POMIARY

Wibracje rozproszone z głośników mogą przenosić się bezpośrednio na powierzchnie pomieszczenia poprzez kontakt z podłogą. Powoduje to, że powierzchnie pomieszczenia sympatyzują z tymi drganiami w postaci słyszalnego hałasu, który może wpływać na wrażenia słuchowe. Problem jest dodatkowo potęgowany przez dużą powierzchnię pomieszczenia, które promieniuje dźwięk z dużą wydajnością. Wibracje o niskiej częstotliwości są najgorszym przestępcą ze względu na ich zdolność do przemieszczania się w całej strukturze pomieszczenia z niewielką impedancją.

 

Nawet przy zastosowaniu podstawowej wibroizolacji można złagodzić te degradujące efekty drgań przenoszonych przez konstrukcję. Umieszczenie wibroizolacyjnych stopek audio pod głośnikami zmniejsza czas pogłosu, artefakty związane z zanikaniem wibracji i zniekształcenia przy niektórych częstotliwościach[1]. Podobne pozytywne efekty daje odizolowanie elektroniki audio od wibracji. Stopień tych korzyści może być bardzo różny w zależności od konstrukcji stopki audio.

Pomiar izolacji od drgań

Chcieliśmy zmierzyć właściwości wibroizolacyjne kilku popularnych konstrukcji stopek audio. Następnie zmierzyliśmy nasze Carbide Base stopki według tych samych kryteriów dla porównania. Izolacja od drgań została zmierzona dla każdej stopki audio w kierunku poziomym i pionowym. Do generowania drgań wykorzystano trzy różne źródła wibracji: elektromagnetyczny stół wibracyjny, subwoofer i głośnik dwudrożny. W każdym eksperymencie na źródło drgań nałożono cztery stopki dźwiękowe, a następnie na stopki dźwiękowe nałożono płytę aluminiową. Do płyty aluminiowej przykręcono ciężarki, aby symulować masę głośnika lub sprzętu audio o masie całkowitej około 32 kg. Czujniki akcelerometru piezoelektrycznego ACH-01 zostały następnie przymocowane do płyty za pomocą taśmy dwustronnej w celu pomiaru przyspieszenia w kierunku poziomym i pionowym. Czujniki akcelerometryczne z kolei zasilają wzmacniacze skalibrowane dla poszczególnych czujników.

Wibracje elektromagnetyczne Tabela

Do uzyskania pierwszego zestawu pomiarów użyto elektromagnetycznego stołu wibracyjnego. Stół był sterowany cyfrowo, aby precyzyjnie modulować amplitudę i częstotliwość drgań powierzchni stołu. Aby określić amplitudę drgań stołu, do stołu przymocowano czujnik akcelerometryczny, a następnie za pomocą multimetru zmierzono wyjście wzmacniacza czujnika. To samo zrobiono z drugim czujnikiem akcelerometrycznym przymocowanym do aluminiowej płyty. Pomiary były wykonywane z czujnika płytkowego w odstępach 5 Hz od 10 Hz do 200 Hz. Stół wibracyjny był regulowany w każdym odstępie czasu tak, aby stół wibrował z przyspieszeniem 2,5 m/s2. Pomiary przeprowadzono najpierw z czujnikami przymocowanymi do skierowanych do przodu krawędzi powierzchni stołu i płyty, aby zmierzyć drgania poziome. Następnie pomiary zostały powtórzone z czujnikami przymocowanymi do blatów stołu i płyty, aby zmierzyć drgania pionowe. Pomiary te koncentrowały się na obszarze częstotliwości basów, aby określić skuteczność izolacji drgań wokół częstotliwości rezonansowej każdej stopki audio.

 

Zaletą tego eksperymentu było to, że stół zapewniał stałe wibracje podczas pomiarów. Dzięki temu rezonanse w stopkach audio były wyraźnie rozpoznawalne. Wadą tego eksperymentu była jego ograniczona rozdzielczość z powodu pomiarów w odstępach. Eksperyment ten nie dał również wglądu w zachowanie się zaniku drgań.

