メジャーメント

粘弾性ポリマーやエラストマーは、その高い減衰特性から、振動制御用途に広く使用されています。 また、エラストマーは特定の形状に成形することで、低周波の振動を効果的に遮断することができる。 形状係数は、与えられたエラストマー形状の絶縁性能を定量化するために使用される専門用語である。 つまり、形状係数が低いほど、潜在的な共振周波数が低くなるということである。 共振周波数が低いと、一般的に広い帯域幅の防振が可能になります。 これは、共振周波数以上の振動周波数を分離するためである。

 

一般的な形状の場合、形状係数は一般的に次のように定義されます。

形状係数=。
平均負荷表面積
表面積の膨張

平均荷重表面積は、荷重を支える上下の表面積の平均値です。 バルジング表面積とは、荷重に対して垂直方向に自由に膨らむ表面積のことです。

 

エラストマーは、ある形状係数を下回ると、材料の高さや幅が大きくなり、安定性が損なわれることがある。 エラストマーメーカーによっては、座屈を防ぐために形状係数を0.3以上にすることを推奨しています。

 

エラストマーを設計する際に ViscoRing™フッターに使用されるエラストマーは
Carbide Base
フッターに使用するエラストマーを設計する際、形状係数は0.17を予定していました。 これは、共振周波数を十分に低くして、最も低い可聴周波数を効果的に分離するために選択されたものです。

安定性の向上

ViscoRing™垂直方向に荷重を支え、座屈を回避する能力を検証する実験が行われました。 実験は、徐々に質量を加えていき、材料の垂直方向の変形を測定するというものである。 室温環境下で、MediumViscoRing™上に1.13kg(2.5ポンド)刻みで重りを取り付けました。 垂直方向の変形距離は、図のような応力-歪み曲線の形でプロットされた。 Y軸は応力、つまり加えられた質量の大きさを表し、X軸は質量を加えることによって生じるひずみ、つまり垂直方向の変形を表しています。

赤色の曲線は、ハウジングを使用しないViscoRing™単体を示しています。 最初に質量を加えた直後から、荷重によって材料が座屈し、大きく変形し始めたことがわかる。 この素材は、形状係数が非常に低いため、小さな質量でも支えることができないのは予想通りでした。

 

ViscoRing™安定性を向上させるために、フッターの上部にハウジングを設計しました。 Carbide Baseフッターの上部に設置しました。 ViscoRing™外周には、座屈を防ぐために、間隔をあけてリッジを追加しました。 稜線は間隔をあけて配置されているので、稜線間の表面積は自由に膨らみ、低形状因子の利点を維持することができる。

 

ViscoRing™外側に膨らむにつれて、膨らんだ表面積のうち傾斜した稜線に接触する割合が徐々に大きくなっていきます。 このように、質量が大きくなるにつれて形状係数が大きくなることで、より広い範囲の負荷質量で共振周波数が安定することがわかった。 フッターの免震性能は Carbide Baseフッターは支持質量が変わっても、より一定になりました。

 

青い曲線は、同じViscoRing™フッターの上部のハウジングに配置したものです。 Carbide Baseフッターの上部に配置したものです。 応力や質量を加えると、ひずみや垂直方向の変形が比較的直線的に増加することが観察された。 素材が意図したとおりに座屈しないのだ。

 

エラストマーは、圧縮して体積を小さくすることができない。 そのため、エラストマーは負荷をかけて変形させるために、外側に膨らませる必要がある。 ViscoRing™選択的にブレーキをかけた場合、材料がさらに膨らむのを防いだ場合に起こるような、傾斜や剛性の急激な増加は見られませんでした。 低い共振周波数を得るためには、低い剛性またはバネレートが必要であるため、これは重要なことである。

 

約11kg(25ポンド)を超えると、徐々に素材の硬さが増してきました。 これは、膨らんだ表面積の多くが稜線に接触しているため、傾斜が急になっていることを示しています。 この剛性の向上は、垂直方向の変形が7.6mmになるまで続きました。 これは、ViscoRing™過圧縮から保護するために、ハウジングが並進する最大距離として設計されたものである。

水平方向のアイソレーションを向上させる

垂直方向のアイソレーションに低形状係数のエラストマーを使用することに成功した後、水平方向のアイソレーションにも同様の効果が期待された。 水平方向に配向した低形状係数エラストマーとボールベアリングを採用し、水平方向のアイソレーション性能をさらに向上させた。

 

ボールベアリングを利用した水平方向のアイソレーションはよく知られた概念である。 多くの設計では、湾曲したベアリングレースの間にボールベアリングを介在させます。 他の設計では、ベアリングの表面が湾曲しているため、ベアリングの中心がずれることはありません。 また、アッパーレースとロアレースが水平方向に相対的に移動することで、振動の伝達経路を転換させることができる。 この伝送路の回避により、水平方向のアイソレーションが実現される[1]

