电子设备如何除三害：冲击、振动和过热

作者：Art Pini

关键词：聚氨酯泡沫垫，填实，减震，能量控制

冲击、振动和过热对任何电子系统设计都是一种威胁，因为会迅速导致系统故障。此外，运行时噪音大将导致客户投诉和维修诉求过多。此外，冷却不当也会致使成本增加。

振动和噪音可能是因为冷却风扇安装不当造成的。维护面板和检修口周围的空气泄漏会导致冷空气泄漏，从造成空气温度提升，并降低通风和空调系统的冷却效率。机箱可能会因机械共振而发出响声和振动。

虽然噪音、振动和温度升高几乎是不可避免的，但需要将它们降到最低。为此，设计者可以使用吸能的聚氨酯泡沫垫、缓冲垫和阻尼器。然而，要选择到合适的材料就需要了解它们的主要特性和性能。

本文将以 3M 的 ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫产品为例，探讨设计者在选择阻尼材料时需要考虑的关键特性。文章将展示如何将 ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫产品运用于最苛刻的应用中，以保护关键的设备，同时节省设计者的时间和成本。

ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫

3M 的 ISOLOSS 材料属细孔、高密度聚氨酯泡沫。它耐用、吸能，具有低压缩形变和稳定的应力应变，并可在广泛的温度范围内使用。它们提供各种密度、厚度和形状选择，包括垫片条、圆形和方形，以及方形和矩形板（图 1）。

除了有各种形状外，ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫还有四种不同的密度：10 (160.2)、15 (240.4)、20 (320.4) 和 25 (400.5) 磅/立方英尺 (lb/ft3) （公斤/立方米 (kg/m3)）。在给特定应用配套聚氨酯泡沫时，密度匹配很重要。所有这些泡沫产品的工作温度范围为 -40℃ 至 +107℃（-40˚F 至 228˚F）。

聚氨酯泡沫用于三个不同的应用类别：填实、减震和支撑以及能量控制。填实要求能够密封缝隙，吸收机械冲击和振动，并在配接表面之间提供密封。风扇和外壳之间的衬垫提供振动隔离，并提供密封，以防止压力损失。减震和支撑涉及将物体相互隔离，如安装在车门上的缓冲垫可以关闭开关，从而可以监测车门的关闭。缓冲垫缓冲了开关，减少了门关闭的冲击。像 LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK 或 LS-2006-PSA-2-X2-50PK 这样的小圆形和方形垫，通常用于此类应用。能量控制包括通过吸收冲击和减少振动来减少机械能。

聚氨酯泡沫的主要特性

所有这些应用都依赖泡沫保持其形状的能力，并对压缩它的物体提供一个反作用力。聚氨酯泡沫有两个衡量这些特性的规格：一是耐压缩形变，通常被称为压缩形变，以及压缩应力应变 (CFD)。

压缩形变是衡量泡沫在持续压缩后的永久变形。压缩形变值低，说明泡沫在反复或连续压缩后会恢复到原来的厚度。根据 ASTM D1667，柔性多孔材料的标准规范，3M ISOLOSS LS 泡沫在室温下的压缩形变低于 1%。

ASTM D3574 D 涵盖了柔性多孔材料的标准测试方法，规定了压缩形变的测量。被测材料压缩到 50% 的厚度，并在高温下暴露很长一段时间。压缩形变是指去除压缩后损失的原始厚度的百分比。

一个需要良好耐压缩形变的典型应用是空调的滤网架密封件（图 2）。

空气滤网架使用低压缩形变聚氨酯泡沫来密封滤网外壳，并将滤网固定就位。当取出滤网进行更换或清洁时，泡沫几乎会膨胀到其完全厚度。低压缩形变保证了密封件继续保持其性能，无论它被压缩了多长时间。这种应用将使用像 3M 的LS-1025LM/PSA-0.75 英寸 x 180 英寸-1RL 的衬垫泡沫。LS-1025LM/PSA 是一种 0.75 英寸宽、0.25 英寸厚的带材，密度为 10 lb/ft3。这种柔软的泡沫符合滤网的要求，并能保持就位，同时还能密封检修门。

CFD 代表了泡沫在不同程度的压缩下的坚固程度。ASTM D3574C 测试 CFD 时，将泡沫从原来厚度的 100% 压缩到 30%，也就是10% 到 70% 的压缩。当泡沫被压缩时，测量压缩面施加的使泡沫减少到特定厚度的力。重要的是，要记住这也是泡沫对压缩面施加的力。图 3 显示了压缩量与所施压力的关系图。为每个 ISOLOSS LS 泡沫密度提供了 CFD 表格和/或图表，以便对每个应用的泡沫选择过程进行微调。

考虑某个减震应用，两个表面必须用 100kPa (14.5 psi) 的压力来保持距离。这可以用 25 lb/ft3 的泡沫压缩到约 16%、20 lb/ft3 的压缩到约 28%、15 lb/ft3 的压缩到约 50% 或 10 lb/ft3 的压缩到约 70% 来实现。

减震和降噪

结构减震是一种通过将机械能转化为热能来消除机械能的手段。阻尼材料使用强力粘合剂直接贴在结构的表面上（图 4）。

这种自由层阻尼系统是最简单的形式。由于基础结构的弯曲应力，阻尼材料的延伸和压缩导致了能量的耗散。即使是这种简单的系统，只要阻尼处理设计得当也能产生显著的效果，特别是对于冲击性噪声，可以减少 20 分贝（A-加权）(dBA) 或更多。阻尼材料有正方形或长方形板材选择，也有圆形或方形贴片。这些片状材料可以进行模切或激光切割，以方便 OEM 组装，或作为维护改装套件。覆盖率不一定是全覆盖才有效，只要有 25% 的表面覆盖率，就可以实现 10 dBA 或 更多冲击噪音降低。较大的板材，如 3M 的 LS-1506/PSA-5 “x7”-10PK 和 LS-1006LM-PSA-12 “x12”-6PK，在阻尼应用中很有用。由于其灵活性，这些泡沫可以适合大多数产品设计。

有四个因素决定减震和降噪的量：

1. 基材的类型和厚度。
2. 阻尼材料在工作温度和频率下的厚度和特性。
3. 阻尼材料的厚度与基材的厚度之比。
4. 阻尼材料所覆盖表面积的百分比。

阻尼和振动控制技术利用聚氨酯泡沫的能力，将机械运动转化为低级别的热量，从而降低了噪音和振动水平。ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫为这些应用提供了能量控制手段，即使在恶劣的环境中，它们也能保持其形状、配合和功能。

表 1 汇总了 ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫四种可用密度的全部规格。除了耐压缩形变和压缩应力（负荷）应变的关键规格外，该表还列出了用于鉴定泡沫材料的测试标准。

结语

振动、冲击、噪音和极端温度是许多系统设计必须面临的现实，但合适的阻尼材料可以大大减轻其影响。如上所述，3M 的 ISOLOSS LS 聚氨酯泡沫提供了各种形状、密度和厚度选择，能容忍各种环境，并有很长的使用寿命。它们适合用于密封开口和减少振动的填实应用。在缓冲和支撑应用中，它们能够在固定子组件的同时减少冲击和振动。最后，在减震应用中，它们可用来减少噪音。

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