 

Subwoofer

Jako źródło drgań wykorzystano subwoofer, aby uzyskać pomiary przemiatania w zakresie częstotliwości basowych. Za pomocą komputera PC wygenerowano sygnał sinusoidalny log swept od 15 Hz do 200 Hz, który następnie został odtworzony przez subwoofer. Czujniki akcelerometryczne zostały przymocowane do przedniej krawędzi i górnej części płyty, aby jednocześnie mierzyć drgania poziome i pionowe. Komputer PC służył do rejestrowania danych wyjściowych z czujników zamontowanych na płycie. Pomiary zostały następnie przełożone na wykresy wodospadowe pokazujące zanik drgań. Oś Y wykresów wodospadowych została ustawiona tak, aby ignorować artefakty dna szumów, gdzie 0 dBFS odpowiada granicy przed obcięciem. Maksymalny poziom ciśnienia akustycznego podczas zamiatania wynosił 93 dBA i został zmierzony na podłodze naszego zakładu, w którym panuje pogłos, w odległości 1 m. Maksymalne poziome przyspieszenie szafy, które wystąpiło podczas zamiatania, wynosiło 2,4 m/s2.

 

Głośnik 2-drożny

Jako źródło drgań zastosowano dwudrożny głośnik, aby uzyskać pomiary przemiatania w zakresie częstotliwości średnich i wysokich. Eksperyment przeprowadzono w taki sam sposób, jak w przypadku subwoofera, z tą różnicą, że przemiatanie odbywało się w zakresie od 200 Hz do 1 kHz dla tonów średnich i od 1 kHz do 10 kHz dla tonów wysokich. Kolejną różnicą było to, że wzmacniacze czujników akcelerometru zostały ustawione tak, aby zapewnić wzmocnienie +20 dB w stosunku do pomiarów subwoofera. Dodatkowe wzmocnienie zostało zastosowane ze względu na niższą amplitudę drgań przy wyższych częstotliwościach. Wyższe wzmocnienie podniosło również poziom szumu, co wymagało ograniczenia widocznej części wykresów wodospadu średnich i wysokich częstotliwości, aby uniknąć artefaktów szumu. Maksymalny poziom SPL głośnika wynosił 93 dBA również podczas przemiatania, przy czym napięcie zasilające było utrzymywane na stałym poziomie podczas wszystkich pomiarów. To maksymalne poziome przyspieszenie szafy, które wystąpiło podczas zamiatania, wynosiło 1,9 m/s2.

 

Zaletą eksperymentów z subwooferem i głośnikiem było to, że oferowały one wysokiej rozdzielczości obraz zachowania się wibracji każdej ze stóp audio. Wadą było to, że drgania szafek nie były tak spójne z częstotliwością, jak w eksperymencie ze stołem wibracyjnym. Zachowanie drgań obudów było jednak spójne pomiędzy pomiarami, co pozwalało na użyteczne porównania względne pomiędzy stopami audio. Każdy pomiar był wykonywany dwa razy z rzędu, a następnie uśredniany w celu wygładzenia nieprawidłowości w zachowaniu się szafy podczas drgań.

Testowane stopki audio

Projekty stopek dźwiękowych

Przetestowano siedem różnych konstrukcji stopki audio. Dla względnego porównania badano również kolce. Cztery z każdej stopki audio zostały umieszczone pod płytą aluminiową. Urządzenia, które miały odpowiedni przepis, zostały przykręcone do płyty.

 

Testowane stopki audio pod względem izolacji drgań dzieliły się z grubsza na dwie kategorie: łożyska kulkowe i wiskoelastyczne.

 

Łożysko kulkowe

Stopki dźwiękowe 1, 3 i 6 oparte są na powszechnie stosowanej koncepcji[2] wykorzystującej łożyska kulkowe toczące się w zakrzywionych bieżniach łożysk. Te konstrukcje łożysk odwracają przenoszenie drgań, redukując w ten sposób drgania przechodzące przez urządzenie. Stopka audio 5 odwraca przenoszenie drgań dzięki zastosowaniu łożysk w opatentowanej konfiguracji piętrowej. W stopkach z węglików Carbide Base zastosowano łożyska pomiędzy płaskimi bieżniami łożysk z buforami wiskoelastycznymi, które służą do centrowania urządzenia podczas drgań.

