FREKVENS (HZ)
Med och utan absorbent
Lågdämpande limmad Medeldämpande limmad
Högdämpande limmad Lågdämpande utan absorbent
Medeldämpande utan absorbent Högdämpande utan absorbent
För att utvärdera absorbenten valdes Hellbergs lågdämpande kåpor Secure 1H, eftersom storleken på dessa kåpor önskades för alla dämpningsgrader.
En del av materialen som testades var prover från företag som kontaktats efter sökningar i Material ConneXions databas. Provmaterial försågs även av
Bullerbekämparen efter studiebesök. Vissa material har inhandlats och Hellberg bidrog med provmaterial som ännu inte testats från befintlig underleverantör. De flesta material som testades var PU-skum av olika karaktär. Utöver detta har mineralfiber av PET-plast och stenull testats samt fogskum. Data på
ljudabsorptionsfaktor fanns inte att tillgå på dessa material. Resultaten får utvärderas utefter ATF-mätningar.
Tätningsring
Tätningsringen skall enligt handledare på Hellberg vara hörselskyddets svaga länk, vilket också noterades vid konkurrentanalysen. Eftersom beslut tagits att inte lägga fokus på nyutveckling av tätningsring utvärderas kåporna med
befintlig elektroniktätningsring. Byte av tätningsring från befintligt sortiment är en enkel förbättringsåtgärd för ökad dämpning. Prisskillnaden mellan dessa är 80 öre/st. En ökning i dämpning av lågfrekventljud har en stor påverkan på kåpans SNR- värde. Läckage genom tätningsringen sker närmast örat.
Kåpskal
För att förbättra kåpskalet testades följande lösningar som identifierats från teoridelen och konkurrentanalysen i förstudien:
• Förstärkning av kåpskal genom ökad godstjocklek. • Förstärkning av kåpskal med väggar.
• Lackering av kåpans inner- och yttersida med gummifärg. • Inbyggd diffusor av kartongskivor.
• Kåpskalets geometri. Ökad godstjocklek Enligt teori och förstudie skall mer massa och ökad styvhet förbättra kåpskalets dämpningsförmåga. Med ett tjockare
kåpskal absorberas mer ljud eftersom ljudvågen passerar mer material. Kåpskalet blir också styvare av ökad
godstjocklek vilket motverkar att kåpan sätts i svängning och ljud transmitteras (Johansson, 2002; Andersson, 1998).
För att göra kåporna tjockare användes lamineringsplast som vanligtvis används till kompositer. Detta används eftersom det var flytande och med enkelhet kunde appliceras med pensel för att få en jämntjock yta på kåpan. Applicerbarheten gjorde att det ansågs som det enklaste sättet att erhålla en trovärdig simulering av en tjockare plastkåpa. Två lamineringsplaster användes, detta berodde på att samspelet mellan materialen och ABS-plasten i kåpan inte kunde avgöras, därför testades båda. Förstärkningar av kåpor med lamineringsplast testades i tre utföranden. Den första kåpan förstärktes invändigt med ett lager av polyester, se figur 28. Det ökade massan med 13 gram vilket motsvarar en viktökning med 29 %. Den andra kåpan förstärktes invändigt med ett lager av epoxi, vilket ökade massan med 7,1 gram, en viktökning med 16 %. Den tredje kåpan förstärktes utvändigt med epoxi för att inte påverka den inre volymen. Det ökade massan med 4,5 gram, motsvarande en viktökning med 10 %.
Väggförstärkt kåpa
En annan typ av förstärkning är att styva upp kåpans insida med väggar. Detta skulle kunna minska vibrationer som minskar den transmitterade ljudenergin till kåpans insida.
För att testa förstärkta kåpskal med väggar diskuterades ett flertal material och
konstruktionslösningar som kunde användas i ett befintligt kåpskal. Dessa idéer slopades dock när kåpskal med
förstärkningsväggar hittades i Hellbergs lager. Kåpskalen med
förstärkningar var framtagna till en förproduktionsserie av Hellbergs Secure 2H- och 3H-kåpor. Dessa förstärkningar användes aldrig eftersom nya verktyg togs fram för produktion i Kina. Anledningen att dessa valdes att testas framför egna lösningar var att förstärkningarna var en del av kåpskalet. Detta ansågs ge mer konsekventa och realistiska mätresultat jämfört med egenkonstruerade
lösningar fastlimmade i ett kåpskal. I figur 29 visas den förstärkta konstruktionen på ett medeldämpande 2H-kåpskal.
Lackering med gummifärg
Konkurrentens kåpskal som undersöktes i förstudien var tillverkade med en tvåkomponentsformsprutning med ABS-plast och ett gummiliknande material på ytan. För att simulera hur en liknande lösning skulle prestera på Hellbergs kåpor inhandlades gummifärg på sprayflaska. Gummit är mjukt och elastiskt vilket identifierats som en potentiellt bra egenskap vid tester av absorbent. Detta eftersom gummi är mer elastiskt än plast och ger en dämpande massa på ytan vilket enligt Johansson (2002) ger ökade svängningsförluster. Det innebär att vibrationerna övergår till värme istället för ljud. Därför uppskattades gummit kunna ha en absorberande effekt.
