MISURE

I polimeri viscoelastici o gli elastomeri sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di controllo delle vibrazioni grazie al loro elevato livello di smorzamento intrinseco. Gli elastomeri possono anche isolare efficacemente le vibrazioni a bassa frequenza grazie alla loro forma. Il fattore di forma è il termine artistico utilizzato per quantificare le prestazioni di isolamento di una determinata forma di elastomero. Ne consegue che più basso è il fattore di forma, più bassa è la frequenza di risonanza potenziale. Una bassa frequenza di risonanza si traduce tipicamente in un’ampia larghezza di banda per l’isolamento dalle vibrazioni. Ciò è dovuto all’isolamento delle frequenze di vibrazione superiori alla frequenza di risonanza.

 

Per le forme più comuni, il fattore di forma è generalmente definito come:

Fattore di forma =
Superficie media caricata
Superficie di rigonfiamento

La superficie media caricata è la media delle superfici superiore e inferiore che supportano il carico. La superficie di rigonfiamento è la superficie libera di rigonfiarsi perpendicolarmente al carico.

 

La stabilità di un elastomero può essere compromessa al di sotto di un certo fattore di forma, poiché il materiale diventa sempre più alto e stretto. Alcuni produttori di elastomeri raccomandano di non superare un fattore di forma di 0,3 per evitare il buckling, un problema che può causare il ribaltamento dell’apparecchiatura supportata.

 

Quando si progetta l’elastomero ViscoRing™ elastomero utilizzato nei
Carbide Base
piedini, è stato previsto un fattore di forma di 0,17. Questa scelta è stata fatta per spingere la frequenza di risonanza abbastanza in basso, in modo da isolare efficacemente le frequenze udibili più basse.

Migliorare la stabilità

È stato condotto un esperimento per verificare la capacità del ViscoRing™ di sostenere verticalmente un carico ed evitare l’instabilità. L’esperimento consisteva nell’applicare gradualmente una massa e nel misurare la deformazione verticale del materiale. I pesi sono stati applicati sopra il Medium ViscoRing™ con incrementi di 1,13 kg (2,5 libbre) in un ambiente a temperatura ambiente. La distanza di deformazione verticale è stata tracciata sotto forma di curva sforzo-deformazione. L’asse y rappresenta la sollecitazione o la quantità di massa applicata, mentre l’asse x rappresenta la deformazione verticale causata dall’applicazione della massa.

La curva rossa mostra il ViscoRing™ da solo senza custodia. Si può notare che poco dopo l’applicazione iniziale della massa, il materiale ha iniziato a flettersi e a deformarsi notevolmente sotto il carico. Il materiale non è riuscito a sostenere nemmeno una piccola massa, come era prevedibile dato il suo fattore di forma estremamente basso.

 

Per migliorare la stabilità del ViscoRing™, è stato progettato un alloggiamento all’interno della porzione superiore del piedistallo, come mostrato nel grafico semplificato. Carbide Base del piedistallo, come mostrato nel grafico semplificato. Sono state aggiunte delle creste a intervalli distanziati lungo il perimetro del ViscoRing™ per rinforzarlo e prevenire la deformazione. Le creste sono state distanziate tra loro in modo che la superficie fosse libera di rigonfiarsi tra di esse, preservando così i vantaggi del basso fattore di forma.

 

Man mano che il ViscoRing™ si gonfiava verso l’esterno, una percentuale progressivamente maggiore della superficie del rigonfiamento entrava in contatto con le creste inclinate. L’aumento del fattore di forma con l’aumento della massa ha permesso di ottenere una frequenza di risonanza più coerente in una gamma più ampia di masse di carico. Le prestazioni di isolamento del Carbide Base del piedistallo sono diventate più costanti al variare delle masse di supporto.

 

La curva blu mostra lo stesso ViscoRing™ posizionato nell’alloggiamento della parte superiore del piedino. Carbide Base piedistallo. È stato osservato un aumento relativamente lineare della deformazione o della deformazione verticale con l’applicazione di una sollecitazione o di una massa. Il materiale non si deformava come previsto.

 

Gli elastomeri non possono essere compressi in un volume più piccolo. Per questo motivo, gli elastomeri devono essere in grado di deformarsi sotto carico. Il ViscoRing™ con rinforzo selettivo non ha mostrato un aumento improvviso della pendenza o della rigidità, come sarebbe accaduto se al materiale fosse stato impedito di rigonfiarsi ulteriormente. Questo è importante, perché per ottenere una bassa frequenza di risonanza è necessaria una bassa rigidità o un basso tasso elastico.

