МНОГОСЛОЙНОЕ ЗВУКОРАДИОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ

Полезная модель направлена на создание комбинированного звуко-радиопоглощающего покрытия, предназначенного для ослабления совместного воздействия на приборы и аппараты электромагнитных и акустических волн, для снижения резонансных явлений, уменьшения уровня электромагнитных волн, взаимодействующих с элементами конструкции корпусов различных устройств, в частности, корпусов системных блоков компьютеров. Использование такого покрытия необходимо в устройствах, имеющих в своем составе СВЧ элементы, либо микросхемы (процессоры, микроконтроллеры), работающие с высокой тактовой частотой (радиостанции, IP-телефоны, компьютеры и т.п.), так и в устройствах, работающих под внешним СВЧ облучением. В подобных устройствах возможны взаимовлияния, приводящие к переизлучению неконтролируемой паразитной электромагнитной волной, модулированной акустическими колебаниями. Этот нежелательный эффект создает проблемы как при защите электронных устройств от побочных электромагнитных излучений и наводок, так и при защите от несанкционированного съема акустической информации из помещений, где расположены электронные устройства, то есть при защите от т.н. «микрофонного эффекта».
Из уровня техники известны различные конструкции многослойных поглощающих покрытий и материалов, снижающих отражение от поверхности предметов звуковых или электромагнитных волн.
Из патентов RU 2117582, RU 2037021, RU 2309965, RU 2196679 RU 2232148, RU 2409597 известны звукопоглощающие покрытия, направленные на снижение акустического взаимодействия предметов с окружающей средой, но не рассчитанные на снижение энергии электромагнитных волн.
Из уровня техники известны радиопоглощающие покрытия и материалы для их изготовления, см., например, патенты RU 2107705, RU 2300832, RU 2355081 и др. Радиопоглощающее покрытие по патенту RU 2107705 выполнено из материала, содержащего полимерное связующее на основе латекса и магнитный наполнитель в виде порошкообразного феррита или железа, при следующем соотношении компонентов, мас.%: связующее - синтетический клей "Элатон" - 80-20%, порошкообразный феррит или порошок карбонильного железа - 20-80%. Для приготовления данного материала в смеситель загружают полимерное связующее на основе латекса, добавляют магнитный наполнителя в виде порошкообразного феррита или железа и перемешивают. Готовый материал наносят слоями на объект защиты. Покрытие поглощает электромагнитное излучение.
Из патента RU 2083775 известна звукоизолирующая панель с максимально возможной звукоизолирующей способностью, имеющая корпус со звукопоглощающей прокладкой, с возможностью обеспечения вакуума во внутренней полости. Корпус панели выполнен цельным и герметичным, он снабжен звукопоглощающей прокладкой, которая размещена как на лицевой, так и на тыльной сторонах панели. Причем в корпусе и на несущих конструкциях объекта, к которым закреплена панель, размещены магниты, образующие бесконтактные узлы крепления - магнитную подвеску. Параметры магнитов: полярность и напряженность магнитного поля - подобраны таким образом, что между корпусом панели и несущими конструкциями сооружения, к которым закреплена панель, образован промежуток, заполненный атмосферным воздухом, а во внутренней полости панели обеспечено наличие среднего вакуума, характеризующегося равенством или превышением длины свободного пробега молекул над наименьшим расстоянием между стенками внутренней полости. Данная панель является эффективным средством акустической защиты, но является громоздкой, сложной в эксплуатации и в изготовлении. Она непригодна для защиты объектов вычислительной техники. Магниты выполняют в данной конструкции только функцию крепления и не рассчитаны на выполнение функции поглощения электромагнитного излучения.