 

Viscoelastic

W stopce audio 2 zastosowano formowane włókna szklane o właściwościach wiskoelastycznych. Stopka audio 4 wykorzystuje górne i dolne elementy wiskoelastyczne połączone owalnym cylindrem w opatentowanej konfiguracji. Stopki z węglików Carbide Base wykorzystują rurowy element wiskoelastyczny o nazwie ViscoRing™ w konfiguracji zgłoszonej do opatentowania.

Kliknąć na tekst Measurements nad każdą grupą pomiarów, aby przełączyć ich widoczność.

Pomiary poziome i pionowe są przedstawione w oddzielnych zakładkach.

Kolce

Wymiary:

Ø 14 mm (0,55″)

35 mm (1,4″) wysokości

Budowa:

Kolce stalowe

Pomiary kolców (kliknij, aby powiększyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka dźwiękowa 1

Wymiary:

Ø 45 mm (1,78″) (część górna), Ø 70 mm (2,76″) (część dolna)

51 mm (2,0″) – 61 mm (2,4″) wysokości

Maks. ciężar dla 4:

NIE DOTYCZY

Wysokość regulowana:

Tak

Przepis na śrubę:

Tak

Budowa:

Korpus ze stali nierdzewnej z 3 ceramicznymi łożyskami kulkowymi, osadzonymi w kulistych bieżniach.

Stopka dźwiękowa 1 Pomiary (kliknij, aby przełączyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka dźwiękowa 2

Wymiary:

50 mm (2″) szerokości x 50 mm (2″) głębokości

25 mm (1″) wysokości

Maks. ciężar dla 4:

34,4 kg (76 lbs.)

Inne wersje dostępne dla różnych ciężarów.

Wysokość regulowana:

Nie

Przepis na śrubę:

Nie

Budowa:

Warstwy sprasowanych na gorąco włókien szklanych o wysokiej gęstości formowania, umieszczone pomiędzy płytami stalowymi. Teksturowana guma na górze i na dole.

Stopka dźwiękowa 2 Pomiary (kliknij, aby przełączyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka dźwiękowa 3

Wymiary:

Ø 45 mm (1,75″)

Wysokość 24 mm (0,94″)

Maks. ciężar dla 4:

NIE DOTYCZY

Wysokość regulowana:

Nie

(Opcjonalne uaktualnienie)

Przepis na śrubę:

Nie

Budowa:

Korpus z anodyzowanego aluminium z 6 łożyskami kulkowymi, poruszającymi się w łożyskach kulistych pomiędzy 3 oddzielnymi warstwami.

Stopka dźwiękowa 3 Pomiary (kliknij, aby przełączyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka dźwiękowa 4

Wymiary:

Ø 51 mm (2″)

Wysokość 43 mm (1,7″)

Maks. ciężar dla 4:

55 kg (121 lbs.)

Inne wersje dostępne dla różnych ciężarów

Wysokość regulowana:

Tylko po przykręceniu

Przepis na śrubę:

Tak

Budowa:

Górny i dolny izolator wiskoelastyczny w obudowie połączonej z owalnym cylindrem w opatentowanej konfiguracji. Kierunkowy design. Wszystkie pomiary wykonano z logo skierowanym do przodu, zgodnie z zaleceniami producenta.

Stopka dźwiękowa 4 Pomiary (kliknij, aby przełączyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka dźwiękowa 5

Wymiary:

Ø 76 mm (3″)

57 mm (2,25″) wysokości

Maks. ciężar dla 4:

NIE DOTYCZY

Wysokość regulowana:

Tylko po przykręceniu

Przepis na śrubę:

Tak

Budowa:

Korpus ze stali nierdzewnej mieści 5 oddzielnych stosów łożysk ceramicznych w opatentowanym układzie przeciwstawnym.

Stopka dźwiękowa 5 Pomiary (kliknij, aby przełączyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka dźwiękowa 6

Wymiary:

Ø 45 mm (1,75″)

72 mm (2,8″) – 89 mm (3,5″) wysokości

Maks. ciężar dla 4:

NIE DOTYCZY

Wysokość regulowana:

Tak

Przepis na śrubę:

Tak (wymagane jest przykręcenie)

Budowa:

Korpus aluminiowy z 3 ceramicznymi łożyskami kulkowymi, pracującymi w łożyskach kulistych.