 

Oltre gli 11 kg circa, la rigidità del materiale inizia gradualmente ad aumentare. Ciò è indicato da una pendenza maggiore, in quanto una parte maggiore della superficie del rigonfiamento è entrata in contatto con le creste. L’aumento della rigidità è continuato fino a una deformazione verticale di 7,6 mm (0,3 pollici). Questa era la distanza massima che l’alloggiamento era stato progettato per traslare al fine di proteggere il ViscoRing™ da una compressione eccessiva.

Migliorare l’isolamento orizzontale

Una volta ottenuto il successo nell’utilizzo di un elastomero a basso fattore di forma per l’isolamento verticale, si volevano ottenere vantaggi analoghi per l’isolamento orizzontale. Per migliorare ulteriormente le prestazioni di isolamento orizzontale sono stati incorporati elastomeri a basso fattore di forma orientati orizzontalmente e cuscinetti a sfera.

 

L’utilizzo di cuscinetti a sfera per garantire l’isolamento orizzontale è un concetto ben noto. Molti progetti prevedono l’interposizione di cuscinetti a sfere tra piste curve. Le superfici curve dei cuscinetti di altri modelli mantengono i cuscinetti centrati. Consentono inoltre di deviare il percorso di trasmissione delle vibrazioni, poiché le corse superiori e inferiori si spostano orizzontalmente l’una rispetto all’altra. Questa elusione del percorso di trasmissione garantisce l’isolamento orizzontale[1].

 

Il progetto ideato per la parte inferiore dei Carbide Base piedini era diverso, in quanto i cuscinetti rotolavano su piste piane anziché curve. Gli elastomeri orientati orizzontalmente hanno agito come molle altamente smorzate, mantenendo il dispositivo centrato in risposta alle vibrazioni. Per ridurre al minimo la deformazione e la resistenza al rotolamento, è stato scelto lo zirconio per i cuscinetti e l’acciaio per molle temprato e lucidato per le piste dei cuscinetti. L’isolamento orizzontale è stato ottenuto con un livello di smorzamento più elevato rispetto ai progetti precedenti.

Test di vibrazione

Misurazione dell’isolamento orizzontale

Per valutare il miglioramento dell’isolamento orizzontale è stato condotto un altro esperimento. L’obiettivo dell’esperimento era quello di quantificare i miglioramenti apportati dall’aggiunta dei cuscinetti a sfera e degli elastomeri orientati orizzontalmente per l’isolamento orizzontale.

 

Per generare le vibrazioni per l’esperimento è stata utilizzata una tavola vibrante elettromagnetica. Questo strumento è stato personalizzato per consentire la generazione indipendente o simultanea di vibrazioni sugli assi X, Y e Z del movimento. Il tavolo è stato controllato digitalmente tramite un touch screen e quadranti collegati a inverter a frequenza variabile (VFD). Questi sono stati utilizzati per modulare con precisione l’ampiezza e la frequenza di vibrazione della superficie del tavolo.

 

Quattro Carbide Base I piedini con ViscoRings™ medi installati sono stati posizionati sopra la tavola vibrante. Una piastra di alluminio zavorrata, con una massa totale di circa 45 kg, è stata poi imbullonata sopra i piedritti. Per misurare le vibrazioni sono stati utilizzati due sensori accelerometrici ACH-01 di Measurement Specialties. Il primo sensore è stato fissato con nastro biadesivo al bordo anteriore della tavola vibrante. Il secondo sensore è stato fissato in modo analogo al bordo anteriore della piastra di alluminio. Ogni sensore è stato collegato al proprio amplificatore calibrato per sensori di vibrazione, che a sua volta alimentava il proprio multimetro da banco. Le lettureVRMS di ciascun multimetro sono state utilizzate per determinare separatamente l’accelerazione subita dal tavolo e dalla piastra di alluminio con 1 mVRMS = 1 m/s2 di accelerazione.

Grafico dell’isolamento orizzontale

La frequenza di vibrazione in avanti e indietro (asse Y) è stata impostata con incrementi di 10 Hz da 10 Hz a 300 Hz. I valoriVRMS di entrambi i sensori sono stati tracciati ad ogni intervallo. L’ampiezza del tavolo è stata regolata in modo da garantire un’oscillazione sinusoidale con un’accelerazione di circa 4 m/s2 .

