MESURES

Les polymères ou élastomères viscoélastiques sont largement utilisés dans les applications de contrôle des vibrations en raison de leur haut niveau d’amortissement intrinsèque. Les élastomères peuvent également isoler efficacement les vibrations à basse fréquence en étant formés dans certaines formes. Le facteur de forme est le terme technique utilisé pour quantifier les performances d’isolation d’une forme d’élastomère donnée. Il en résulte que plus le facteur de forme est faible, plus la fréquence de résonance potentielle est basse. Une faible fréquence de résonance se traduit généralement par une large bande passante d’isolation des vibrations. Ceci est dû à l’isolation des fréquences de vibration supérieures à la fréquence de résonance.

 

Pour les formes les plus courantes, le facteur de forme est généralement défini comme suit :

Facteur de forme =
Surface moyenne chargée
Surface bombée

La surface moyenne chargée est la moyenne des surfaces supérieure et inférieure supportant la charge. La surface de renflement est la surface libre de renflement perpendiculairement à la charge.

 

La stabilité d’un élastomère peut être compromise en dessous d’un certain facteur de forme, lorsque le matériau devient de plus en plus haut et étroit. Certains fabricants d’élastomères recommandent de ne pas dépasser un facteur de forme de 0,3 afin d’éviter le flambage, qui peut faire basculer l’équipement supporté.

 

Lors de la conception de l’élastomère ViscoRing™ élastomère utilisé dans les
Carbide Base
pieds, un facteur de forme de 0,17 a été prévu. Ce choix a été fait afin de pousser la fréquence de résonance suffisamment bas pour que les fréquences audibles les plus basses puissent être isolées efficacement.

Améliorer la stabilité

Une expérience a été menée pour tester la capacité du ViscoRing™ à supporter verticalement une charge et à éviter le flambage. L’expérience consistait à appliquer progressivement une masse et à mesurer la déformation verticale du matériau. Des poids ont été appliqués sur le dessus du ViscoRing™ moyen par incréments de 1,13 kg (2,5 lbs) dans un environnement à température ambiante. La distance de déformation verticale a été tracée sous la forme de la courbe contrainte-déformation illustrée. L’axe des y représente la contrainte ou la quantité de masse appliquée, et l’axe des x représente la déformation ou la déformation verticale causée par l’application de la masse.

La courbe rouge montre le ViscoRing™ seul, sans boîtier. On peut voir que peu après l’application initiale de la masse, le matériau a commencé à se déformer et à se déformer considérablement sous la charge. Le matériau a mal supporté la moindre masse, ce qui était prévisible compte tenu de son facteur de forme extrêmement faible.

 

Afin d’améliorer la stabilité du ViscoRing™, un logement a été conçu dans la partie supérieure de la semelle, comme le montre le graphique simplifié. Carbide Base pied, comme le montre le graphique simplifié. Des crêtes ont été ajoutées à des intervalles espacés sur le périmètre du ViscoRing™ pour le contreventer et empêcher le flambage. Les crêtes étaient espacées de façon à ce que la surface soit libre de se bomber entre elles, préservant ainsi les avantages du faible facteur de forme.

 

Au fur et à mesure que le ViscoRing™ se bombe vers l’extérieur, un pourcentage progressivement plus important de la surface du bombement entre en contact avec les crêtes inclinées. Ce facteur de forme croissant avec une augmentation de la masse a donné une fréquence de résonance plus cohérente sur une gamme plus large de masses de charge. Les performances d’isolation de la Carbide Base La performance d’isolation de la semelle est devenue plus constante pour les différentes masses d’appui.

 

La courbe bleue montre le même ViscoRing™ placé dans le logement de la partie supérieure du Carbide Base pied. Une augmentation relativement linéaire de la déformation ou de la déformation verticale avec une application de contrainte ou de masse a été observée. Le matériau ne se déformait pas comme prévu.

 

Les élastomères ne peuvent pas être comprimés dans un volume plus petit. Par conséquent, les élastomères doivent pouvoir être bombés vers l’extérieur afin de se déformer sous une charge. Le ViscoRing™ sélectivement contreventé n’a pas présenté une augmentation soudaine de la pente ou de la rigidité, comme cela aurait été le cas si le matériau avait été empêché de se bomber davantage. Ceci est important, car une faible rigidité ou taux de ressort est nécessaire pour obtenir une faible fréquence de résonance.

