量值」文本以切換其可見性。

水平和垂直測量顯示在單獨的選項卡上。

尖峰

尺寸:

Ø 14 毫米 (0.55“)

高度 35 mm (1.4“)

建設:

鋼釘

尖峰測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

音訊頁腳 1

尺寸:

Ø 45毫米(1.78英寸)(頂部),Ø 70毫米(2.76英寸)(底部)

51 毫米 (2.0“) – 61 毫米 (2.4”) 高度

4 人的最大重量:

不適用

高度可調:

是的

螺栓規定:

是的

建設:

不鏽鋼主體,帶 3 個陶瓷滾珠軸承,安裝在球面軸承座圈中。

音訊頁腳 1 測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

音訊頁腳 2

尺寸:

50 mm (2“) 寬度 x 50 mm (2”) 深度

高度 25 mm (1“)

4 人的最大重量:

34.4 千克(76 磅)

其他版本可用於不同的重量。

高度可調:

螺栓規定:

建設:

夾在鋼板之間的熱壓縮高密度模製玻璃纖維層。 紋理橡膠頂部和底部。

音訊頁腳 2 測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

音訊頁腳 3

尺寸:

Ø 45 毫米 (1.75“)

24 mm (0.94“) 高

4 人的最大重量:

不適用

高度可調:

(選擇升級)

螺栓規定:

建設:

陽極氧化鋁主體,帶 6 個滾珠軸承,位於 3 層之間的球面軸承座圈中。

音訊頁腳 3 測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

音訊頁腳 4

尺寸:

Ø 51 毫米 (2“)

高度 43 mm (1.7“)

4 人的最大重量:

55 千克(121 磅)

其他版本可用於不同重量

高度可調:

僅當用螺栓連接時

螺栓規定:

是的

建設:

上部和下部粘彈性隔離器採用外殼,與專利配置的橢圓形氣缸連接在一起。 定向設計。 所有測量均以製造商建議的標誌朝前進行。

音訊頁腳 4 測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

音訊頁腳 5

尺寸:

Ø 76 毫米 (3“)

57 mm (2.25“) 高

4 人的最大重量:

不適用

高度可調:

僅當用螺栓連接時

螺栓規定:

是的

建設:

不鏽鋼閥體採用非截然相反的專利配置,由 5 個獨立的陶瓷軸承堆疊而成。

音訊頁腳 5 測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

音訊頁腳 6

尺寸:

Ø 45 毫米 (1.75“)

72 毫米 (2.8“) – 89 毫米 (3.5”) 高度

4 人的最大重量:

不適用

高度可調:

是的

螺栓規定:

是(需要螺栓連接)

建設:

鋁製主體,帶 3 個陶瓷滾珠軸承,安裝在球面軸承座圈中。

音訊頁腳 6 測量(按兩下以切換)

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

Carbide Base 頁腳

尺寸:

Ø 125 毫米 (4.9“)

56 毫米 (2.2“) – 74 毫米 (2.9”) 高度

4 人的最大重量:

32 千克(70 磅)

ViscoRing™ ,重量更高

高度可調:

是的

螺栓規定:

是的

建設:

鋁製上部裝有 ViscoRing™ 粘彈性部件。 不鏽鋼下部軸承座陶瓷軸承和粘彈性緩衝器,採用正在申請專利的配置。 在安裝輕型 ViscoRings™ 的情況下進行測量。

Carbide Base 頁腳測量(按兩下以切換 )

水準振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
臥式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
臥式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
臥式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音
立式振動台
10 Hz – 200 Hz 低音
立式低音炮
15 赫茲 – 200 赫茲低音
立式揚聲器
200 赫茲 – 1 千赫中音
立式揚聲器
1 千赫 – 10 千赫高音