Наиболее близким аналогом изобретения является звукопоглощающий слоистый материал, раскрытый в описании патента RU 2117582, опубликованного 20.08.1998. Звукопоглощающий материал может быть использован в качестве многослойного облицовочного звукопоглощающего покрытия, например, для металлического корпуса транспортного средства. Многослойное звукопоглощающее покрытие, выполнено из нескольких слоев плотного и пористого материала. В качестве основы покрытия использован пористый слой из синтетического войлока, а дополнительные слои представляют собой слой фольги и прокладку из перкаля, расположенные по обе стороны от основы, с которой соединены посредством полимерных слоев, причем на внешнюю сторону прокладки из перкаля нанесен полимерный слой при следующем соотношении толщин слоев, мм: фольга - 0,08-0,082; полимерный слой - 0,35-0,38; основа - 5,0-5,5; полимерный слой - 0,12-0,15; перкаль - 0,12-0,15; полимерный слой - 0,12-0,15; при этом полимерные слои выполнены на основе полиизопренового каучука и полидиметилфенилсилоксановой смолы. При этом полимерные слои, соединяющие фольгу и прокладку перкаля с войлоком, представляют собой липковязкие слои, а полимерный слой, нанесенный на внешнюю сторону перкаля - самоклеящийся липковязкий слой. Данное покрытие снижает акустическое воздействие на объект, но не снижает энергию электромагнитных волн, взаимодействующих с элементами конструкции корпуса устройства, не позволяет использовать свои составляющие многократно, сложно в изготовлении, с ним удобно работать лишь на плоских поверхностях.
Из уровня техники не выявлены аналоги комбинированных звукорадиопоглощающих покрытий.
Полезная модель направлена на решение задачи создания многослойного покрытия новой структуры из звукопоглощающего и одновременно радиопоглощающего материала, в частности, позволяющего ослабить «микрофонный эффект», возникающий при СВЧ облучении системных блоков компьютеров.
При разработке полезной модели было установлено, что наибольшее влияние на возникновение «микрофонного эффекта» оказывают не электронные компоненты компьютера, а элементы конструкции его корпуса. При распространении внутри корпуса звуковые волны встречают на своем пути препятствия в виде стенок, креплений, плат и т.п., и вызывают их микродеформацию. Большие плоские поверхности из металла способствуют созданию в корпусе различных резонирующих элементов, которые при СВЧ облучении переотражают модулированную акустическими колебаниями СВЧ энергию, что, в частности, создает возможность утечки речевой информации из офиса.
Техническим результатом полезной модели является ослабление отклика конструкции корпуса на акустическое воздействие при снижении энергии электромагнитной волны, взаимодействующей с элементами конструкции корпуса.
Поставленная задача решается путем создания многослойного звукорадиопоглощающего покрытия, выполненного из нескольких слоев плотного и пористого материала. Заявленное покрытие выполнено комбинированным и составлено из одного или нескольких слоев, прилегающих к основе, выполненных из магнитного полимерного материала, и из внешнего слоя, выполненного из пористого полимерного материала, то есть из пористого звукопоглотителя.
Полезная модель иллюстрируется фиг.1-4 и примерами.
На фиг.1 показаны два фрагмента поперечного сечения заявленного покрытия, содержащего 2 слоя магнитного листового полимерного материала и внешний слой пористого полимерного материала - звукопоглотителя. Первый фрагмент соответствует материалу покрытия в спокойном исходном состоянии, а второй фрагмент соответствует состоянию покрытия под действием звуковой (акустической) волны.
На фиг.2 показано размещение слоя МЛМ покрытия в полости между панелью крепления материнской платы компьютера и внешней стенкой корпуса.
На фиг.3 показана многополюсная конфигурация намагниченности покрытия. На фиг.4 фотография покрытия, размещенного на стенке корпуса компьютера, где на фиг.4а представлен вид сверху, а на фиг.4б показан отогнутый край верхнего пористого слоя, под которым на подложке закреплено два слоя МЛМ.
Как работает заявленное звукорадиопоглощающее покрытие, показано на фиг.1.
В качестве полимерного магнитного материала использован магнитный листовой материал - магнитопласт со структурой, включающей гранулированный намагниченный ферритовый наполнитель в полимерной матрице.
Основой для нанесения покрытия является подложка, выполненная из металла, или содержащая элементы, выполненные из металла.
2
Указанный выше ферритовый наполнитель введен в слои полимерного магнитного материала в количестве, обеспечивающем удерживающую силу (адгезионное взаимодействие) величиной до 80 г/см и более.
Подложкой для нанесения заявленного покрытия, преимущественно, является внешняя и/или внутренняя поверхность корпуса звукоизолируемого устройства.
В частности, в соответствии с заявленной полезной моделью подложкой является внешняя и/или внутренняя поверхность корпуса системного блока компьютера.
