MEDIDAS

Los polímeros o elastómeros viscoelásticos se utilizan ampliamente en aplicaciones de control de vibraciones debido a su alto nivel de amortiguación inherente. Los elastómeros también pueden aislar eficazmente las vibraciones de baja frecuencia al adoptar determinadas formas. El factor de forma es el término de arte utilizado para cuantificar el rendimiento de aislamiento de una forma determinada de elastómero. La implicación es que cuanto menor sea el factor de forma, menor será la frecuencia de resonancia potencial. Una frecuencia de resonancia baja suele dar lugar a un amplio ancho de banda de aislamiento de las vibraciones. Esto se debe al aislamiento de las frecuencias de vibración por encima de la frecuencia de resonancia.

 

Para las formas más comunes, el factor de forma se define generalmente como:

Factor de forma =
Superficie media cargada
Superficie abultada

La superficie media cargada es la media de las superficies superior e inferior que soportan la carga. La superficie de abombamiento es la superficie libre para abombarse perpendicularmente a la carga.

 

La estabilidad de un elastómero puede verse comprometida por debajo de un determinado factor de forma a medida que el material se hace cada vez más alto y estrecho. Algunos fabricantes de elastómeros recomiendan mantenerse por encima de un factor de forma de 0,3 para evitar el pandeo, un problema que puede hacer que el equipo apoyado se vuelque.

 

Al diseñar el ViscoRing™ elastómero utilizado en los
Carbide Base
pies de página, se planificó un factor de forma de 0,17. Esto se eligió para hacer que la frecuencia de resonancia fuera lo suficientemente baja como para que las frecuencias audibles más bajas pudieran aislarse de forma efectiva.

Mejorar la estabilidad

Se realizó un experimento para comprobar la capacidad del ViscoRing™ para soportar verticalmente una carga y evitar el pandeo. El experimento consistía en aplicar gradualmente una masa y medir la deformación vertical del material. Se aplicaron pesos en la parte superior del Medium ViscoRing™ en incrementos de 1,13 kg (2,5 libras) en un entorno de temperatura ambiente. La distancia de deformación vertical se trazó en la forma de la curva de tensión-deformación mostrada. El eje y representa la tensión o cantidad de masa aplicada, y el eje x representa la tensión o deformación vertical causada por la aplicación de la masa.

La curva roja muestra el ViscoRing™ solo sin carcasa. Se puede observar que poco después de la aplicación inicial de la masa, el material comenzó a doblarse y a deformarse considerablemente bajo la carga. El material no soportaba bien ni siquiera una pequeña masa, lo que era de esperar dado su bajísimo factor de forma.

 

Para mejorar la estabilidad del ViscoRing™, se diseñó un alojamiento para éste dentro de la parte superior del Carbide Base pie de página como se muestra en el gráfico simplificado. Se añadieron crestas a intervalos espaciados alrededor del perímetro del ViscoRing™ para reforzarlo y evitar el pandeo. Las crestas estaban separadas para que la superficie quedara libre para abultarse entre ellas, preservando así las ventajas del bajo factor de forma.

 

A medida que el ViscoRing™ se abultaba hacia fuera, un porcentaje progresivamente mayor de la superficie de abultamiento entraba en contacto con las crestas inclinadas. Este factor de forma creciente con un aumento de la masa dio una frecuencia de resonancia más consistente a través de una gama más amplia de masas de carga. El rendimiento de aislamiento del Carbide Base pie de página se hizo más constante a través de las diferentes masas de apoyo.

 

La curva azul muestra el mismo ViscoRing™ colocado en el alojamiento de la parte superior del Carbide Base pie de página. Se observó un aumento relativamente lineal de la deformación o de la deformación vertical con una aplicación de tensión o de masa. El material no se doblaba como estaba previsto.

 

Los elastómeros no pueden comprimirse en un volumen menor. Por lo tanto, hay que dejar que los elastómeros se abulten hacia fuera para que se deformen bajo una carga. El ViscoRing™ con refuerzo selectivo no mostró un aumento repentino de la pendiente o la rigidez, como habría ocurrido si se hubiera impedido que el material siguiera abultándose. Esto es importante, ya que se necesita una baja rigidez o tasa de resorte para lograr una baja frecuencia de resonancia.

