Omijanie ścieżki transmisji

Omijanie ścieżki transmisji

 

Podczas projektowania naszej Carbide Base Diamond stopkę, przeprowadziliśmy eksperymenty w celu ilościowego określenia korzyści płynących z unikania ścieżki transmisji.
Jest to koncepcja mająca na celu poprawę wydajności konstrukcji izolatorów drgań, które wykorzystują łożyska kulkowe toczące się w zakrzywionych bieżniach łożysk.

 

Po pierwsze, wyjaśnienie unikania ścieżki transmisji.
Gdy łożysko kulkowe toczące się w zakrzywionej bieżni łożyska napotka drgania, energia drgań w postaci fali dźwiękowej przedostanie się do łożyska.
Fala dźwiękowa dociera z punktu na łożysku, który w danym momencie styka się z wibrującą bieżnią.
Po tym, jak fala dźwiękowa przejdzie przez łożysko, dotrze na drugą stronę i większość energii odbije się z powrotem do punktu wejścia.

 

Łożysko toczące się w teoretycznie idealnie zakrzywionej bieżni będzie w stałym, niezakłóconym ruchu, gdy zostanie poddane wibracjom.
Tak więc, zanim fala dźwiękowa odbije się z powrotem do punktu wejścia, łożysko prawdopodobnie obróci się z pozycji, w której znajdowało się w momencie wejścia fali dźwiękowej.
Ponieważ pierwotny punkt wejścia nie styka się już z powierzchnią bieżni, ścieżka wyjścia odbitej fali dźwiękowej zostaje odcięta.
Fala dźwiękowa zostanie następnie załamana i rozproszona wewnątrz łożyska, a następnie rozproszona w postaci ciepła.

 

Bieżnia łożyska nigdy nie jest jednak idealna.
Łożysko kulkowe skupia nacisk w nieskończenie małym punkcie.
Nacisk ten nieuchronnie spowoduje wgłębienie w bieżni łożyska, gdy przyłożone zostanie wystarczające obciążenie.
Średnica wgłębienia zależy od masy ładunku, promienia łożyska, promienia krzywizny bieżni oraz twardości materiału bieżni[1].

 

Niekorzystne skutki wgłębienia w szynie prądowej

Obecność wgłębienia w bieżni łożyska negatywnie wpływa na wydajność izolacji drgań na 2 sposoby:

  1. Zwiększa to tarcie, co oznacza, że łożysko będzie wymagało większej siły do wprawienia w ruch bieżni.
    Zmniejsza to zdolność urządzenia do reagowania, a tym samym izolowania drgań o małej amplitudzie.
  2. Łożysko pozostanie w stałym kontakcie z wgłębieniem przez część swojego ruchu w bieżni.
    Jeśli czas spędzony w kontakcie z wgłębieniem jest dłuższy niż czas potrzebny fali dźwiękowej na przejście przez łożysko i z powrotem, odbita fala dźwiękowa będzie mogła wydostać się z powrotem przez miejsce kontaktu wejściowego.

Przykład omijania ścieżki transmisji

Poniższe 2 przykłady ilustrują różne skutki, jakie rozmiar wcięcia bieżni może mieć na unikanie ścieżki transmisji.

Omijanie ścieżki transmisji Przykład 1: Małe wcięcie

Czerwona fala dźwiękowa wibracji wchodzi do łożyska w punkcie styku wzdłuż wgłębienia. Niebieska fala dźwiękowa zaczyna przemierzać średnicę łożyska. Po dotarciu do końca, część energii odbija się z powrotem do punktu wejścia.

Po krótkim czasie górna bieżnia przesunęła się w odpowiedzi na wibracje, obracając łożysko w tym procesie.
Łożysko toczy się teraz po pochyłości bieżni w taki sposób, że pierwotny punkt wejścia fali dźwiękowej nie ma już kontaktu z bieżnią.
Bez drogi wyjścia niebieskiej fali dźwiękowej z powrotem do bieżni, odbija się ona w łożysku, aż zostanie rozproszona w postaci ciepła.

