POMIARY

Polimery lub elastomery lepkosprężyste są szeroko stosowane w aplikacjach kontroli drgań ze względu na ich wysoki poziom tłumienia. Elastomery mogą również skutecznie izolować drgania o niskiej częstotliwości, ponieważ są formowane w określone kształty. Współczynnik kształtu to termin artystyczny stosowany do ilościowego określenia właściwości izolacyjnych danego kształtu elastomeru. Wynika z tego, że im niższy jest współczynnik kształtu, tym niższa jest potencjalna częstotliwość rezonansowa. Niska częstotliwość rezonansowa zwykle zapewnia szerokie pasmo izolacji drgań. Jest to spowodowane izolacją częstotliwości drgań powyżej częstotliwości rezonansowej.

 

Dla większości popularnych kształtów współczynnik kształtu jest zwykle definiowany jako:

Współczynnik kształtu =
Średnia powierzchnia obciążona
Powierzchnia wypukłości

Średnia powierzchnia obciążona to średnia powierzchni górnej i dolnej podtrzymującej obciążenie. Powierzchnia wybrzuszenia to powierzchnia, która może wybrzuszyć się prostopadle do obciążenia.

 

Stabilność elastomeru może być zagrożona poniżej pewnego współczynnika kształtu, ponieważ materiał staje się coraz wyższy i coraz węższy. Niektórzy producenci elastomerów zalecają utrzymanie współczynnika kształtu powyżej 0,3, aby zapobiec wyboczeniu – problemowi, który może spowodować przewrócenie się podtrzymywanego sprzętu.

 

Podczas projektowania ViscoRing™ elastomeru zastosowanego w
Carbide Base
w stopkach, zaplanowano współczynnik kształtu 0,17. Zostało to wybrane w celu przesunięcia częstotliwości rezonansowej na tyle nisko, aby najniższe słyszalne częstotliwości mogły być skutecznie izolowane.

Poprawa stabilności

Przeprowadzono eksperyment w celu sprawdzenia zdolności ViscoRing™ do pionowego przenoszenia obciążenia i uniknięcia wyboczenia. Eksperyment polegał na stopniowym nakładaniu masy i pomiarze odkształcenia pionowego materiału. Obciążniki nakładano na powierzchnię średniego ViscoRing™ w odstępach co 1,13 kg (2,5 funta) w temperaturze pokojowej. Pionowa odległość odkształcenia została wykreślona w postaci przedstawionej krzywej naprężenie-odkształcenie. Oś y przedstawia naprężenie lub ilość przyłożonej masy, a oś x przedstawia odkształcenie lub pionową deformację spowodowaną przyłożeniem masy.

Czerwona krzywa przedstawia sam ViscoRing™ bez obudowy. Można zauważyć, że wkrótce po początkowym przyłożeniu masy materiał zaczął się wyginać i znacznie odkształcać pod wpływem obciążenia. Materiał słabo radził sobie z utrzymaniem nawet niewielkiej masy, czego można się było spodziewać, biorąc pod uwagę jego bardzo niski współczynnik kształtu.

 

Aby poprawić stabilność ViscoRing™, zaprojektowano dla niego obudowę w górnej części stopki, jak pokazano na uproszczonej grafice. Carbide Base stopki, jak pokazano na uproszczonej ilustracji. Na obwodzie ViscoRing™ w odstępach dodano krawędzie, aby go usztywnić i zapobiec wyboczeniu. Grzbiety były rozmieszczone tak, aby powierzchnia mogła się swobodnie wybrzuszać pomiędzy nimi, co pozwoliło zachować korzyści wynikające z niskiego współczynnika kształtu.

 

W miarę jak ViscoRing™ wybrzuszał się na zewnątrz, stopniowo coraz większy procent powierzchni wybrzuszenia stykał się z pochyłymi grzbietami. Zwiększenie współczynnika kształtu wraz ze wzrostem masy pozwoliło uzyskać bardziej stałą częstotliwość rezonansową w szerszym zakresie mas ładunku. Izolacyjność Carbide Base stała się bardziej stała w przypadku różnych mas podporowych.

 

Niebieska krzywa przedstawia ten sam ViscoRing™ umieszczony w obudowie górnej części stopki. Carbide Base stopki. Zaobserwowano względnie liniowy wzrost odkształcenia lub deformacji pionowej wraz z przyłożeniem naprężenia lub masy. Materiał nie wyginał się zgodnie z założeniami.