2
Магнитный листовой материал (МЛМ), благодаря большому количеству полюсов на 1 см и, соответственно, высокой удерживающей силе, порядка 80 г/см, очень подходит для модернизации конструкционных элементов металлических корпусов различных устройств и приборов, в первую очередь, корпусов процессоров, для снижения влияния акустического воздействия. Использование МЛМ позволяет увеличивать толщину материала и массу элементов конструкции, повергающихся акустическому воздействию. Таким образом, заявленное покрытие является вибропоглощаюшщим, оно позволяет существенно улучшить виброакустические свойства защищаемых объектов.
При сравнении с известными материалами, имеющими клеевой удерживающий слой, МЛМ позволяет использовать его многократно без ухудшения качества. В ряде случаев, например, при необходимости разместить защитный материал в щелевом пространстве между двумя листовыми поверхностями корпуса (см. фиг.2), применить что-либо другое просто не представляется возможным. На фиг.2 показано размещение первого МЛМ слоя покрытия в полости между панелью крепления материнской платы и внешней стенкой. Ширина зазора h=1,5 мм.
Диапазон температур, воздействующих на материал покрытия, составляет от -40°С при транспортировке до +50°С при эксплуатации, что приводит к ухудшению адгезионных свойств клеевого удерживающего слоя и его отслоению. Для МЛМ такой проблемы нет. С увеличением температуры удерживающая сила уменьшается на 3-5% на каждые 10 градусов от 20°С вплоть до максимально возможной температуры эксплуатации +80°С.
Содержащиеся в составе МЛМ гранулы феррита не только обеспечивают крепление МЛМ на защищаемой конструкции, но увеличивают акустические потери в самом материале, обеспечивают его акустическую изотропию. Использование МЛМ позволило наносить защитный материал по поверхности равномерно без полостей и каверн, создавать покрытия различной толщины и массы. Тем самым для различных элементов конструкции корпуса подбирать оптимальные параметры защитного покрытия без использования специального дорогостоящего оборудования за счет подбора количества слоев и их толщины.
Использование магнитного крепления заявленного покрытия на объекте позволяет использовать материал покрытия (МЛМ) многократно, без потери эффективности и адгезионных свойств. Отрицательным эффектом данного вида доработок является общее увеличение массы доработанного блока примерно с 7,5 кг до 9,3 кг. Однако для настольного устройства это не является критическим недостатком.
Магнитный листовой материал (МЛМ) или полимерные магниты (магнитопласты) изготавливаются из смеси магнитного порошка и связующей полимерной матрицы. Этот вид магнитных материалов имеет высокую воспроизводимость и стабильность магнитных свойств, большой срок службы, низкие издержки при изготовлении, возможность получать изделия сложной формы с высокой точностью соблюдения заданных размеров, хорошую механическую прочность и пластичность; устойчивость к коррозии, малый вес.
При изготовлении гибких полимерных магнитов в качестве матрицы используются термопласты и эластомеры. К эластомерам относятся полимеры и материалы на их основе, характеризуемые высокоэластичными свойствами в рабочем диапазоне температур. Примерами эластомеров, применяемых при изготовлении гибких полимерных магнитов, являются винил, нитриловая резина, хайпалон (сульфахлорированный полиэтилен). Магнитные порошки изготавливаются, преимущественно, из бариевого или стронциевого ферритов, сплавов на основе редкоземельных элементов (неодим-железо-бор, самарий-кобальт, самарий-железо), алнико; используются также смеси этих материалов. От того, какой магнитный наполнитель использован в данном продукте, зависят его магнитные характеристики.
Полимерные магниты изготавливаются литьем под давлением, экструзией, прессованием или каландрированием. На начальном этапе готовится исходная смесь, включающая в себя магнитный порошок, полимерный материал, антиокислители и пластификаторы (при необходимости). Магнитный порошок может составлять до 78% от объема исходной смеси. В процессе экструзии нагретая смесь исходных компонентов продавливается через фильеру с профилирующим каналом заданной формы. В результате получаются магнитные полимерные профили нужного сечения. Литье под давлением производится путем выдавливания нагретой смеси в заданную форму. При прессовании исходная смесь из магнитного порошка и эпоксидной смолы, помещенная в заданную форму, подвергается отверждению под действием механического одноосного напряжения, прикладываемого прессом. Следует отметить, что прессование позволяет получать полимерные магниты с более высоким содержанием магнитной компоненты, чем метод экструзии (78 объемных процентов против 75). Каландрирование представляет собой многоступенчатую прокатку нагретой смеси исходных компонентов через систему металлических валков круглого поперечного сечения. В результате получается гибкий полимерный магнитный лист, толщина которого определяется расстоянием между валками, а ширина - их длиной. В дальнейшем лист может быть разрезан на полосы нужной ширины. Магнитные полимерные полосы могут быть также получены с помощью экструзии при использовании профилирующего канала прямоугольной формы. В качестве полимерной компоненты при каландрировании используются эластомеры, а при экструзии и литье под давлением - эластомеры и термопласты. Жесткие магнитопласты на эпоксидной матрице характеризуются более высокими, чем у гибких магнитов, значениями внутренней коэрцитивной силы Hci, остаточной индукции Вr и энергетического произведения (ВН)mах. Типичные значения магнитных параметров полимерных магнитов даны в приводимой ниже таблице 1.