 

Más allá de unos 11 kg (25 libras), la rigidez del material comenzó a aumentar gradualmente. Esto se indica con una pendiente más pronunciada, ya que una mayor parte de la superficie abultada entró en contacto con las crestas. El aumento de la rigidez continuó hasta una deformación vertical de 7,6 mm (0,3 pulgadas). Esta era la distancia máxima que la carcasa estaba diseñada para trasladar con el fin de proteger el ViscoRing™ de la sobrecompresión.

Mejorar el aislamiento horizontal

Una vez que se logró utilizar un elastómero de bajo factor de forma para el aislamiento vertical, se deseaba obtener beneficios similares para el aislamiento horizontal. Se incorporaron elastómeros de bajo factor de forma orientados horizontalmente junto con rodamientos de bolas para mejorar aún más el rendimiento del aislamiento horizontal.

 

La utilización de rodamientos de bolas para proporcionar aislamiento horizontal es un concepto bien conocido. Muchos diseños interponen rodamientos de bolas entre pistas de rodamiento curvadas. Las superficies de apoyo curvas de otros diseños mantienen los rodamientos centrados. También permiten desviar la trayectoria de transmisión de la vibración, ya que las pistas superior e inferior se desplazan horizontalmente una respecto de la otra. Esta evasión de la ruta de transmisión proporciona un aislamiento horizontal[1].

 

El diseño ideado para la parte inferior de Carbide Base pies era diferente, ya que los rodamientos rodaban sobre pistas planas en lugar de curvas. Los elastómeros orientados horizontalmente actuaban como muelles altamente amortiguados que mantenían el dispositivo centrado en respuesta a las vibraciones. Para minimizar la deformación y la resistencia a la rodadura, se eligió el circonio para los cojinetes y el acero templado pulido para los anillos de rodadura. El aislamiento horizontal se consiguió con un nivel de amortiguación superior al de los diseños anteriores.

Pruebas de vibración

Medición del aislamiento horizontal

Para evaluar la mejora del aislamiento horizontal se realizó otro experimento. El objetivo del experimento era cuantificar la mejora que suponía la adición de los rodamientos de bolas y los elastómeros orientados horizontalmente para el aislamiento horizontal.

 

Se utilizó una mesa vibratoria electromagnética para generar vibraciones para el experimento. Esta herramienta se personalizó para permitir la generación independiente o simultánea de vibraciones en los ejes de movimiento X, Y y Z. La mesa se controlaba digitalmente mediante una pantalla táctil y diales conectados a unidades de frecuencia variable (VFD). Se utilizaron para modular con precisión la amplitud y la frecuencia de vibración de la superficie de la mesa.

 

Cuatro Carbide Base pies con Medium ViscoRings™ instalados se colocaron encima de la mesa de vibración. A continuación, se atornilló una placa de aluminio lastrada con una masa total de aproximadamente 45 kg (100 libras) sobre los pies de página. Se utilizaron dos sensores acelerómetros ACH-01 de Measurement Specialties para medir las vibraciones. El primer sensor se fijó con cinta adhesiva de doble cara al borde delantero de la mesa de vibración. El segundo sensor se fijó de forma similar al borde delantero de la placa de aluminio. Cada sensor se conectó a su propio amplificador de sensor de vibración calibrado, que a su vez alimentaba su propio multímetro de sobremesa. Las lecturasVRMS de cada multímetro se utilizaron para determinar por separado la aceleración experimentada por la mesa y la placa de aluminio con 1 mVRMS = 1 m/s2 de aceleración.

Graficar el aislamiento horizontal

La frecuencia de vibración hacia adelante y hacia atrás (eje Y) se ajustó en incrementos de 10 Hz desde 10 Hz hasta 300 Hz. Los valores deVRMS de ambos sensores se trazaron en cada intervalo. La amplitud de la mesa se ajustó para asegurar que la mesa oscilara sinusoidalmente con una aceleración de aproximadamente 4 m/s2.

