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数字家电静音化设计概念-吸音材料之活用-

52RD.com 2007年3月21日 陈乃塘            评论:0条 我来说两句
  

当数字家电产品内部的运用处理器速度越来越快,功能越强之际,内置硬碟机或光碟机也越来越普遍的情况下,随之而来的恶梦就是「散热的战斗」。比如说空冷风扇的采用等。这时从旁就衍生出另一个讨厌可是又挥之不去的问题,那就是杂音的降低处理。况且,硬碟机与光碟机,也有马达的旋转噪音。AV专用硬碟的出现,就是迎合市场需求的自然结果。

从HD DVD录放影机、PS3、Xbox360甚至任天堂的Wii,都可以见到这样的影子。PS3的风扇面积,几乎与CD的面积相等,如何静音化,终究成为工程师要去面临与克服的课题。
其实,这类问题,在桌上型电脑就相当显着,品质不够好的风扇经过一段时间的使用周期后,令人厌恶的风扇旋转声音就相当显着。况且,有些电脑内部风扇的数量有好几个呢?只是大家视而不见,还是习惯了个人电脑就是这般样子。Mac Mini之所以迷人,除了外在的造型超可爱,乖巧地摆置在那儿,又赏心悦目。没有噪音,不会烦人。

然而,当您的产品进入「决战客厅」的市场之后,这类杂音的存在,毫无疑问地,是一个致命伤。无论是高画质电视还是任何媒体的储存装置或是播放装置,静音的处理方式是一定要做的。只是工夫高低的不同罢了。

 

图一 PS3内部巨大的风扇,挺吓人的。

其中,任天堂Wii的设计,可以说是近年来难得一见武林高手设计出来的杰作。没有太多的高科技,而是性能的拿捏洽到好处。硬件上设计厉害的地方,在于能节省就尽量节约,重要的地方却丝毫不敢疏忽,采用品质优的元件。比如说,感应器元件与遥控装置连接器暨电容器的选用等。

若是将Wii机器解体,从下而上分别是下部框体、屏蔽(Shield)板、主机板、屏蔽(Shield)板、光碟装置、光碟装置专用屏蔽板、上部框体。屏蔽板不仅採用凸形加工,连微处理器与图像控制器共用的散热片四个角落上,都安装了铁蕊(Ferrite Core),整台机器处处都可以看见对于EMI电磁干扰与杂音的对策处理,该是经过仔细推敲、才能丝丝入扣,是一个经典的产品设计。


 

 


图二 虽是低成本的设计理念,可是重点元件却不含煳。这是Wii遥控器的连接器与电容元件。
 


EMI向来都有其元件的因应对策。也就是抗EMI元件。比如说,共模滤波器(Common Mode Filter)就是高速传送介面常用的抗EMI方案。
而对于杂音的处理,最直接的思考方式,就是善用发泡体或是不织布构造的吸音材料。其实,国内厂商对于公司内部开发产品的基准规定,有所规范的可能有限吧。

註:不织布,广义来说,包含了所有不是用线编织成的布状物。狭义是指有整齐的压印点点的那种布品。

就数位家电还是Web家电来说,硬体装置所产生出来的噪音,基本上是「固体传播音」以及「空气传播音」的复合体。就举DVD录放影机来说吧。硬碟装置或光碟装置马达的振动,与周边的构造材料共振而产生固体传播音、空气传播音。而空气传播音在机器内部反射、扩散,而加大了音压。噪音自然就让人感受到了。
像这类噪音,根本的解决对策当然是减少马达的振动,採用制作精度高的马达。但是对于系统组装业来说,这些零件乃是对外採购,因此,比较简便的方法还是追加吸音材料(Sound Management Material),在发生噪音的场所覆盖或张贴,就可以得到效果。比如说,使用10mm厚度的吸音材料,直接入射的的1KHz音压,就可以降低两成左右。至于价格,当然与吸音材料的种类、形状与购买数量有所关系。以DVD录放影机的场合为例,约追加不到一美元的费用,就可以下降1dB(A)~2dB(A)。

註:dB(A)系噪音单位。dB 为分贝(decibel)。( ) 内的 A 代表权重, 在人耳可听的范围 20-20K 赫兹做一加权。

 

 

图三 四周环境约略的噪音值(取材于3M Japan)。


通常,「固体传播音」的对策乃是将制振材料在机器框体的内部张贴,可能因为面积大而成本高,机器也变重。而「空气传播音」只要使用遮音材料,就可以遮断空气的流动。

在选择吸音材料时,就物理面向来说,要理解吸音材的规格值,一般,有「垂直入射吸音率」以及「张力(拉力)强度」两项指标。前者是攸关吸音性能的最常用指标。该数值为一的时候,代表着全部音完全吸收。因为,吸音率就等于入射音减去反射音,再除以入射音。
至于具体的测定方法,JIS、ISO或美国材料与试验协会ASTM(American Society for Testing and Materials)均有所规范。而后项指标则是表示了吸音材的结实程度,多数的吸音材会因为接受到紫外线或是热能而降低了这个强度。因此,可靠度的试验结果务必确认。