Przykład omijania ścieżki transmisji 2: Duże wcięcie

Podobnie jak w przykładzie 1 powyżej, czerwona fala dźwiękowa wchodzi do łożyska w punkcie kontaktu z wgłębieniem. Niebieska fala dźwiękowa rozchodzi się po łożysku i odbija z powrotem.

Duże wgłębienie nadal styka się z punktem wejścia do czasu, gdy niebieska fala dźwiękowa odbije się z powrotem. Odbita fala dźwiękowa jest zatem w stanie przedostać się z powrotem do bieżni przez ten sam punkt wejścia.

Czynniki wpływające na unikanie ścieżki transmisji

Poniżej przedstawiono 4 czynniki, które wpływają na zdolność unikania ścieżki transmisji przez łożysko kulkowe toczące się w zakrzywionej bieżni.
Pod każdym czynnikiem opisujemy elementy projektu, które włączyliśmy do nowego 3. etapu izolacji w naszej stopce. Carbide Base Diamond stopce.

Okres wahadła

Łożysko toczące się w zakrzywionej bieżni będzie działać jak nieliniowe wahadło.
Równoważna długość wahadła jest związana z różnicą promienia krzywizny bieżni i promienia łożyska.
Im większa różnica, tym większa długość wahadła, a tym samym jego okres.
Gdy okres wahadła jest długi, a wgłębienie małe, łożysko styka się z wgłębieniem przez stosunkowo niewielką ilość czasu.

 

Zaprojektowaliśmy nasze bieżnie łożysk tak, aby miały duży promień krzywizny w stosunku do średnicy łożyska, aby uzyskać długi okres wahadła.
Jest to idealne rozwiązanie, ponieważ skraca względny czas, w którym odbite fale dźwiękowe mają szansę wydostać się z łożyska przez punkt wejścia wzdłuż wgłębienia.
Obniża również naturalną częstotliwość izolatora, aby poprawić izolację niskich częstotliwości.

Prędkość dźwięku w łożysku

Prędkość dźwięku w materiale łożyska będzie miała wpływ na czas potrzebny fali dźwiękowej na przejście przez łożysko, a następnie powrót do punktu wejścia.
Materiał o niskiej prędkości dźwięku jest idealny, ponieważ fala dźwiękowa potrzebuje więcej czasu, aby powrócić do punktu wejścia.
Daje to więcej czasu na obrót łożyska obok wgłębienia, zanim fala dźwiękowa powróci do punktu wejścia.

 

Spośród materiałów ceramicznych powszechnie stosowanych w łożyskach kulkowych, tlenek cyrkonu wyróżnia się niską wzdłużną prędkością dźwięku.
Tlenek cyrkonu ma również lepsze właściwości tłumienia drgań niż wiele innych materiałów ceramicznych[2].
To właśnie z tych powodów, oprócz wysokiej wytrzymałości, łożyska cyrkonowe są wykorzystywane w naszej stopce Carbide Base.

Twardość
Prędkość dźwięku
Maksymalne tłumienie
Średnica łożyska

Średnica łożyska dyktuje odległość, jaką fala dźwiękowa musi pokonać w łożysku.
Duża średnica jest idealna, ponieważ zwiększa odległość, a tym samym czas, jaki fala dźwiękowa musi pokonać przed powrotem do punktu wejścia.

 

Łożyska zastosowane w nowym 3. stopniu izolacji stopki mają stosunkowo dużą średnicę – największą, jaka zmieściłaby się w obudowie. Carbide Base Diamond mają stosunkowo dużą średnicę – największą, jaka zmieści się w obudowie.
Przy większych rozmiarach bieżnia musi być tak płytka, że mogą wystąpić problemy z utrzymaniem niezawodnego wyśrodkowania łożyska.

Twardość prowadnicy

Bieżnia łożyska o wysokiej twardości jest idealna, ponieważ będzie lepiej odporna na odkształcenia spowodowane kontaktem z łożyskiem.

Aby osiągnąć wysoką twardość, bieżnie łożysk w 3. stopniu izolacji naszej stopki Carbide Base Diamond są obrabiane z litej ceramiki przy użyciu narzędzi diamentowych.
Po obróbce bieżnie poddawane są procesowi polerowania w celu uzyskania gładkiego wykończenia powierzchni.
Dokładne polerowanie ma na celu zminimalizowanie niedoskonałości powierzchni, które mogłyby utrudniać toczenie się łożyska kulkowego w odpowiedzi na drgania o małej amplitudzie.

