Evasione del percorso di trasmissione

Durante la progettazione del nostro footer Carbide-Base, abbiamo condotto degli esperimenti per quantificare i vantaggi dell’evasione del percorso di trasmissione. Si tratta di un concetto per migliorare le prestazioni dei modelli di isolatori di vibrazioni che utilizzano cuscinetti a sfera che rotolano in piste di rotolamento curve.

Innanzitutto, una spiegazione dell’elusione del percorso di trasmissione. Quando un cuscinetto a sfere che rotola in una pista curva incontra una vibrazione, l’energia di vibrazione sotto forma di onda sonora entra nel cuscinetto. L’onda sonora entra da un punto del cuscinetto che è in contatto con la pista vibrante in quel determinato istante. Dopo che l’onda sonora attraversa il cuscinetto, raggiungerà l’altro lato e gran parte dell’energia si rifletterà verso il punto di ingresso.

Un cuscinetto che rotola in una pista curva teoricamente perfetta sarà in movimento costante e senza ostacoli quando viene sottoposto a vibrazioni. Quindi, nel momento in cui l’onda sonora si riflette verso il punto di ingresso, il cuscinetto avrà probabilmente ruotato rispetto alla posizione in cui si trovava al momento dell’ingresso dell’onda sonora. Poiché il punto di ingresso originale non è più in contatto con la superficie della pista, il percorso di uscita dell’onda sonora riflessa viene interrotto. L’onda sonora si rifrange e si disperde all’interno del cuscinetto e alla fine si dissipa come calore.

Tuttavia, una pista per cuscinetti non è mai perfetta. Un cuscinetto a sfera concentra la pressione in un punto infinitamente piccolo. Questa pressione causerà inevitabilmente una rientranza nella pista del cuscinetto, quando viene applicato un carico sufficiente. Il diametro dell’impronta dipende dal peso del carico utile, dal raggio del cuscinetto, dal raggio di curvatura della pista e dalla durezza del materiale della pista[1].

Effetti negativi di una rientranza della pista

La presenza di una rientranza nella pista del cuscinetto influisce negativamente sulle prestazioni di isolamento dalle vibrazioni in due modi:

Aumenta la stiction, il che significa che il cuscinetto richiederà una forza maggiore per mettersi in movimento all’interno della pista. Questo riduce la capacità del dispositivo di rispondere e quindi di isolare le vibrazioni di piccola ampiezza.
Il cuscinetto rimarrà in contatto sostenuto con l’impronta per una parte del suo movimento all’interno della pista. Se il tempo trascorso a contatto con la rientranza è più lungo del tempo necessario a un’onda sonora per attraversare il cuscinetto e tornare indietro, l’onda sonora riflessa sarà in grado di uscire di nuovo attraverso la posizione di contatto di ingresso.

Esempio di evasione del percorso di trasmissione

I 2 esempi seguenti illustrano i diversi effetti che le dimensioni delle rientranze delle piste possono avere sull’evasione del percorso di trasmissione.

Esempio di evasione del percorso di trasmissione 1: piccola rientranza

L’onda sonora rossa di una vibrazione entra nel cuscinetto nel punto di contatto lungo la dentellatura. L’onda sonora blu inizia a percorrere il diametro del cuscinetto. Una volta raggiunta la fine, una parte dell’energia si riflette verso il punto di ingresso.

Dopo un breve periodo di tempo, la pista superiore si è spostata in risposta alla vibrazione, facendo ruotare il cuscinetto nel processo. Il cuscinetto sta ora rotolando sulle pendenze delle piste, in modo tale che il punto di ingresso originale dell’onda sonora non sia più a contatto con la pista. Senza un percorso che permetta all’onda sonora blu di uscire e rientrare nella pista, essa si riflette all’interno del cuscinetto fino a quando non viene dissipata sotto forma di calore.

Esempio di evasione del percorso di trasmissione 2: Grande rientranza

Analogamente all’esempio 1, l’onda sonora rossa entra nel cuscinetto nel punto di contatto con la rientranza. L’onda sonora blu si propaga attraverso il cuscinetto e si riflette di nuovo.