 

Au-delà d’environ 11 kg (25lbs), la rigidité du matériau a progressivement commencé à augmenter. Cela est indiqué par une pente plus raide, car une plus grande partie de la surface bombée est entrée en contact avec les crêtes. L’augmentation de la rigidité s’est poursuivie jusqu’à une déformation verticale de 7,6 mm (0,3 in). Il s’agissait de la distance maximale que le boîtier était conçu pour translater afin de protéger le ViscoRing™ d’une surcompression.

Améliorer l’isolation horizontale

Après avoir réussi à utiliser un élastomère à faible facteur de forme pour l’isolation verticale, on souhaitait obtenir des avantages similaires pour l’isolation horizontale. Des élastomères à faible facteur de forme orientés horizontalement et des roulements à billes ont été incorporés pour améliorer encore les performances d’isolation horizontale.

 

L’utilisation de roulements à billes pour assurer une isolation horizontale est un concept bien connu. De nombreuses conceptions intercalent des roulements à billes entre des bagues de roulement incurvées. Les surfaces de roulement incurvées des autres modèles permettent de maintenir les roulements centrés. Ils permettent également de dévier le chemin de transmission de la vibration lorsque les courses supérieure et inférieure se déplacent horizontalement l’une par rapport à l’autre. Cette évasion du chemin de transmission permet une isolation horizontale[1].

 

La conception conçue pour la partie inférieure des Carbide Base Les roulements roulaient sur des bagues plates plutôt que sur des bagues courbes. Les élastomères orientés horizontalement agissent comme des ressorts hautement amortis qui maintiennent le dispositif centré en réponse aux vibrations. Afin de minimiser la déformation et la résistance au roulement, le zirconium a été choisi pour les roulements et l’acier à ressort trempé et poli pour les bagues de roulement. L’isolation horizontale a été réalisée avec un niveau d’amortissement plus élevé que les conceptions précédentes.

Essais de vibrations

Mesure de l’isolation horizontale

Pour évaluer l’amélioration de l’isolation horizontale, une autre expérience a été menée. L’objectif de l’expérience était de quantifier l’amélioration que l’ajout des roulements à billes et des élastomères orientés horizontalement apportait à l’isolation horizontale.

 

Une table de vibration électromagnétique a été utilisée pour générer des vibrations pour l’expérience. Cet outil a été personnalisé pour permettre la génération indépendante ou simultanée de vibrations dans les axes de mouvement X, Y et Z. La table était commandée numériquement par un écran tactile et des cadrans reliés à des variateurs de fréquence (VFD). Ceux-ci ont été utilisés pour moduler avec précision l’amplitude et la fréquence de vibration de la surface de la table.

 

Quatre Carbide Base pieds avec des ViscoRings™ moyens installés ont été placés sur le dessus de la table de vibration. Une plaque d’aluminium lestée d’une masse totale d’environ 45 kg (100 lbs) a ensuite été boulonnée sur le dessus des semelles. Deux capteurs accéléromètres ACH-01 de Measurement Specialties ont été utilisés pour mesurer les vibrations. Le premier capteur a été fixé avec du ruban adhésif double face sur le bord avant de la table de vibration. Le deuxième capteur a été fixé de la même manière au bord avant de la plaque d’aluminium. Chaque capteur était relié à son propre amplificateur de capteur de vibrations étalonné, qui alimentait à son tour son propre multimètre de table. Les relevésVRMS de chaque multimètre ont été utilisés pour déterminer séparément l’accélération subie par la table et la plaque d’aluminium avec 1 mVRMS = 1 m/s2 d’accélération.

Graphique de l’isolement horizontal

La fréquence de vibration avant et arrière (axe Y) a été réglée par incréments de 10 Hz, de 10 Hz à 300 Hz. Les valeursVRMS des deux capteurs ont été tracées à chaque intervalle. L’amplitude de la table a été ajustée pour que la table oscille de manière sinusoïdale avec une accélération d’environ 4 m/s2.