 

フッターの下部の設計に工夫が凝らされた。 Carbide Baseフッター下部は、曲面ではなく平面でベアリングが転がる設計になっていた。 水平に配置されたエラストマーは、振動に対して高い減衰性を持つバネのような役割を果たし、デバイスの中心を保つ。 変形や転がり抵抗を最小限に抑えるため、軸受にはジルコニウム、ベアリングレースには研磨された硬質バネ鋼が選ばれた。 水平方向のアイソレーションは、従来の設計よりも高いレベルのダンピングを実現しました。

振動試験

水平方向のアイソレーションを測定する

また、水平方向の遮蔽性能の向上を確認するために、別の実験も行いました。 この実験の目的は、ボールベアリングと水平配向エラストマーを追加することで得られる水平方向のアイソレーション効果を定量的に評価することでした。

 

実験に必要な振動を発生させるために、電磁振動台を使用した。 このツールは、X軸、Y軸、Z軸の3つの運動軸の振動を独立または同時に発生させることができるようにカスタマイズされています。 テーブルは、タッチパネルとVFD(可変周波数ドライブ)に接続されたダイヤルによってデジタル制御されています。 これらを使って、テーブル面の振動の振幅と周波数を精密に変調させた。

 

4つの Carbide BaseMediumViscoRings™取り付けたフッターを振動台の上に置きました。 そして、フッターの上に総質量約45kg(100ポンド)の重り付きアルミニウム板をボルトで固定した。 振動の測定には、Measurement Specialties社の加速度センサー「ACH-01」を2台使用しました。 最初のセンサーは、振動台の前方端に両面テープで貼り付けました。 2つ目のセンサーも同様に、アルミ板の前方端に取り付けた。 それぞれのセンサーは、校正された振動センサーアンプに接続され、さらにベンチトップマルチメーターに接続された。 各マルチメーターのVRMS測定値から、1mVRMS=1m/s2の加速度として、テーブルとアルミ板が受ける加速度を個別に測定した。

水平分離のグラフ化

前後方向(Y軸)の振動数は10Hzから300Hzまで10Hz刻みで設定した。 両センサーのVRMS値を各間隔でプロットした。 テーブルが約4m/s2の加速度で正弦波状に振動するように振幅を調整した。

 

プレートセンサーの出力をテーブルセンサーの出力から差し引くと、フッターを介した振動の伝わり方がわかります。 Carbide Baseフッター 正の値は、デバイスを通して振動が増幅されていることを示す。 これは、デバイスの共振周波数付近の振動数で予想されたことである。 マイナスの数値は、テーブルから発生する振動が減少していることを示す。 つまり、振動の遮断が望まれていたのです。 数値がマイナスになるほど、アイソレーションが強くなります。

 

線は、フッターからボールベアリングと水平配向エラストマーを取り除いた状態での測定値です。 Carbide Baseフッターにボールベアリングと水平配向エラストマーがない状態での測定値です。 水平方向の絶縁には、ViscoRing™エラストマーだけが利用されていました。 青い線は、ベアリングと水平エラストマーを設置した状態で測定したものです。 ボールベアリングと水平エラストマーを組み込むことで、水平方向の絶縁性能を大幅に向上させた。 特に共振周波数付近で振動振幅の減少が顕著であり、高い減衰効果が得られていることがわかる。

結論

低周波防振のために低形状係数エラストマーを使用するために、いくつかの設計上の特徴が Carbide Base低周波防振のために、形状係数の低いエラストマーを確実に利用できるよう、フッターにいくつかの設計上の特徴が盛り込まれました。 従来は不安定とされていた形状因子のエラストマーも、ハウジングを適切に設計することで、十分に安定させることができるようになった。 さらに、ベアリングと水平配向エラストマーの組み合わせで、水平方向のアイソレーションをさらに向上させた。 これらの新規性は、後に特許として申請されました。

リファレンス

[1] Kemeny, Zoltan A. “Mechanical signal filter”. US 6520283 B2, United States Patent and Trademark Office, 18 February 2003. グーグル特許、https://patents.google.com/patent/US6520283B2

ラウドスピーカーのエンクロージャーは,その低い共振周波数において,全放射音に大きく寄与することが知られている[1]。 スピーカーのパネルの表面速度が小さくても、パネルはドライバーの何倍もの効率で放射します。 これは、ドライバーの放射面積に比べてパネルの放射面積が大きいためです。 エンクロージャーのパネルから放射される音は、聴感上の歪みを与える可能性があるため、軽減する必要があります。 共振の振幅を抑えるためには、エンクロージャーのパネルを減衰させることが有効な手段の一つです[2]

 