 

Po polerowaniu bieżnie łożysk są pokrywane amorficznym diamentem w procesie fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD).
Ta zewnętrzna warstwa ma ekstremalną twardość do 6500 HV.
Diament PVD ma również niski współczynnik tarcia wynoszący około 0,10 lub około 1/10 współczynnika tarcia polerowanej stali.
To dodatkowo zmniejsza opory toczenia łożysk w ich bieżniach.

Pomiar wgłębienia bieżni łożyska

Przeprowadzono eksperyment w celu analizy wgniecenia bieżni łożyska spowodowanego przez łożysko kulkowe.
Obciążnik o wadze 90 kg (200 funtów) został nałożony na łożysko cyrkonowe o średnicy 4 mm osadzone w bieżniach o podobnych krzywiznach wykonanych z aluminium 7075 T6, stali hartowanej 1095 i ceramiki pokrytej powłoką diamentową PVD z naszej Carbide Base Diamond stopki.
Następnie za pomocą mikroskopu zmierzono średnicę wgłębienia na powierzchni bieżni różnych materiałów.

Materiał

Aluminium 7075 T6

Materiał

Stal hartowana 1095

Materiał

Ceramika powlekana diamentem PVD

Twardość powierzchni

180 HV

Twardość powierzchni

830 HV

Twardość powierzchni

Do 6500 HV

Średnica wgłębienia

875 μm

Średnica wgłębienia

254 μm

Średnica wgłębienia

Niewykrywalne przy powiększeniu 20x

Pomiary izolacji drgań

Poniższe pomiary zostały wykonane przy użyciu procesu podobnego do naszego badania projektów stopek audio. Dwudrożny głośnik i subwoofer zostały umieszczone na betonowej podłodze. Oddzielne ładunki o masie 3,6 kg (8 funtów) zostały umieszczone na 3 kolcach, stopce Carbide Base stopki i Carbide Base Diamond stopce. Urządzenie Super Light ViscoRing™ zostało zainstalowane w obu stopkach. Sygnały sinusoidalne były następnie odtwarzane przez głośnik i subwoofer.
Czujniki akcelerometryczne przymocowane do ładunków zostały wykorzystane do pomiaru drgań poziomych przechodzących przez urządzenia.

Pomiary głośników

Logarytmiczne wzbudzenie sinusoidalne od 30 Hz do 8 kHz.
Wibracje poziome mierzone ze wzmocnieniem 20 dB przy użyciu czujnika akcelerometru ACH-01.

Kolce
Carbide Base
Carbide Base Diamond

Pomiary subwoofera

Logarytmiczne wzbudzenie sinusoidalne od 10 Hz do 500 Hz.
Wibracje poziome mierzone bez wzmocnienia za pomocą czujnika akcelerometru ACH-01.

Kolce
Carbide Base
Carbide Base Diamond

Wniosek

Wydajność izolacji drgań naszej Carbide Base Diamond stopki wykazała znaczną poprawę po dodaniu nowego 3. stopnia izolacji.
Projektując z myślą o omijaniu ścieżek transmisji, byliśmy w stanie osiągnąć wyższy poziom izolacji i rozpraszania drgań.
Amplituda i zanik drgań były mierzalnie lepsze pomimo i tak już wysokiego poziomu wydajności standardowej stopki Carbide Base.
Poprawa dotyczyła wszystkich słyszalnych częstotliwości, ale najbardziej znacząca była w obszarze basów.

Referencje

[1] Kemeny, Zoltan A. „Mechaniczny filtr sygnałowy”.
US 6520283 B2, Urząd Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych, 18 lutego 2003 r.
Patenty Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

 

[2] Zhang, J., Perez, R. J., and Lavernia, E. J., „Documentation of damping capacity of metallic, ceramic and metal-matrix composite materials”, Journal of Materials Science, Vol.
28, nr 9, s. 2395-2404, 1993.
doi:10.1007/BF01151671