La grande rientranza è ancora a contatto con il punto di ingresso quando l’onda sonora blu si è riflessa. L’onda sonora riflessa è quindi in grado di tornare nella canalina attraverso lo stesso punto di ingresso.

Fattori che influenzano l’evasione del percorso di trasmissione

Di seguito sono riportati 4 fattori che influenzano la capacità di evasione del percorso di trasmissione di un cuscinetto a sfere che rotola in una pista curva. Sotto ogni fattore descriviamo gli elementi di design che abbiamo incorporato nel nuovo 3° stadio di isolamento nel nostro piedistallo Carbide Base Diamond.

Periodo del pendolo

Un cuscinetto che rotola in una pista curva si comporta come un pendolo non lineare. La lunghezza equivalente del pendolo è legata alla differenza tra il raggio di curvatura della pista e il raggio del cuscinetto. Maggiore è la differenza, maggiore è la lunghezza del pendolo e quindi il suo periodo. Quando il periodo del pendolo è lungo e la rientranza è piccola, viene trascorsa una quantità di tempo relativamente piccola con il cuscinetto a contatto con la rientranza.

Abbiamo progettato le nostre piste di rotolamento dei cuscinetti con un ampio raggio di curvatura rispetto al diametro del cuscinetto, per ottenere un lungo periodo di pendolo. Questo è ideale perché riduce il tempo relativo in cui le onde sonore riflesse hanno la possibilità di sfuggire al cuscinetto attraverso il punto di ingresso lungo l’impronta. Inoltre, abbassa la frequenza naturale dell’isolatore per migliorare l’isolamento delle basse frequenze.

Velocità del suono nel cuscinetto

La velocità del suono nel materiale del cuscinetto influisce sul tempo necessario a un’onda sonora per attraversare il cuscinetto e poi tornare al punto di ingresso. Un materiale con bassa velocità del suono è ideale, poiché l’onda sonora impiegherà più tempo per tornare al punto di ingresso. In questo modo, il cuscinetto ha più tempo per ruotare oltre la rientranza prima che l’onda sonora ritorni al punto di ingresso.

Tra le ceramiche comunemente utilizzate per i cuscinetti a sfera, l’ossido di zirconio si distingue per la sua bassa velocità sonora longitudinale. La zirconia ha anche migliori proprietà di smorzamento delle vibrazioni rispetto a molte altre ceramiche[2]. È per questi motivi, oltre che per l’elevata tenacità, che i cuscinetti in zirconio sono utilizzati in tutto il nostro piedistallo Carbide Base.

Durezza

Velocità del suono

Smorzamento massimo

Diametro del cuscinetto

Il diametro del cuscinetto determina la distanza che l’onda sonora deve percorrere all’interno del cuscinetto. Un diametro elevato è ideale perché aumenta la distanza e quindi il tempo che l’onda sonora deve percorrere prima di tornare al punto di ingresso.

I cuscinetti utilizzati nel nuovo 3° stadio di isolamento del piedistallo Carbide Base Diamond hanno un diametro relativamente grande, il più grande che possa essere inserito nell’alloggiamento. Se è più grande, la pista di rotolamento deve essere resa così poco profonda che può avere problemi a mantenere il cuscinetto centrato in modo affidabile.

Durezza della pista

Una pista di rotolamento del cuscinetto con una durezza elevata è ideale, in quanto resisterà meglio alla deformazione causata dal contatto con il cuscinetto.

Per ottenere un’elevata durezza, le piste dei cuscinetti nel terzo stadio di isolamento del nostro piedistallo con Carbide Base diamantato sono lavorate in ceramica solida con utensili diamantati. Dopo la lavorazione, le piste vengono sottoposte a un processo di lucidatura per ottenere una finitura superficiale liscia. La lucidatura accurata serve a minimizzare le imperfezioni della superficie che potrebbero ostacolare la capacità del cuscinetto a sfere di rotolare in risposta a vibrazioni di piccola ampiezza.