 

 

图四 「垂直入射吸音率」的性能图。


同时,对于构成吸音材树脂的种类特徵,有了确实的把握,在选择时就容易多了。毕竟,材料某种层度上决定了价格与功能。

就吸音材料的特性分类来说,一般,可以有树脂、羊毛、玻璃纤维等。而数位家电产品的属性来看,树脂乃是主流。所採用树脂的类别有二,一种是热硬化性的,比如说,热硬化性发泡体。另一种为热可塑性的,比如说,热可塑性不织布以及热可塑性发泡体。
多数的供给商,供给热硬化性发泡体,系使用氨基甲酸乙酯(Urethan)。热硬化性的氨基甲酸乙酯(Urethan),当到达某个温度时,会硬化。即使再度加热,也不会软化,在制造上的良率较高,而且与Urethan进一步结合,可以产生更强固的分子结合,能够混入各式各样的原料。也就是说,在遮音性、制振性之外,可以制造出附加额外的特性。而且,通常也以使用后废弃丢弃为前提,不去考量再循环(Re-Cycle)的使用课题。因此,材料的供应厂商也较多。
 


 

 

图五 热硬化发泡体(取材自Bridgestone)。


相对于此,热可塑性树脂具有加热溶解变形,冷却后固定的性质。因此,其成形条件的调整就比热硬化树脂来的困难许多。利用不织布加工的热可塑性树脂,乃是住友3M公司保有的独自技术,很高的耐热性是其优点。而热可塑性发泡体,则是可以回收再循环(Re-Cycle)使用。

 

图六 热可塑性不织布(取材于住友3M)
 

 

        图七 热可塑性发泡体(取材于CCI)。

 

选择吸音材,最累人的地方是,相同一个厂商的品种当中,依据规格上的差异,价格高低可以高达2倍的差异。如果要大略知道为何价格会差如此多,除了看「垂直入射吸音率」之外,无仿看一下吸音材的密度数值,密度越高,就意味着原材料的使用量较多,成本理所当然会高,抑制振动的效果也比较好。密度与「垂直入射吸音率」没有直接关系。吸音率,乃是取决于吸音材的构造。

另外,吸音材几乎有一个共通的弱点,当吸附了油之后,吸音性会滑落。这是由于吸音材内部的空隙或包覆空隙的薄膜有油渗入,使得声音入射困难,噪音弹回来,噪音的吸收率自然就往下掉。因此,在马达或是磁带走行机构旁边附近,容易有油飞散,在此包覆上吸音材料,并非良策。

底下,就针对高「垂直入射吸音率」、卤素化合物含量合乎环保归制(Halogen-free)、难燃性、耐热性又耐候性优良的品种来观察。一般,数位家电产品的噪音频率带域约是在数百Hz~1KHz前后。而吸音材的厚度与吸音率又成正比关系。
数位家电产品常用的组装厚度约在10mm~12mm。因此从其吸音性能曲线就能够知道效果。比如说,10mm的厚度在1KHz能有0.4以上的吸音率,就是相当不错的产品了。

 

 

图八 吸音率与厚度的关系,Bridgestone的VH系列。


 

 


图九 20mm的泛用品(取材于Bridgestone)。


其次,欧洲RoHS环保指令发酵(2006年7月1日),中国版本的RoHS指令也唿之欲出。因此,在难燃材或带电防止材常使用的卤素化合物,必须在规制以下或是完全拿除。

而难燃性对于决战客厅的家电制品来说,是相当重要的项目。发火或是冒烟的危险性或是对于企业形象的影响,都不能忽视。新力的锂离子电池事件,甚至Xbox的电源线事件,还是任天堂某一批DS/DS Lite的电源配接器,都有类似的冒烟事件,乃是眼前的实际案例。每个供应商都是以UL94的规格为基准,认定品的阶级可以区分为HF-1以及HBF,HF-1的难燃性等级较高。

最后,要去确认耐热性、耐候性。特别是氨基甲酸乙酯(Urethan)系的吸音材,受到紫外线的照射或是热能,容易变脆。因此,在寿命週期的产品上或是马达或是电源电路等容易发热的场所,要小心使用。住友3M的产品,在摄氏200度下,2000个小时之后,依然不影响吸音的性能。至于,下雨或是温度变化的影响,通常都是以「ASTM D 1435」所定义的1000小时过后,拉力强度不能有所变化。

(52RD.com)
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