Przegląd projektów stopek audio

Przegląd projektów stopek audio

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