 

Sottraendo l’uscita del sensore della piastra dall’uscita del sensore del tavolo si è ottenuta la trasmissione delle vibrazioni attraverso i piedini. Carbide Base piedini. I valori positivi indicano un’amplificazione delle vibrazioni attraverso il dispositivo. Ciò era previsto a frequenze di vibrazione intorno alla frequenza di risonanza del dispositivo. I valori negativi indicano una riduzione delle vibrazioni generate dal tavolo. In altre parole, l’isolamento delle vibrazioni che si desiderava ottenere. Più il valore è negativo, maggiore è l’isolamento.

 

La linea rossa mostra le misure effettuate con i Carbide Base piedini senza i cuscinetti a sfera e gli elastomeri orientati orizzontalmente. Per l’isolamento orizzontale è stato utilizzato solo l’elastomero ViscoRing™. La linea blu mostra le misure effettuate con i cuscinetti e gli elastomeri orizzontali in posizione. L’incorporazione di cuscinetti a sfera ed elastomeri orizzontali ha migliorato notevolmente le prestazioni di isolamento orizzontale. La riduzione dell’ampiezza delle vibrazioni è stata particolarmente pronunciata intorno alla frequenza di risonanza, indicando un livello di smorzamento più elevato.

Conclusione

I piedini sono stati progettati in modo da utilizzare elastomeri a basso fattore di forma Carbide Base per utilizzare in modo affidabile gli elastomeri a basso fattore di forma ai fini dell’isolamento dalle vibrazioni a bassa frequenza. Gli elastomeri formati in fattori di forma che in precedenza erano considerati troppo instabili sono stati resi sufficientemente stabili con un alloggiamento adeguatamente progettato. La combinazione aggiuntiva di cuscinetti ed elastomeri orientati orizzontalmente ha migliorato ulteriormente l’isolamento orizzontale. Queste caratteristiche inedite sono state successivamente incorporate in un brevetto in corso di registrazione.

Riferimenti

[1] Kemeny, Zoltan A. “Filtro di segnale meccanico”. US 6520283 B2, Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti, 18 febbraio 2003. Brevetti Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

È noto che la cassa di un altoparlante può contribuire significativamente al suono totale irradiato alle sue frequenze di risonanza inferiori[1]. Anche se la velocità superficiale dei pannelli di un altoparlante è piccola, i pannelli irradiano con un’efficienza molte volte superiore a quella degli altoparlanti. Questo è dovuto alla grande area radiante dei pannelli rispetto all’area radiante degli altoparlanti. Il suono che si irradia dai pannelli dell’involucro può impartire una distorsione udibile e dovrebbe essere mitigato. Smorzare i pannelli dell’involucro è un modo efficace per ridurre l’ampiezza delle risonanze[2].

 

L’obiettivo di questo esperimento era quello di determinare se il posizionamento Carbide Base piedini sotto un altoparlante potrebbe ridurre le risonanze a bassa frequenza all’interno dei pannelli del recinto dell’altoparlante. La riduzione delle risonanze dei pannelli aiuterebbe a quantificare il miglioramento della dissipazione delle vibrazioni fornito dai piedini. Questo miglioramento verrebbe paragonato al caso di base dell’involucro dell’altoparlante seduto su picchetti d’acciaio su un pavimento di cemento.

Test Loudspeaker

Per eseguire i test di vibrazione abbiamo prima costruito un involucro per altoparlanti di prova. Abbiamo creato il nostro recinto per ridurre al minimo le variabili sconosciute che potrebbero influenzare le misurazioni. L’involucro è stato lavorato da fogli di polietilene ad alta densità (HDPE) con pannelli spessi 25 mm (1 in) usati all’esterno e pannelli spessi 50 mm (2 in) utilizzati per i rinforzi interni. Due woofer Accuton AS250-6-552 da 250 mm (10 pollici) sono stati montati sui lati opposti del cabinet. I woofer sono stati cablati in parallelo a un amplificatore di classe AB. Il recinto è stato sigillato con un volume interno di 129 litri che produce un Qtc di circa 0,64. Nessuna imbottitura era presente all’interno del recinto. La massa totale dell’involucro con i woofer montati era di 83 kg (183 lbs.).