Stopka dźwiękowa 6 Pomiary (kliknij, aby przełączyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Stopka z węglików Carbide Base

Wymiary:

Ø 125 mm (4,9″)

56 mm (2,2″) – 74 mm (2,9″) wysokości

Maks. ciężar dla 4:

32 kg (70 lbs.)

ViscoRing™ wymienny dla większych ciężarów

Wysokość regulowana:

Tak

Przepis na śrubę:

Tak

Budowa:

Aluminiowa górna część mieszcząca element wiskoelastyczny ViscoRing™. Dolna część ze stali nierdzewnej mieści łożyska ceramiczne i zderzaki wiskoelastyczne w konfiguracji zgłoszonej do opatentowania. Pomiary wykonane przy zainstalowanym Light ViscoRings™.

Wymiary stopki z węglików Carbide Base (kliknij, aby powiększyć)

Poziomy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer poziomy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik poziomy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik poziomy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie
Pionowy stół wibracyjny
10 Hz – 200 Hz Bas
Subwoofer pionowy
15 Hz – 200 Hz Bas
Głośnik pionowy
200 Hz – 1 kHz Średnie tony
Głośnik pionowy
1 kHz – 10 kHz Tony wysokie

Zastrzeżenia

Eksperymenty te symulowały amplitudy drgań odczuwane bezpośrednio na obudowie głośnika lub subwoofera grającego z umiarkowaną lub dużą głośnością. Niektóre stopki audio mogą mierzyć inaczej, gdy izolują drgania o niższej amplitudzie. Dodatkowo, masa podtrzymywana wpływa na działanie niektórych stopek audio, więc zmiana masy może zmienić wyniki pomiarów. Wreszcie, wszystkie te pomiary zostały wykonane przy mniej więcej stałym sinusoidalnym bodźcu wibracyjnym, który różni się od dynamicznego stanu muzyki.

Wniosek

Izolacyjność od drgań badanych stopek audio była bardzo zróżnicowana. W większości przypadków niepożądane wibracje błądzące nasiliły się przez stopki w zakresie niskich i niższych częstotliwości średnich. W innych przypadkach tłumienie było niewystarczające, co powodowało, że rezonanse utrzymywały się jeszcze długo po wystąpieniu pierwszego bodźca, na co wskazują długie czasy zaniku na niektórych wykresach wodospadowych.

 

Stopki z węglików Carbide Base charakteryzują się wyjątkową zdolnością do izolowania i tłumienia basów i niższych tonów średnich, co pozwala na uzyskanie maksymalnej czystości tych częstotliwości.

Referencje

[1] Katz, B. (2020). O promieniowaniu akustycznym z obudowy głośnika. AES: Journal of the Audio Engineering Society, Convention Paper 10405.

 

[2] 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

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.

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. 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 określenia 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. Amplituda stołu była regulowana tak, 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 ma znaczący udział w całkowitym promieniowaniu dźwięku przy jego 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. Ta poprawa byłaby porównywana z przypadkiem bazowym, w którym obudowa głośnika stoi na stalowych kolcach podłogowych na betonowej podłodze.

Głośnik testowy

Aby przeprowadzić testy wibracyjne, najpierw skonstruowaliśmy obudowę głośnika testowego. 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. 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

W naszym eksperymencie dotyczącym rozpraszania drgań pomiary zostały wykonane na zewnętrznych panelach obudowy głośnika. 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. Ten sam pomiar wykonano ponownie 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 czujników przekazywał swoje analogowe wyjście do interfejsu USB Tascam US-366, który służył do cyfrowego zapisu sygnału na komputerze. Sygnał sinusoidalny o częstotliwości od 35 Hz do 200 Hz był podawany do wzmacniacza klasy AB, który zasilał głośniki niskotonowe napięciem 3,8 V.

 

Wygenerowano wykresy wodospadowe, aby pokazać rozkład 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.