 

Elastomerów nie da się sprasować do mniejszej objętości. Dlatego elastomery muszą mieć możliwość wybrzuszania się na zewnątrz, aby odkształcać się pod wpływem obciążenia. Selektywnie usztywniony ViscoRing™ nie wykazywał nagłego wzrostu nachylenia ani sztywności, co miałoby miejsce, gdyby uniemożliwiono dalsze wybrzuszanie się materiału. Jest to ważne, ponieważ niska sztywność lub współczynnik sprężystości jest niezbędny do uzyskania niskiej częstotliwości rezonansowej.

 

Po przekroczeniu wagi około 11 kg sztywność materiału stopniowo zaczęła się zwiększać. Wskazuje na to bardziej strome nachylenie, ponieważ większa część powierzchni wybrzuszenia stykała się z grzbietami. Zwiększona sztywność utrzymywała się do momentu osiągnięcia odkształcenia pionowego wynoszącego 7,6 mm (0,3 cala). Była to maksymalna odległość, na jaką obudowa mogła się przesunąć, aby chronić ViscoRing™ przed nadmiernym ściśnięciem.

Poprawa izolacji poziomej

Po sukcesie w wykorzystaniu elastomeru o niskim współczynniku kształtu do izolacji pionowej, pożądane było uzyskanie podobnych korzyści w przypadku izolacji poziomej. W celu dalszej poprawy parametrów izolacji poziomej zastosowano poziomo zorientowane elastomery o niskim współczynniku kształtu oraz łożyska kulkowe.

 

Wykorzystanie łożysk kulkowych do zapewnienia izolacji poziomej jest dobrze znaną koncepcją. W wielu konstrukcjach pomiędzy zakrzywionymi bieżniami łożysk umieszcza się łożyska kulkowe. Zakrzywione powierzchnie łożysk w innych konstrukcjach utrzymują łożyska wyśrodkowane. Umożliwiają one również zmianę toru przenoszenia drgań, ponieważ górna i dolna warstwa bieżni przesuwają się względem siebie w płaszczyźnie poziomej. Takie omijanie ścieżek transmisyjnych zapewnia izolację poziomą[1].

 

Konstrukcja opracowana dla dolnej części Carbide Base stopek była inna, ponieważ łożyska toczyły się na płaskich, a nie zakrzywionych bieżniach. Poziomo ułożone elastomery działały jak silnie tłumione sprężyny, utrzymując urządzenie w centralnym położeniu w odpowiedzi na drgania. Aby zminimalizować odkształcenia i opory toczenia, na łożyska wybrano cyrkon, a na bieżnie łożysk – polerowaną, hartowaną stal sprężynową. Izolację poziomą uzyskano dzięki wyższemu poziomowi tłumienia niż w poprzednich konstrukcjach.

Próba wibracyjna

Pomiar izolacyjności poziomej

Aby ocenić poprawę izolacji poziomej, przeprowadzono kolejny eksperyment. Celem eksperymentu było ilościowe określenie poprawy izolacji poziomej, jaką zapewniło dodanie łożysk kulkowych i poziomo zorientowanych elastomerów.

 

Do wytworzenia drgań w eksperymencie użyto elektromagnetycznego stołu wibracyjnego. Narzędzie to zostało dostosowane tak, aby umożliwić niezależne lub jednoczesne generowanie drgań w osiach ruchu X, Y i Z. Stół był sterowany cyfrowo za pomocą ekranu dotykowego i pokręteł podłączonych do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD). Wykorzystano je do precyzyjnej modulacji amplitudy i częstotliwości drgań powierzchni stołu.

 

Cztery Carbide Base Na stole wibracyjnym umieszczono cztery stopy z zainstalowanymi pierścieniami ViscoRings™ o średniej grubości. Następnie na szczycie stóp przykręcono obciążoną płytę aluminiową o łącznej masie około 45 kg (100 funtów). Do pomiaru drgań zastosowano dwa czujniki akcelerometryczne ACH-01 firmy Measurement Specialties. Pierwszy czujnik został przymocowany za pomocą taśmy dwustronnej do przedniej krawędzi stołu wibracyjnego. Drugi czujnik został w podobny sposób przymocowany do przedniej krawędzi płyty aluminiowej. Każdy czujnik był podłączony do własnego skalibrowanego wzmacniacza czujnika drgań, który z kolei zasilał własny multimetr stacjonarny. OdczytyVRMS z każdego multimetru posłużyły do oddzielnego wyznaczenia przyspieszenia odczuwanego przez stół i płytę aluminiową, przy czym 1 mVRMS = 1 m/s2 przyspieszenia.