Först testades lackering av kåpskal utvändigt för att simulera konkurrentens lösning. Det testades även hur gummi skulle prestera på insida av kåpskalet i jämförelse med utsida.
Diffusor i kåpskal
För att testa hur en diffusor kan fungerar i ett kåpskal byggdes en diffusor av rutmönster i kartong. Att bygga en diffusor med raka väggar av enkla material ansågs lättare än att experimentera med geometriska former för en diffuserande effekt, därför byggdes en rutnätsdiffusor i kåpskalet. Den konstruerades av en kartongskiva som skars ut och limmades fast i ett lågdämpande 1H-kåpskal. Kartongen innehöll små luftfickor vilket gjorde att diffusorn innehöll många små rum. Dessa rum
tillsammans med rummen från rutnätsmönstret var tänkta att isolera och minska utbredningen av ljudvågor i kåpan, se figur 30.
Kåpskalets geometri
Formen på kåpan har betydelse för dämpningen. Ljudvågor har en diffus utbredning från sin ursprungskälla (Akustik Miljö, u.d.). Detta innebär att ljud inte har en linjär utbredning utan sprider sig i en vinkelbåge från sin
ursprungskälla (Akustik Miljö, u.d.). Enligt våglära med spegelteori är en konvex form bäst för att reflektera infallande vågor eftersom optimal infallsvinkel alltid erhålls (Persson, 2007). Utöver detta ger en konvex yta större spridning vid reflektion av infallande vågor (Persson, 2007) (Akustik Miljö, u.d.).
För att testa detta jämfördes Hellbergs lågdämpande 1H-kåpa mot en kåpa från tyska Schubert som Hellberg är Original Equipment Manufacturer (OEM)
tillverkare åt. Schuberts kåpor är uppbyggda med en liknande konstruktion och har liknande dimensioner. Men Schuberths kåpskal är mer sfäriskt jämfört med Hellbergs kåpskal, se figur 31. Formen gör att Schuberth-kåpan får en större inre volym trots liknande yttermått. Det gör också att ljudet som träffar upptill på Schuberth-kåpan har ett längre avstånd till hörselgången. Ljudet har därmed en längre stäcka att absorberas på.
Volymring
Volymringen finns i samtliga produkter som Hellberg producerar. Om denna förbättras får samtliga ett prestandalyft. I konkurrentanalysen identifierades plastringens vinklar som misstänks diffusera det infallande ljudet. Om en liknande lösning kan införs på volymringen går det med enkla och billiga medel skapa en bättre dämpning. För att testa effekten på en annorlunda utformad volymring gjordes olika experiment.
Vägg av smältlim
Med smältlim försökte konturen på konkurrentens plastring efterliknas. Det gjordes genom att bygga en svepande och vinklad vägg för att ändra ljudvågornas utbredning i kåpan. Detta ändrar
volymringens reflektionsvinklar och tar bort den plana ytan i volymringens botten, se figur 32. Smältlim användes eftersom den polyester och epoxi som används tidigare var för rinnig för att skapa en vägg. Smältlim var det
tillgängliga medel som uppskattades ge bäst resultat. Smältlimmet som användes bestod av en termoplast.
Modifierad volymring med konkurrentens plastring Efter att ha testat en modifierad
volymring med smältlim, togs beslut att anpassa volymringen till konkurrentens plastring, se figur 33. Botten på Hellbergs volymring sågades ut och konkurrentens plastring limmades fast med snabblim för att få en tät konstruktion. Vid
modifieringen måste även konkurrentens tätningsring användas eftersom den är anpassad för plastringen. Konkurrentens tätningsring innehåller ett liknande skum som Hellbergs elektroniktätningsring, men eftersom exakt densitet inte kan
jämföras mellan dessa finns vissa okända felkällor. Det kan därför vara svårt att dra slutsatsen om det är plastringen eller tätningsringen som har störst inverkan på den dämpande effekten.
Figur 32: Experiment med vägg av smältlim i volymring.
Figur 33: Hellbergs volymring modifierad med konkurrentens plastring.
Ökad tjocklek på volymring
Enligt teorin ger ökad massa en ökad dämning. Därför förstärktes volymringen på ett liknande sätt som kåpskalet. Insidan på volymringen täcktes med
lamineringsplast av polyester och epoxi. Detta dubblade tjockleken på insidan av volymringen. För detta experiment gjordes ingen form på insidan av volymring utan testet skall bara visa effekten av ökad massa.
Absorbent på insida volymring
Efter absorbenttestet fanns det spillmaterial kvar från tillverkaren Poron. I experimentsyfte anpassades dessa och monterades mot volymringens plana insida. Detta för att se vad effekten skulle bli av en extra absorbent som sitter dikt an mot insida volymring.