В соответствии с заявленной полезной моделью в качестве полимерного магнитного материала использован листовой магнитный материал в виде листовых пластин с гранулированным намагниченным ферритовым наполнителем
Предпочтительно, используется многополюсная конфигурация намагниченности, показанная на фиг.3 (здесь S - это южный магнитный полюс, а N - северный). При этом на поверхности материала чередуются северный и южный магнитные полюса, а силовые линии магнитного поля расположены параллельно поверхности. Это позволяет значительно увеличить силу, с которой намагниченный полимерный лист или профиль притягивается к поверхности материала, обладающего магнитными свойствами, и обеспечивает его надежное крепление на ней. Предпочтительно, применяется многополюсная конфигурация с пятью полюсами на 1 см. Ширина полюса составляет 0,2 см, но возможны конфигурации с двумя и четырьмя полюсами на 1 см. Общее правило таково: чем больше число полюсов на 1 см, тем выше интенсивность магнитного поля у поверхности материала, но тем быстрее она уменьшается при удалении от материала.
2
Важный параметр гибких листовых полимерных магнитов - это удерживающая сила. Она определяется как сила, необходимая для удаления с магнитной поверхности материала стального диска единичной площади вертикально вверх. У листовых магнитных материалов, использованных в полезной модели, достигает 80 г/см. Причем, у более толстого материала величина удерживающей силы больше и уменьшается с уменьшением толщины.
Для реализации полезной модели возможно использовать продукцию фирмы Flexmag Industries, Inc. (США), выпускающую материалы: UltraMag, SafeMag и ThinMag. Для изготовления покрытия можно, например, использовать листы UltraMag и SafeMag - толщиной от 0,38 мм, а листы ThinMag - 0,25 мм, их магнитные характеристики, соответствующие составам FM-3, FM-4 FM-10 FM-12, приведены в таблице 2, где Br - это остаточная намагниченность в Гауссах, Hci - коэрцитивная сила в Эрстедах, (BH)max - энергетическое произведение (Br×Hci).
Пример.
2
Для реализации заявленного технического решения изготовили многослойное комбинированное звукорадиопоглощающее покрытие в виде двух слоев МЛМ UltraMag фирмы Flexmag Industries, Inc. (США), толщиной 1 мм каждый и одного слоя пористого материала ИзолонТейп (производитель "Ижевский Завод Пластмасс") толщиной 4 мм. Слой пористого материала ИзолонТейп, закреплен на верхнем слое МЛМ клеем. При этом два слоя МЛМ в составе данного покрытия удерживаются между собой за счет магнитного взаимодействия между указанными слоями без применения каких-либо адгезивов. Полученное многослойное звукорадиопоглощающее покрытие разместили на внутренней поверхности корпусе системного блока компьютера HP. Оно удерживается на корпусе системного блока при помощи магнитного взаимодействия МЛМ с металлическими стенками корпуса без применения адгезива, при этом удерживающая сила покрытия составляет 80 г/см. Отсутствие адгезива (клеевого слоя) между корпусом и покрытием и между магнитными слоями покрытия создает возможность многоразового использования данного покрытия и его компонентов, поскольку его легко снять без каких-либо повреждений с одного объекта и перенести на другой защищаемый объект. Расположение покрытия на стенке корпуса компьютера показано на фиг.4а и 4б, где видно, что на подложке закреплено два слоя МЛМ, а верхний слой пористого поглотителя отогнут для показа нижележащих слоев.