Wykres izolowania poziomego

Częstotliwość drgań do przodu i do tyłu (oś Y) ustawiono w krokach co 10 Hz od 10 Hz do 300 Hz. W każdym odstępie czasu wykreślono wartościVRMS obu czujników. Amplitudę stołu regulowano w taki sposób, aby stół oscylował sinusoidalnie z przyspieszeniem około 4 m/s2.

 

Po odjęciu wartości wyjściowej z czujnika płytowego od wartości wyjściowej z czujnika stołowego otrzymano informację o przenoszeniu drgań przez Carbide Base stopki. Wartości dodatnie wskazywały na wzmocnienie drgań przez urządzenie. Było to oczekiwane przy częstotliwościach drgań zbliżonych do częstotliwości rezonansowej urządzenia. Wartości ujemne oznaczają zmniejszenie drgań wytwarzanych przez stół. Innymi słowy, izolacja drgań, która była pożądana. Im bardziej ujemna jest ta wartość, tym większa jest izolacja.

 

Czerwona linia przedstawia pomiary wykonane przy Carbide Base w stopkach bez łożysk kulkowych i poziomo ułożonych elastomerów. Do izolacji poziomej wykorzystywany był tylko elastomer ViscoRing™. Linia niebieska przedstawia pomiary wykonane z założonymi łożyskami i elastomerami poziomymi. Zastosowanie łożysk kulkowych i elastomerów poziomych znacznie poprawiło parametry izolacji poziomej. Zmniejszenie amplitudy drgań było szczególnie wyraźne w okolicy częstotliwości rezonansowej, co wskazuje na wyższy poziom tłumienia.

Wniosek

W stopkach zastosowano kilka rozwiązań konstrukcyjnych Carbide Base w stopkach, aby niezawodnie wykorzystywać elastomery o niskim współczynniku kształtu do celów izolacji drgań o niskiej częstotliwości. Elastomery formowane w czynnikach kształtujących, które wcześniej były uważane za zbyt niestabilne, stały się wystarczająco stabilne dzięki odpowiednio zaprojektowanej obudowie. Dodatkowe połączenie łożysk i poziomo zorientowanych elastomerów jeszcze bardziej poprawiło izolację poziomą. Te nowatorskie cechy zostały później uwzględnione w zgłoszeniu patentowym.

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

Wiadomo, że obudowa głośnika może mieć znaczący udział w całkowitym promieniowaniu dźwięku przy niższych częstotliwościach rezonansowych[1]. Mimo, że prędkość powierzchniowa paneli głośnika jest niewielka, panele promieniują ze skutecznością wielokrotnie większą niż przetworniki. Wynika to z dużej powierzchni promieniowania paneli w stosunku do powierzchni promieniowania przetworników. Dźwięk wydobywający się z paneli obudowy może powodować słyszalne zniekształcenia i powinien zostać zminimalizowany. Tłumienie paneli obudowy jest jednym ze skutecznych sposobów na zmniejszenie amplitudy rezonansów[2].

 

Celem tego eksperymentu było ustalenie, czy umieszczenie Carbide Base stopki pod głośnikiem może zmniejszyć rezonanse niskich częstotliwości w obrębie paneli obudowy głośnika. Redukcja rezonansów paneli pomogłaby w ilościowym określeniu poprawy w rozpraszaniu drgań zapewnianej przez stopki. Poprawa ta byłaby porównywana z przypadkiem podstawowym, w którym obudowa głośnika jest umieszczona na stalowych kolcach podłogowych na betonowej podłodze.

Głośnik testowy

W celu przeprowadzenia testów wibracyjnych najpierw skonstruowaliśmy testową obudowę głośnika. Stworzyliśmy własną obudowę, aby zminimalizować nieznane zmienne, które mogłyby wpłynąć na wyniki pomiarów. Obudowa została wykonana maszynowo z płyt polietylenowych o wysokiej gęstości (HDPE) o grubości 25 mm (1 cal) na zewnątrz i 50 mm (2 cale) na usztywnienia wewnętrzne. Dwa głośniki niskotonowe Accuton AS250-6-552 o średnicy 250 mm (10 cali) zamontowano po przeciwległych stronach obudowy. Głośniki niskotonowe zostały podłączone równolegle do wzmacniacza pracującego w klasie AB. Obudowa została uszczelniona o objętości wewnętrznej 129 litrów, co daje Qtc około 0,64. Wewnątrz obudowy nie znajdowało się żadne wypchanie. Całkowita masa obudowy z zamontowanymi głośnikami niskotonowymi wynosiła 83 kg (183 funty).