Dopo la lucidatura, le piste dei cuscinetti vengono rivestite con diamante amorfo mediante un processo di deposizione fisica da vapore (PVD). Questo strato esterno ha una durezza estrema, fino a 6500 HV. Il diamante PVD ha anche un basso coefficiente di attrito, pari a circa 0,10 o circa 1/10 di quello dell’acciaio lucidato. Questo riduce ulteriormente la resistenza al rotolamento dei cuscinetti all’interno delle loro piste.

Misurazione dell’indentazione della pista del cuscinetto

È stato condotto un esperimento per analizzare l’indentazione delle piste dei cuscinetti causata da un cuscinetto a sfere. Un peso di 90 kg (200 libbre) è stato applicato sopra un cuscinetto in zirconia di 4 mm di diametro, alloggiato in piste di rotolamento con curvature simili, realizzate in alluminio 7075 T6, acciaio temprato 1095 e ceramica rivestita di diamante PVD del nostro piedistallo Carbide Base Diamond. È stato poi utilizzato un microscopio per misurare il diametro dell’indentazione sulle superfici delle piste dei vari materiali.

Materiale

Alluminio 7075 T6

Durezza della superficie

180 HV

Diametro dell’indentazione

875 μm

Materiale

Acciaio 1095 temprato

Durezza della superficie

830 HV

Diametro dell’indentazione

254 μm

Materiale

Ceramica con rivestimento diamantato PVD

Durezza della superficie

Fino a 6500 HV

Diametro dell’indentazione

Non rilevabile con ingrandimento 20x

Misure di isolamento dalle vibrazioni

Le seguenti misurazioni sono state effettuate utilizzando un processo simile a quello del nostro Sondaggio sui design dei piedini audio. Un altoparlante a 2 vie e un subwoofer sono stati posizionati su un pavimento di cemento. I carichi utili separati da 3,6 kg (8 libbre) sono stati collocati in cima a 3 punte, a un piedistallo di Carbide Base e a un piedistallo di Carbide Base diamante Carbide Base. Il Super Light ViscoRing™ è stato installato in entrambi i piedini. I segnali sinusoidali log swept sono stati poi riprodotti attraverso l’altoparlante e il subwoofer. I sensori accelerometrici collegati ai carichi utili sono stati utilizzati per misurare le vibrazioni orizzontali che passano attraverso i dispositivi.

Misure degli altoparlanti

Eccitazione sinusoidale log swept da 30 Hz a 8 kHz. Vibrazioni orizzontali misurate con un guadagno di 20 dB, utilizzando un sensore accelerometro ACH-01.

Spighe

Carbide Base

Diamante di Carbide Base

Misure del subwoofer

Eccitazione sinusoidale log swept da 10 Hz a 500 Hz. Le vibrazioni orizzontali sono state misurate senza guadagno, utilizzando un sensore accelerometrico ACH-01.

Spighe

Carbide Base

Diamante di Carbide Base

Conclusione

Le prestazioni di isolamento dalle vibrazioni del nostro piedistallo Carbide Base Diamond hanno dimostrato un netto miglioramento con l’aggiunta del nuovo terzo stadio di isolamento. Progettando tenendo conto dell’evasione del percorso di trasmissione, siamo riusciti a raggiungere un livello superiore di isolamento e dissipazione delle vibrazioni. L’ampiezza e il decadimento delle vibrazioni sono stati misuratamente migliori, nonostante il livello di prestazioni già elevato del piedistallo standard Carbide Base. Il miglioramento riguarda tutte le frequenze udibili, ma è più significativo nella regione dei bassi.

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

[2] Zhang, J., Perez, R. J., e Lavernia, E. J., “Documentazione della capacità di smorzamento di materiali metallici, ceramici e compositi a matrice metallica”, Journal of Materials Science, vol. 28, n. 9, pp. 2395-2404, 1993. doi:10.1007/BF01151671