免責聲明

這些實驗類比了在中到高音量下演奏的揚聲器或低音炮機櫃上直接經歷的振動幅度。 在隔離較低振幅振動時,某些音頻頁腳的測量方法可能會有所不同。 此外,所支援的品質會影響某些音訊頁腳的性能,因此更改品質可能會更改測量值。 最後,這些測量都是用近似穩態的正弦振動刺激進行的,這與音樂的動態狀態不同。

結論

測試的音訊頁腳的隔振性能差異很大。 在大多數情況下,不需要的雜散振動通過低音頁腳和較低的中頻頻率增加。 在其他情況下,阻尼不足,導致共振在初始刺激后持續很長時間,如一些瀑布圖中的長衰減時間所示。

 

Carbide Base頁腳的獨特之處在於它們能夠隔離和抑制低音和中低音,從而最大限度地提高這些頻率的清晰度。

引用

[1] 卡茨, B. (2020). 關於揚聲器機櫃的聲輻射AES:音訊工程學會雜誌公約論文10405

 

[2] Kemeny, Zoltan A. “機械信號濾波器”。 美國6520283 B2,美國專利商標局,2003年2月18日。 谷歌專利, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

粘彈性聚合物或彈性體由於其固有的高阻尼水準而廣泛用於振動控制應用。 彈性體還可以通過形成某些形狀來有效地隔離低頻振動。 形狀因數是用於量化給定彈性體形狀的隔離性能的技術術語。 這意味著形狀因數越低,潛在的諧振頻率就越低。 低諧振頻率通常會導致寬頻寬的隔振。 這是由於隔離高於諧振頻率的振動頻率。

 

對於大多數常見形狀,形狀因數通常定義為:

形狀因數 =
平均載荷表面積
表面積膨脹

平均荷載表面積是支撐荷載的上下表面積的平均值。 凸起的表面積是垂直於載荷的自由膨脹的表面積。

 

隨著材料變得越來越高和越來越窄,彈性體的穩定性在低於一定的形狀係數時可能會受到影響。 一些彈性體製造商建議保持在0.3的形狀因數以上,以防止屈曲 – 這個問題可能導致支撐的設備翻倒。

 

在設計Carbide Base

中使用的ViscoRing™彈性體時,計劃形狀係數為0.17。 選擇這一點是為了將諧振頻率推低到足夠低,以便可以有效地隔離最低可聽頻率。

提高穩定性

進行了一項實驗,以測試 ViscoRing™ 垂直支撐負載並避免屈曲的能力。 該實驗包括逐漸施加質量和測量材料的垂直變形。 在室溫環境中,在中等粘度環之上施加砝 ViscoRing™ ,增量為1.13千克(2.5磅)。 垂直變形距離以所示應力-應變曲線的形式繪製。 y軸表示施加的應力或品質量,x軸表示施加品質引起的應變或垂直變形。

紅色曲線顯示沒有外殼的ViscoRing™單獨顯示。 可以看出,在最初應用品質后不久,材料開始在載荷下彎曲和變形。 這種材料在支撐即使是很小的品質方面也做得很差,鑒於其極低的形狀係數,這是可以預料的。

 

為了提高 ViscoRing™的穩定性,在 Carbide Base 頁腳的上部為其設計了一個外殼,如簡化圖所示。 在ViscoRing的周邊間隔添加脊 ViscoRing™ 支撐它並防止屈曲。 山脊是分開的,因此表面積可以自由地在它們之間凸起,從而保留了低形狀因數的好處。

 

當 ViscoRing™ 向外凸起時,膨脹的表面積中逐漸增加的比例與傾斜的山脊接觸。 隨著品質的增加,這種形狀因數的增加在更寬的載荷品質範圍內產生了更一致的共振頻率。 Carbide Base頁腳的隔離性能在不同的支撐品質下變得更加穩定。

 

藍色曲線顯示了放置在Carbide Base頁腳上部外殼中的相同ViscoRing™。 觀察到應變或垂直變形的相對線性增加,並施加應力或品質。 材料未按預期屈曲。

 