 

Restando la salida del sensor de la placa por la salida del sensor de la mesa se obtuvo la transmisión de vibraciones a través de los Carbide Base pies de página. Los valores positivos indican una amplificación de las vibraciones a través del dispositivo. Esto era de esperar en las frecuencias de vibración alrededor de la frecuencia de resonancia del dispositivo. Los valores negativos indican una reducción de las vibraciones generadas por la mesa. Es decir, un aislamiento de las vibraciones que se deseaba. Cuanto más negativo sea el valor, mayor será el aislamiento.

 

La línea roja muestra las medidas tomadas con los Carbide Base pies de página sin los rodamientos de bolas y los elastómeros orientados horizontalmente. Sólo se utilizaba el elastómero ViscoRing™ para el aislamiento horizontal. La línea azul muestra las mediciones realizadas con los rodamientos y los elastómeros horizontales colocados. La incorporación de rodamientos de bolas y elastómeros horizontales mejoró sustancialmente el rendimiento del aislamiento horizontal. La reducción de la amplitud de las vibraciones fue especialmente pronunciada en torno a la frecuencia de resonancia, lo que indica un mayor nivel de amortiguación.

Conclusión

Se incorporaron varias características de diseño en los Carbide Base para utilizar de forma fiable elastómeros de bajo factor de forma con el fin de aislar las vibraciones de baja frecuencia. Los elastómeros formados en factores de forma que antes se consideraban demasiado inestables se hicieron suficientemente estables con una carcasa adecuadamente diseñada. La combinación adicional de rodamientos y elastómeros orientados horizontalmente mejoró aún más el aislamiento horizontal. Estas novedosas características se incorporaron posteriormente a una patente pendiente.

Referencias

[1] Kemeny, Zoltan A. «Filtro mecánico de señales». US 6520283 B2, Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos, 18 de febrero de 2003. Patentes de Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

Se sabe que el recinto de un altavoz puede contribuir significativamente al sonido total radiado en sus frecuencias de resonancia más bajas[1]. Aunque la velocidad de la superficie de los paneles de un altavoz es pequeña, los paneles irradian con una eficiencia muchas veces mayor que la de los transductores. Esto se debe a la gran superficie radiante de los paneles en relación con la superficie radiante de los transductores. El sonido que se irradia desde los paneles de la caja puede provocar una distorsión audible y debe ser mitigado. La amortiguación de los paneles del recinto es una forma eficaz de reducir la amplitud de las resonancias[2].

 

El objetivo de este experimento era determinar si la colocación de Carbide Base debajo de un altavoz podía reducir las resonancias de baja frecuencia dentro de los paneles del recinto del altavoz. La reducción de las resonancias de los paneles ayudaría a cuantificar la mejora en la disipación de las vibraciones proporcionada por los pies de página. Esta mejora se compararía con el caso base de la caja acústica asentada sobre picos de acero en un suelo de hormigón.

Altavoz de prueba

Para realizar las pruebas de vibración, primero construimos una caja acústica de prueba. Hemos creado nuestro propio recinto para minimizar las variables desconocidas que podrían influir en las mediciones. La carcasa se fabricó con láminas de polietileno de alta densidad (HDPE), con paneles de 25 mm de grosor en el exterior y paneles de 50 mm de grosor en el interior. Se montaron dos woofers Accuton AS250-6-552 de 250 mm (10 pulgadas) en lados opuestos del recinto. Los woofers se conectaron en paralelo a un amplificador de clase AB. El recinto fue sellado con un volumen interno de 129 litros, lo que arroja un Qtc de aproximadamente 0,64. No había relleno en el interior del recinto. La masa total del recinto con los woofers montados era de 83 kg (183 libras).