 

En soustrayant la sortie du capteur de la plaque par la sortie du capteur de la table, on obtient la transmission des vibrations par le biais des Carbide Base pieds. Les valeurs positives indiquent une amplification des vibrations à travers le dispositif. Ce phénomène était attendu à des fréquences de vibration proches de la fréquence de résonance du dispositif. Les valeurs négatives indiquent une réduction des vibrations générées par la table. En d’autres termes, une isolation des vibrations qui était souhaitée. Plus la valeur est négative, plus l’isolement est important.

 

La ligne rouge montre les mesures prises avec les Carbide Base pieds sans les roulements à billes et les élastomères orientés horizontalement. Seul l’élastomère ViscoRing™ était utilisé pour l’isolation horizontale. La ligne bleue montre les mesures prises avec les roulements et les élastomères horizontaux en place. L’incorporation de roulements à billes et d’élastomères horizontaux a considérablement amélioré les performances d’isolation horizontale. La réduction de l’amplitude des vibrations était particulièrement prononcée autour de la fréquence de résonance, ce qui indique un niveau d’amortissement plus élevé.

Conclusion

Plusieurs caractéristiques de conception ont été incorporées dans les Carbide Base afin d’utiliser de manière fiable des élastomères à faible facteur de forme pour l’isolation des vibrations à basse fréquence. Les élastomères formés dans des facteurs de forme qui étaient auparavant considérés comme trop instables ont été rendus suffisamment stables grâce à un logement correctement conçu. La combinaison supplémentaire de roulements et d’élastomères orientés horizontalement a encore amélioré l’isolation horizontale. Ces nouvelles caractéristiques ont ensuite été intégrées dans un brevet en instance.

Références

[1] Kemeny, Zoltan A. « Filtre de signal mécanique ». US 6520283 B2, Office des brevets et des marques des États-Unis, 18 février 2003. Brevets Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

Il est connu qu’une enceinte de haut-parleur peut contribuer de manière significative au son total rayonné à ses fréquences de résonance inférieures[1]. Même si la vitesse de surface des panneaux d’un haut-parleur est faible, les panneaux rayonnent avec une efficacité plusieurs fois supérieure à celle des haut-parleurs. Cela est dû à la grande surface de rayonnement des panneaux par rapport à la surface de rayonnement des haut-parleurs. Le son rayonnant des panneaux de l’enceinte peut provoquer une distorsion audible et doit être atténué. L’amortissement des panneaux de l’enceinte est un moyen efficace de réduire l’amplitude des résonances[2].

 

Le but de cette expérience était de déterminer si le placement de pieds sous un haut-parleur pouvait réduire les résonances à basse fréquence dans les panneaux de l’enceinte. Carbide Base sous un haut-parleur pouvait réduire les résonances à basse fréquence dans les panneaux de l’enceinte du haut-parleur. La réduction des résonances des panneaux permettrait de quantifier l’amélioration de la dissipation des vibrations apportée par les semelles. Cette amélioration serait comparée au cas de base de l’enceinte du haut-parleur reposant sur des pointes de plancher en acier sur un sol en béton.

Haut-parleur d’essai

Pour effectuer les tests de vibration, nous avons d’abord construit une enceinte de haut-parleur de test. Nous avons créé notre propre enceinte pour minimiser les variables inconnues qui pourraient influencer les mesures. L’enceinte a été fabriquée à partir de feuilles de polyéthylène haute densité (PEHD), avec des panneaux de 25 mm d’épaisseur à l’extérieur et des panneaux de 50 mm d’épaisseur pour les renforts internes. Deux woofers Accuton AS250-6-552 de 250 mm (10 in) ont été montés sur les côtés opposés de l’enceinte. Les woofers étaient câblés en parallèle à un amplificateur de classe AB. L’enceinte a été scellée avec un volume interne de 129 litres, ce qui donne un Qtc d’environ 0,64. Aucun rembourrage n’était présent à l’intérieur de l’enceinte. La masse totale de l’enceinte avec les woofers montés était de 83 kg (183 lbs.).