この実験の目的は、ラウドスピーカーの下にカーバイドベースのフッターを置くことで、ラウドスピーカーのエンクロージャーのパネル内の低周波共振を低減できるかどうかを調べることでした。 パネルの共振が減ることで、フッターによる振動減衰の改善を定量的に把握することができます。 この改善は、スピーカーエンクロージャーがコンクリート床上のスチール製フロアスパイクの上に置かれている基本ケースと比較して行われます。

テスト用ラウドスピーカー

振動試験を行うために、まず試験用のスピーカーのエンクロージャーを製作しました。 測定に影響を与える未知の変数を最小限にするために、独自の筐体を作りました。 筐体は高密度ポリエチレン(HDPE)シートを加工したもので、外装には厚さ25mmのパネルを、内部のブレースには厚さ50mmのパネルを使用しています。 エンクロージャーの対向面には、250mmのウーファー「Accuton AS250-6-552」を2基搭載しました。 ウーファーはAB級アンプに並列に配線されている。 筐体は129リットルの内容積で密閉されており、Qtcは約0.64となった。 筐体の中には詰め物はありませんでした。 ウーファーを取り付けたエンクロージャーの総質量は83kgでした。

計測方法

今回の実験では、防振とは異なる振動の消散を測定することに限定しました。 防振性能を測定するためには、振動源と測定場所は、通常、試験対象の防振装置の反対側にあります。 デバイスを介した振動エネルギーの相手側への伝達が少ないほど、アイソレーションは大きくなります。 高い防振性能を持つ一方で、低い放熱性能を持つデバイスも存在します。 このような減衰不足のアイソレータでは、システムからの振動エネルギーの除去はほとんどできません。 振動は加振力の後に長く持続するようになっています。

 

今回の防振実験では、振動源と測定場所を防振装置の同じ側に配置しました。 測定は、スピーカーエンクロージャーの外壁パネルで行われました。 振動源は、同じエンクロージャーに取り付けられた2つのウーファーです。 最初の測定は、筐体の中央下部で行いました。 2回目の測定は、左サイドパネルの上部、筐体底面から76cmの高さで行いました。 まず、筐体をスチール製のフロアスパイクの上に置き、コンクリートの床に直接接触させて測定しました。 その後、筐体をカーバイドベースのフッターに置いた状態で、再度同じ測定を行いました。

 

振動の測定には、Measurement Specialties社の圧電型加速度センサー「ACH-01」を使用しました。 センサーは両面テープで筐体に取り付けました。 ACH-01センサーのアナログ出力を増幅するために、アナログシグナルプロセッサーを内蔵したアンプを使用しました。 アンプはこのACH-01センサーの感度に合わせて校正されており、絶対的な加速度測定が可能です。 また、センサーアンプのアナログ出力をTascam US-366 USBインターフェースに入力し、PCにデジタル記録しました。 35Hz〜200Hzのログスイープサイン信号をAB級アンプに入力し、3.8Vの駆動電圧でウーファーを駆動しました。

 

ウォーターフォールグラフは,4.72 msのスライス間隔の解像度で,500 msのウィンドウと400 msの期間にわたる100 msの立ち上がり時間で作成された。 ウォーターフォールグラフを用いて、振動振幅の時間的な減衰を示した。 Y軸は、クリッピング前の最大ピークレベルに対する、記録された信号のフルスケール以下のdBを表します。 ノイズフロアのアーチファクトを避けるため、Y軸は最低でも-60dBFSに制限しました。

 

青色の滝は、筐体を超硬製のベースフッターの上に置いて測定したもので、赤色の滝は、筐体をスチール製のフロアスパイクの上に置いて、コンクリートの床に直接接触させて測定したものです。

ボトムパネル

床面スパイク
超硬製ベースフッターについて

アッパーサイドパネル

床面スパイク
超硬製ベースフッターについて

結果

測定の結果、スピーカをフロアスパイクの代わりにカーバイドベースのフッターの上に置くと、テスト用スピーカエンクロージャのパネル内の低周波数共振が抑えられることが確認されました。 この減衰効果は、フッターとの接触部分の局所的なものだけでなく、筐体の反対側の端に近い場所でも発生しました。 両方のパネルに存在するほとんどの共振の振幅と減衰時間は、ラウドスピーカーがカーバイドベースのフッター上にあるときに減少しました。 特筆すべき例外は、150Hz付近の共振で、振幅が減少し、最初は速い減衰が見られ、その後、-40dBFS以下で減衰時間がわずかに増加しました。 エンクロージャーの共振が最も聴こえる最低周波数領域では、振動振幅が80%以上減少した例もあります。

リファレンス

[1] Bastyr, K. J., & Capone, D. E. (2003).ラウドスピーカーのキャビネットからの音響放射についてAES:Journal of the Audio Engineering Society,51(4), 234-243.

[Juha Backman,Effect of panel damping on loudspeaker enclosure vibration, 1996, Nokia Mobile Phones, Finland.