Medidas

Este experimento se limitó a medir la disipación de las vibraciones, que es diferente del aislamiento de las vibraciones. Para medir el aislamiento de las vibraciones, la fuente de vibración y el lugar donde se realizan las mediciones suelen estar en lados opuestos del dispositivo de aislamiento que se está probando. Cuanto menor sea la transmisión de energía de vibración a través del dispositivo hacia el otro lado, mayor será el aislamiento. Es posible que un dispositivo logre un alto nivel de aislamiento de las vibraciones y, sin embargo, tenga un bajo nivel de disipación de las mismas. Un aislante con poca amortiguación hará poco por eliminar la energía de las vibraciones del sistema. Se permite que las oscilaciones persistan mucho tiempo después de la fuerza de excitación.

 

En nuestro experimento de disipación de vibraciones, la fuente de vibración y el lugar de las mediciones estaban situados en el mismo lado del dispositivo de aislamiento. Las mediciones se realizaron en los paneles exteriores de la caja acústica. La fuente de vibración era el par de woofers montados en el mismo recinto. La primera serie de mediciones se realizó en el centro inferior del recinto. La segunda serie de mediciones se realizó en la parte superior del panel lateral izquierdo a una altura de 76 cm (30 pulgadas) por encima de la parte inferior del recinto. Las mediciones se realizaron en primer lugar con la carcasa asentada sobre picos de acero en contacto directo con un suelo de hormigón. De nuevo, se tomó la misma medida con la caja asentada sobre los pies de Carbide Base.

 

Para medir las vibraciones utilizamos un sensor acelerómetro piezoeléctrico Measurement Specialties ACH-01. El sensor se fijó a la carcasa con cinta adhesiva de doble cara. Se utilizó un amplificador con un procesador de señales analógicas integrado para amplificar la salida analógica del sensor ACH-01. El amplificador se calibró para la sensibilidad de este sensor ACH-01 en particular, lo que permite realizar mediciones de aceleración absolutas. A su vez, el amplificador del sensor alimentaba su salida analógica a una interfaz USB Tascam US-366 que se utilizaba para grabar la señal digitalmente en un PC. Una señal sinusoidal de barrido logarítmico de 35 Hz a 200 Hz se introdujo en el amplificador de clase AB que alimentó los woofers con una tensión de conducción de 3,8 V.

 

Los gráficos de cascada se generaron con una ventana de 500 ms y un tiempo de subida de 100 ms sobre una duración de 400 ms con una resolución de intervalo de corte de 4,72 ms. Se utilizó un gráfico de cascada para mostrar la disminución de la amplitud de la vibración en el tiempo. El eje y representa los dB por debajo de la escala completa de la señal registrada en relación con el nivel de pico máximo antes de la saturación. El eje y se limitó a un mínimo de -60 dBFS para evitar los artefactos del piso de ruido.

 

Las cascadas azules representan las mediciones con el cerramiento sobre zapatas de Carbide Base y las rojas representan con el cerramiento sobre espigas de acero en contacto directo con el suelo de hormigón.

Panel inferior

En los picos del suelo
En pies de Carbide Base

Panel lateral superior

En los picos del suelo
En pies de Carbide Base

Resultados

Las mediciones confirmaron que las resonancias de baja frecuencia dentro de los paneles de nuestra caja acústica de prueba se atenuaron cuando el altavoz se colocó sobre pies de Carbide Base en lugar de picos de suelo. Este efecto de amortiguación no sólo se produjo localmente cerca del contacto con los pies de página, sino también en un lugar cercano al extremo opuesto del recinto. La amplitud y el tiempo de decaimiento de la mayoría de las resonancias presentes en ambos paneles se redujeron cuando el altavoz estaba sobre los pies de Carbide Base. Una excepción notable fue la resonancia en torno a 150 Hz, en la que se produjo una disminución de la amplitud y un decaimiento inicialmente más rápido, seguido de un pequeño aumento del tiempo de decaimiento por debajo de -40 dBFS. En la región de frecuencias más bajas, donde las resonancias del recinto son más audibles, la amplitud de las vibraciones se redujo en algunos casos en más del 80%.

Referencias

[1] Bastyr, K. J., y Capone, D. E. (2003). Sobre la radiación acústica de la caja acústica de un altavoz. AES: Journal of the Audio Engineering Society, 51(4), 234-243.

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