Mesures

Cette expérience s’est limitée à mesurer la dissipation des vibrations, qui est différente de l’isolation des vibrations. Pour mesurer l’isolation vibratoire, la source de vibrations et l’endroit où les mesures sont effectuées sont généralement situés sur des côtés opposés du dispositif d’isolation testé. Plus la transmission de l’énergie vibratoire à travers le dispositif vers l’autre côté est faible, plus l’isolation est importante. Il est possible pour un dispositif d’atteindre un niveau élevé d’isolation des vibrations tout en ayant un faible niveau de dissipation des vibrations. Un tel isolateur sous-amorti ne fera pas grand-chose pour éliminer l’énergie vibratoire du système. Les oscillations peuvent persister longtemps après la force d’excitation.

 

Dans notre expérience de dissipation des vibrations, la source de vibrations et le lieu des mesures étaient tous deux situés du même côté du dispositif d’isolation. Les mesures ont été effectuées sur les panneaux extérieurs de l’enceinte du haut-parleur. La source de vibration était la paire de woofers montés dans la même enceinte. La première série de mesures a été prise au centre du fond de l’enceinte. La deuxième série de mesures a été prise sur la partie supérieure du panneau latéral gauche à une hauteur de 76 cm (30 in) au-dessus du fond de l’enceinte. Les mesures ont d’abord été prises avec l’enceinte posée sur des pointes de plancher en acier en contact direct avec un sol en béton. La même mesure a ensuite été prise avec l’enceinte reposant sur des semelles de Carbide Base.

 

Pour mesurer les vibrations, nous avons utilisé un capteur accélérométrique piézoélectrique Measurement Specialties ACH-01. Le capteur a été fixé au boîtier à l’aide de ruban adhésif double face. Un amplificateur avec un processeur de signal analogique intégré a été utilisé pour amplifier la sortie analogique du capteur ACH-01. L’amplificateur a été calibré pour la sensibilité de ce capteur ACH-01 particulier, permettant des mesures d’accélération absolues. À son tour, l’amplificateur du capteur a envoyé sa sortie analogique à une interface USB Tascam US-366 qui a été utilisée pour enregistrer le signal numériquement sur un PC. Un signal sinusoïdal à balayage logarithmique de 35 Hz à 200 Hz a été introduit dans l’amplificateur de classe AB qui alimentait les woofers avec une tension de pilotage de 3,8 V.

 

Les graphiques en cascade ont été générés avec une fenêtre de 500 ms et un temps de montée de 100 ms sur une durée de 400 ms à une résolution d’intervalle de coupe de 4,72 ms. Un graphique en cascade a été utilisé pour montrer la décroissance de l’amplitude des vibrations dans le temps. L’axe des y représente les dB en dessous de la pleine échelle du signal enregistré par rapport au niveau de crête maximum avant écrêtage. L’axe des y a été limité à un minimum de -60 dBFS pour éviter les artefacts du plancher de bruit.

 

Les chutes d’eau bleues représentent les mesures effectuées avec l’enceinte sur des socles en Carbide Base et les chutes d’eau rouges représentent les mesures effectuées avec l’enceinte sur des pointes de plancher en acier en contact direct avec le sol en béton.

Panneau inférieur

Pointes au sol
Sur pieds de Carbide Base

Panneau latéral supérieur

Pointes au sol
Sur pieds de Carbide Base

Résultats

Les mesures ont confirmé que les résonances à basse fréquence à l’intérieur des panneaux de notre enceinte de test étaient atténuées lorsque l’enceinte était placée sur des semelles en Carbide Base au lieu de pointes de plancher. Cet effet d’amortissement s’est produit non seulement localement près du contact avec les semelles, mais aussi à un endroit situé près de l’extrémité opposée de l’enceinte. L’amplitude et le temps de décroissance de la plupart des résonances présentes dans les deux panneaux ont été réduits lorsque le haut-parleur était sur les semelles Carbide Base. Une exception notable était la résonance autour de 150 Hz dans laquelle il y avait une diminution de l’amplitude et une décroissance initialement plus rapide, suivie d’une petite augmentation du temps de décroissance en dessous de -40 dBFS. Dans la région des basses fréquences, où les résonances de l’enceinte sont les plus audibles, l’amplitude des vibrations a été réduite dans certains cas de plus de 80 %.

Références

[1] Bastyr, K. J., & Capone, D. E. (2003). On the acoustic radiation from a loudspeaker’s cabinet. 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, Finlande.