彈性體無法壓縮成更小的體積。 因此,必須允許彈性體向外凸起,以便在載荷下變形。 選擇性支撐的 ViscoRing™ 沒有顯示出坡度或剛度的突然增加,如果防止材料進一步膨脹,就會發生這種情況。 這很重要,因為低剛度或彈簧率是實現低共振頻率所必需的。

改善水平隔離

一旦成功地利用低形狀因子彈性體進行垂直隔離,就需要水準隔離的類似優勢。 水平取向的低形狀因子彈性體與滾珠軸承相結合,以進一步提高水準隔離性能。

 

利用滾珠軸承提供水平隔離是一個眾所周知的概念。 許多設計在彎曲軸承座圈之間插入滾珠軸承。 其他設計的彎曲軸承表面使軸承保持居中。 它們還允許振動的傳輸路徑被轉移,因為上下種族彼此水準平移。 這種傳輸路徑規避提供了水平隔離[1]

 

Carbide Base 腳的下部設計的設計是不同的,因為軸承在平坦而不是彎曲的賽道上滾動。 水準方向的彈性體充當高度阻尼彈簧,使設備在回應振動時保持居中。 為了最大限度地減少變形和滾動阻力,軸承採用鋯,軸承座圈採用拋光硬化彈簧鋼。 水平隔離的阻尼水準比以前的設計更高。

振動測試

測量水平隔離

為了評估水準隔離的改善,進行了另一項實驗。 該實驗的目的是量化增加球軸承和水準定向彈性體以進行水準隔離的改進。

 

使用電磁振動台為實驗產生振動。 該工作台通過觸摸屏進行數位控制,並連接到變頻驅動器(VFD)的刻度盤。 這些用於精確調節工作臺表面的振動幅度和頻率。

 

四個安裝了中等ViscoRings™Carbide Base頁腳被放置在振動台的頂部。 然後將總品質約為45千克(100磅)的加權鋁板用螺栓固定在頁腳的頂部。 兩個測量專用ACH-01加速度感測器用於測量振動。 第一個感測器用雙面膠帶連接到振動台的前緣。 第二個感測器同樣安裝在鋁板的前緣。 每個感測器都連接到自己校準的振動感測器放大器,該放大器又為自己的台式萬用表供電。 來自每個萬用表的VRMS 讀數用於分別確定工作台和鋁板所經歷的加速度,1 mVRMS = 1 m / s2 加速度。

繪製水平隔離圖

前向和后(Y軸)振動頻率以10 Hz為增量,從10 Hz到300 Hz。 在每個時間間隔繪製兩個感測器的VRMS 值。 調整工作台的振幅,以確保工作台正弦振蕩,加速度約為4 m/s2

 

通過工作台感測器的輸出減去板式感測器的輸出,通過 Carbide Base 頁腳傳遞振動。 正值表示透過設備的振動放大。 這是在元件諧振頻率周圍的振動頻率下預期的。 負值表示該表產生的振動減少。 換句話說,就是隔離所需的振動。 值越負,隔離度越大。

 

線顯示了硬Carbide Base頁腳缺少滾珠軸承和水準方向彈性體時進行的測量。 只有 ViscoRing™ 彈性體被用於水平隔離。 線表示在軸承和水平彈性體就位的情況下進行的測量。 滾珠軸承和水平彈性體的結合大大提高了水平隔離性能。 振動幅度的降低在諧振頻率周圍尤為明顯,表明阻尼水準更高。

結論

Carbide Base頁腳中融入了多種設計特徵,以可靠地利用低形狀因數彈性體來實現低頻隔振。 以前被認為過於不穩定的形狀因素形成的彈性體通過適當設計的外殼變得足夠穩定。 軸承和水準取向彈性體的額外組合進一步改善了水平隔離。 這些新穎的功能後來被納入一項正在申請的專利中。

引用

[1] Kemeny, Zoltan A. “機械信號濾波器”。 美國6520283 B2,美國專利商標局,2003年2月18日。 谷歌專利, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