Misure

Questo esperimento si è limitato a misurare la dissipazione delle vibrazioni, che è diversa dall’isolamento delle vibrazioni. Per misurare l’isolamento dalle vibrazioni, la fonte di vibrazioni e il luogo in cui vengono effettuate le misure sono tipicamente su lati opposti del dispositivo di isolamento in prova. Minore è la trasmissione dell’energia di vibrazione attraverso il dispositivo all’altro lato, maggiore è l’isolamento. È possibile per un dispositivo raggiungere un alto livello di isolamento dalle vibrazioni ma avere un basso livello di dissipazione delle vibrazioni. Un tale isolatore sottosmorzato farà poco per rimuovere l’energia di vibrazione dal sistema. Le oscillazioni possono persistere a lungo dopo la forza di eccitazione.

 

Nel nostro esperimento di dissipazione delle vibrazioni, la fonte delle vibrazioni e il luogo delle misurazioni erano entrambi situati sullo stesso lato del dispositivo di isolamento. Le misurazioni sono state effettuate su pannelli esterni della cassa dell’altoparlante. La fonte di vibrazioni era la coppia di woofer montati nella stessa cassa. La prima serie di misurazioni è stata presa sul centro inferiore dell’involucro. La seconda serie di misurazioni è stata presa sulla porzione superiore del pannello laterale sinistro ad un’altezza di 76 cm (30 in) sopra il fondo del recinto. Le misurazioni sono state effettuate prima con il recinto seduto su picchetti di acciaio a contatto diretto con un pavimento di cemento. Anche in questo caso la stessa misura è stata presa con la copertura seduta sui piedini di Carbide Base.

 

Per misurare le vibrazioni abbiamo utilizzato un sensore accelerometrico piezoelettrico Measurement Specialties ACH-01. Il sensore è stato fissato all’involucro con del nastro biadesivo. Un amplificatore con un processore di segnale analogico integrato è stato utilizzato per amplificare l’uscita analogica del sensore ACH-01. L’amplificatore è stato calibrato per la sensibilità di questo particolare sensore ACH-01 consentendo misure di accelerazione assoluta. A sua volta l’amplificatore del sensore ha alimentato la sua uscita analogica in un’interfaccia USB Tascam US-366 che è stata utilizzata per registrare il segnale digitalmente su un PC. Un segnale sinusoidale log swept da 35 Hz a 200 Hz è stato alimentato nell’amplificatore di classe AB che alimentava i woofer con una tensione di pilotaggio di 3.8V.

 

I grafici a cascata sono stati generati con una finestra di 500 ms e un tempo di salita di 100 ms su una durata di 400 ms a una risoluzione di intervallo di fetta di 4,72 ms. Un grafico a cascata è stato utilizzato per mostrare il decadimento dell’ampiezza della vibrazione nel tempo. L’asse y rappresenta i dB sotto il fondo scala del segnale registrato rispetto al livello di picco massimo prima del clipping. L’asse y è stato limitato a un minimo di -60 dBFS per evitare artefatti di rumore di fondo.

 

Le cascate blu rappresentano le misurazioni con la copertura su piedini Carbide Base e le cascate rosse rappresentano con la copertura su punte da pavimento in acciaio a diretto contatto con il pavimento in cemento.

Pannello inferiore

Sui picchi del pavimento
Su piedini a Carbide Base

Pannello laterale superiore

Sui picchi del pavimento
Su piedini a Carbide Base

Risultati

Le misurazioni hanno confermato che le risonanze a bassa frequenza all’interno dei pannelli del nostro diffusore di prova sono state attenuate quando il diffusore è stato posizionato su piedini Carbide Base invece che su punte da pavimento. Questo effetto di smorzamento si è verificato non solo localmente vicino al contatto con i piedini, ma anche in un punto vicino all’estremità opposta del recinto. L’ampiezza e il tempo di decadimento della maggior parte delle risonanze presenti in entrambi i pannelli è stato ridotto quando l’altoparlante era sui piedini Carbide Base. Una notevole eccezione era la risonanza intorno a 150 Hz in cui c’era una diminuzione dell’ampiezza e un decadimento inizialmente più veloce, seguita da un piccolo aumento del tempo di decadimento sotto -40 dBFS. Nella regione di frequenza più bassa, dove le risonanze dell’involucro sono più udibili, l’ampiezza delle vibrazioni è stata ridotta in alcuni casi di oltre l’80%.

Riferimenti

[1] Bastyr, K. J., & Capone, D. E. (2003). Sulla radiazione acustica dal cabinet di un altoparlante. 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.