Pomiary

Ten eksperyment był ograniczony do pomiaru rozpraszania drgań, co jest czymś innym niż izolacja od drgań. Aby zmierzyć wibroizolację, źródło drgań i miejsce, w którym dokonuje się pomiarów, znajdują się zazwyczaj po przeciwnych stronach badanego urządzenia izolacyjnego. Im mniejsza jest transmisja energii drgań przez urządzenie na drugą stronę, tym większa jest izolacja. Możliwe jest, aby urządzenie osiągnęło wysoki poziom wibroizolacji przy jednoczesnym niskim poziomie rozproszenia drgań. Taki niedotłumiony izolator w niewielkim stopniu przyczyni się do usunięcia energii drgań z układu. Oscylacje mogą utrzymywać się długo po zadziałaniu siły wzbudzającej.

 

W naszym eksperymencie źródło drgań i miejsce pomiarów znajdowały się po tej samej stronie urządzenia izolacyjnego. Pomiary przeprowadzono na zewnętrznych panelach obudowy głośnika. Źródłem drgań była para głośników niskotonowych zamontowanych w tej samej obudowie. Pierwszy zestaw pomiarów wykonano na środku dolnej części obudowy. Drugi zestaw pomiarów wykonano na górnej części lewego panelu bocznego na wysokości 76 cm (30 cali) nad dnem obudowy. Pomiary przeprowadzono najpierw z obudową umieszczoną na stalowych kolcach podłogowych bezpośrednio stykających się z betonową podłogą. Ponownie dokonano tych samych pomiarów z obudową ustawioną na stopkach Carbide Base.

 

Do pomiaru drgań wykorzystaliśmy piezoelektryczny czujnik akcelerometryczny ACH-01 firmy Measurement Specialties. Czujnik został przymocowany do obudowy za pomocą taśmy dwustronnej. Do wzmocnienia wyjścia analogowego czujnika ACH-01 zastosowano wzmacniacz z wbudowanym analogowym procesorem sygnałowym. Wzmacniacz został skalibrowany pod kątem czułości tego konkretnego czujnika ACH-01, co pozwala na pomiar przyspieszeń bezwzględnych. Z kolei wzmacniacz czujnika podawał swoje wyjście analogowe do interfejsu USB Tascam US-366, który służył do cyfrowego zapisu sygnału na komputerze PC. Sygnał sinusoidalny o przebiegu logarytmicznym od 35 Hz do 200 Hz podawany był do wzmacniacza klasy AB, który zasilał głośniki niskotonowe napięciem 3,8V.

 

Wykresy wodospadowe zostały wygenerowane z oknem 500 ms i czasem narastania 100 ms przez okres 400 ms przy rozdzielczości interwału plasterka 4,72 ms. Wykres wodospadowy został użyty do przedstawienia zaniku amplitudy drgań w czasie. Oś y przedstawia dB poniżej pełnej skali zarejestrowanego sygnału w stosunku do maksymalnego poziomu szczytowego przed obcięciem. Oś y została ograniczona do minimum -60 dBFS, aby uniknąć artefaktów związanych z podłogą szumów.

 

Niebieskie wodospady reprezentują pomiary z obudową na stopach Carbide Base, a czerwone wodospady reprezentują pomiary z obudową na stalowych kolcach podłogowych bezpośrednio stykających się z betonową podłogą.

Panel dolny

Na kolcach podłogowych
Na stopkach z Carbide Base

Górny panel boczny

Na kolcach podłogowych
Na stopkach z Carbide Base

Wyniki

Pomiary potwierdziły, że rezonanse niskich częstotliwości w panelach testowej obudowy głośnika zostały stłumione, gdy głośnik został umieszczony na stopkach Carbide Base zamiast na kolcach podłogowych. Ten efekt tłumienia występował nie tylko lokalnie w pobliżu styku z cokołami, ale również w miejscu znajdującym się w pobliżu przeciwległego końca obudowy. Carbide Base i czas zanikania większości rezonansów obecnych w obu panelach zostały zredukowane, gdy głośnik znajdował się na stopkach Carbide Base. Wyjątkiem był rezonans w okolicy 150 Hz, w którym nastąpił spadek amplitudy i początkowo szybszy zanik, a następnie niewielkie wydłużenie czasu zaniku poniżej -40 dBFS. W zakresie najniższych częstotliwości, gdzie rezonanse obudowy są najbardziej słyszalne, amplituda drgań została zredukowana w niektórych przypadkach o ponad 80%.

Referencje

[1] Bastyr, K. J., & Capone, D. E. (2003). O promieniowaniu akustycznym z obudowy głośnika. AES: Journal of the Audio Engineering Society, 51(4), 234-243.

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