眾所周知,揚聲器外殼在其較低的共振頻率下對總輻射聲音有重大貢獻[1]。 儘管揚聲器面板的表面速度很小,但面板輻射的效率是驅動器的許多倍。 這是由於面板相對於驅動器的輻射面積較大。 來自外殼面板的聲音輻射可能會產生可聽見的失真,應予以緩解。 阻尼外殼面板是降低諧振幅度的一種有效方法[2]。

 

該實驗的目的是確定將 Carbide Base 頁腳放置在揚聲器下方是否可以減少揚聲器外殼面板內的低頻共振。 面板共振的減少將有助於量化頁腳提供的振動消散的改善。 這種改進將與位於混凝土地板上鋼地板釘上的揚聲器外殼的基本情況進行比較。

測試揚聲器

為了進行振動測試,我們首先構建了一個測試揚聲器外殼。 我們創建了自己的外殼,以最大限度地減少可能影響測量的未知變數。 外殼由高密度聚乙烯 (HDPE) 板材加工而成,外部採用25毫米(1英寸)厚的面板,內部支撐採用50毫米(2英寸)厚的面板。 兩個 Accuton AS250-6-552 250 mm(10 in)低音揚聲器安裝在外殼的相對兩側。 外殼內部容積為129升,Qtc約為0.64。 外殼內沒有填充物。 安裝低音揚聲器的外殼總品質為83千克(183磅)。

測量

在我們的振動耗散實驗中,測量是在揚聲器外殼的外部面板上進行的。 第一組測量是在外殼的底部中心進行的。 第二組測量是在左側面板的上部進行的,高度為外殼底部上方76釐米(30英寸)。 首先將外殼放在直接接觸混凝土地板的鋼地板尖上進行測量。 然後再次進行相同的測量,外殼位於 Carbide Base 頁腳上。

 

為了測量振動,我們使用了測量專業ACH-01壓電加速度計感測器。 感測器使用雙面膠帶連接到存儲模組。 帶有集成類比訊號處理器的放大器用於放大ACH-01感測器的模擬輸出。 該放大器針對該特定ACH-01感測器的靈敏度進行了校準,允許進行絕對加速度測量。 反過來,感測器放大器將其模擬輸出饋送到Tascam US-366 USB介面中,該介面用於在PC上以數位方式記錄信號。 從35 Hz到200 Hz的對數掃描正弦信號被饋送到AB類放大器,該放大器以3.8V驅動電壓為低音揚聲器供電。

 

生成瀑布圖以顯示振動幅度隨時間推移的衰減。 y軸表示相對於削波前最大峰值電平低於記錄信號滿量程的dB。 Y軸被限制在-60 dBFS的最低水準,以避免噪底偽像。

 

藍色瀑布表示Carbide Base頁腳上的外殼的測量值,紅色瀑布表示直接接觸混凝土地板的鋼地板尖刺上的外殼測量值。

底板

地板釘
在 Carbide Base 頁腳上

上側面板

地板釘
在 Carbide Base 頁腳上

結果

測量結果證實,當揚聲器放置在 Carbide Base 頁腳而不是地板尖峰上時,我們測試揚聲器外殼面板內的低頻共振被抑制。 這種阻尼效應不僅發生在與頁腳局部接觸附近,而且發生在靠近外殼另一端的位置。 當揚聲器位於 Carbide Base 頁腳上時,兩個面板中存在的大多數共振的振幅和衰減時間都減少了。 一個值得注意的例外是150 Hz左右的共振,其中振幅下降,最初衰減更快,隨後衰減時間小幅增加至-40 dBFS以下。 在最能聽到外殼共振的最低頻率區域,在某些情況下,振動幅度降低了80%以上。

引用

[1] Bastyr, K. J., & Capone, D. E. (2003)。 關於揚聲器機櫃的聲輻射AES: 音訊工程學會雜誌51(4), 234-243.

[2] Juha Backman,《面板阻尼對揚聲器外殼振動的影響》,1996年,諾基亞手機,芬蘭。