Resultat från tester
Här presenteras resultaten från de tester som gjorts på absorbent, tätningsring, kåpskal och volymring.
Absorbent
I figur 34 visas ATF-resultat på ett urval av material som undersökts. Resterande absorbenttester finns i bilaga 6, 7 och 8. Mätningen visar att fogskum gav sämst resultat, fogskummet bestod av ett hårt PU-skum med slutna celler. Många av absorbenterna som testades visade sig ge likvärdig prestanda mot den befintliga absorbenten. Dock visade sig vissa material ge förbättrad dämpning.
Två av dessa var Poron Industrial (3,18mm) och PU-skummet som konkurrenten använde i sina högdämpande kåpor. Dessa presterade likvärdig vid dämpning av lågfrekvent ljud, jämfört med Hellbergs standardabsorbent, men gav bättre
0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 39,0 42,0 45,0 48,0 51,0 54,0 57,0 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 D ÄM PN IN G (D B ) FREKVENS (HZ)
Absorbenttest
Lågdämpad referens med lim PET-mineralfiber
Blandskum AL20 Cellpur V5020
Stenull Poron Industrial 3,18mm
fogskum kanal 2 Konkurrent absorbent
standardabsorbenten. Jämfört med andra material som testades var dessa mycket elastiska. Detta visade på att elasticitet kan ha betydelse för cellplasters förmåga att absorbera ljud men för få tester gjordes för att dra en slutsats. Det som utmärkte Poron Industrial i testet var tjockleken. Poron Industrial hade samma vikt som standardabsorbenten men med en fjärdedels tjocklek. Med högre densitet i mindre format går det använda Poron i kombination med andra absorbenter för att öka prestanda. Mineralfiber av PET-plast gav överlag
likvärdiga resultat mot dagens standardabsorbent. Med en högre dämpning vid 1000 Hz och en liten förbättring vid högre frekvenser än standardabsorbenten. Mineralfiber av PET är tillverkad av återvunnen plast vilket gör den bättre ur miljösynpunkt jämfört mot dagens PU-skum. Används denna kan dagens lågdämpande kåpa göras mer miljövänlig utan att tappa prestanda. Blandskummet presterade likvärdigt med standarabsorbenten i låga och medelhöga frekvenser men gav förbättrad dämpning av högfrekventljud efter 2000 Hz. Dock var blandskum svårt att applicera och bearbeta på grund av dess karaktär. Blandskum är tillverkat av återvunna skumplastbitar och dess olika karaktär gjorde dem svåra att forma.
Efter utförda mätningar bevisades att absorbenten generellt påverkar frekvenser från 1000 Hz och uppåt. Med olika typ av absorbent kan dämpningskurvan förbättras vid höga frekvenser. Cellplaster med öppna celler är det som testats i största grad, men slutna celler har också testats i form av fogskum. Öppna celler med en ”oorganiserad struktur” ger en bättre dämpande effekt (Arenas &
Crocker, 2010). Material med många små celler ger bättre dämpning än material med större celler, detta beror på att ljudvågen passerar fler cellväggar som absorberar ljudenergin (Arenas & Crocker, 2010), se figur 35.
Material med många små celler har högre densitet. Ökad densitet ger dock bara bättre prestanda till en viss gräns. Blir materialet för tätt eller för hårt börjar materialet leda låg och mellanfrekventljud även om det dämpar bättre på höga frekvenser (Boyer, et al., 2014). Mätningarna med
absorbenter visar att hos material
med likvärdig cellstorlek och densitet dämpar materialet med högst elasticitet bättre.
Vid test av absorbenter noterades att inga av materialen förbättrade prestandan vid lågfrekvent ljud. Slutsatsen blev att absorbenten enbart kan användas för att justera och förbättra dämpningen vid mellan till högfrekvent ljud. Vilket betyder att konstruktionsförbättringar måste göras för att öka dämpning av lågfrekvent ljud.
Tätningsring
Resultatet från ATF-mätningen visar att elektroniktätningsringen, som
innehåller tätare skum och mer massa, ger ökad dämpning vid låga frekvenser. Mellan 250 Hz och 1000 Hz tappar elektroniktätningsringen prestanda mot standardtätningsringen och maxdämpningen förskjuts.
Elektroniktätningsringens maxdämpning är dock högre än
standardtätningsringen. När tätningsringarna nått maximal dämpning presterar elektroniktätningsringen bättre i det högfrekventa området. Vid en subjektiv klassificering i testlabb skulle mätningar genomförts vid 500 Hz och 1000 Hz (där elektroniktätningsringen tappade mot standardtätningsring). Figur 36 visar en skillnad på 3 dB vid dessa mätpunkter vilket betyder en halverad
dämpningseffekt. Detta område måste därför lyftas för att inte riskera en sämre produkt. 0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 39,0 42,0 45,0 48,0 51,0 54,0 57,0 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 D ÄM PN IN G (D B ) FREKVENS (HZ)