При использовании покрытия воздействие звуковой волны приводит к микроперемещениям стенок и других элементов корпуса (См. фиг.1). Жесткость на изгиб МЛМ невелика, поэтому имеется выраженный эффект снижения частоты резонансов и их амплитуды за счет увеличения массы колеблющихся элементов системы. Колебания приводят также и к микроперемещениям слоев материалов друг относительно друга и относительно металлической поверхности, на которой они размещены, т.к. они закреплены не жестко, а за счет удерживающей силы магнитного поля. Это приводит к тому, что энергия акустической волны тратится на взаимное трение слоев и переводится в тепловую энергию, которая рассеивается в пространстве.
Несколько иначе работает пористый поглотитель. В поле звуковой волны воздух сжимается и расширяется. Это воздействие передается через гладкую поверхность пористого материала пузырькам воздуха по всей толщине материала. Возникают вязкие силы трения при взаимодействии пустот, заполненных воздухом с материалом поглотителя, также имеются потери в местах сужений и изломов пор в структуре материала. Это основные причины поглощения энергии звуковой волны в материале. Также этот материал вносит свой вклад в снижении резонансных частот колебаний стенок за счет своей массы и в демпфирующий эффект за счет внесения потерь при своей пластической деформации.
Наполнитель МЛМ представляет собой бариевый феррит, который обладает свойством поглощения магнитной составляющей электромагнитной волны (ЭМВ) в диапазоне свыше 2 ГГц за счет расходования энергии ЭМВ на перемагничивание доменов ферритового наполнителя. Наполнитель и полимерная матрица МЛМ не обладают электропроводимостью.
Для оценки эффективности защиты корпуса компьютера при помощи двухслойного комбинированного звукорадиопоглощающего покрытия, размещенного на внутренней поверхности стенок системного блока, защищаемый объект разместили в поле акустической волны и одновременно подвергали СВЧ облучению. Паразитное излучение, вызванное микрофонным эффектом, воспринималось приемными антеннами и передавалось для обработки анализатором спектра. При этом замеряли уровень звукового давления и оценивали уровни паразитной СВЧ волны. Результаты измерений показали, что после доработки, большинство паразитных сигналов, обнаруженных ранее на недоработанных компьютерах, исчезли, а уровни оставшихся незначительно превышали параметры окружающего шума.
Пример 2.
Изготовили многослойное комбинированное звукорадиопоглощающее покрытие, как описано в примере 1, но на поверхностях нижней и верхней боковых крышек системного блока компьютера использовали покрытие, имеющее 3 слоя МЛМ плюс 1 слой пористого звукопоглотителя.
Отметим, что с точки зрения безопасности для электрокомпонентов системной платы компьютера нанесенное покрытие беопасно, не вызывает замыканий в разъемах и на системной плате, поскольку наполнитель и полимерная матрица МЛМ не обладают электропроводностью. Покрытие, изготовленное в соответствии с заявленной полезной моделью по примеру 1 и по примеру 2, дает эффективное снижение побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН) за счет ослабления отклика конструкций корпуса на акустическое воздействие звуковой волны и поглощения МЛМ энергии электромагнитной волны, взаимодействующей с корпусом.
Пример 3.
Изготовили двухслойное звукорадиопоглощающее покрытие, как описано в примере 1, при этом в составе МЛМ использовали гранулированный намагниченный стронциевый феррит и виниловую матрицу или намагниченный порошок карбонильного железа в матрице термопластичного полиэтилена. В первом варианте разместили покрытие на внутренних элементах корпуса радиостанции, а во втором варианте - с внешней стороны на корпусе IP-телефона. В обоих вариантах исполнения заявленное покрытие показало свою эффективность по снижению резонансных явлений с точки зрения защиты указанных устройств от вредного воздействия микрофонного эффекта.
Таким образом, все приведенные примеры подтверждают получение технического результата, заключающегося в ослаблении отклика элементов конструкции корпусов электронных приборов на акустическое воздействие при снижении энергии электромагнитной волны, взаимодействующей с корпусом. То есть заявленное техническое решение устраняет явления нежелательного изменения параметров электрической и/или магнитной цепи электронного прибора, вызванное механическими вибрациями, сотрясениями, в частности, звуковыми колебаниями. Устраняются помехи в работе радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, заявленное покрытие эффективно при защите от несанкционированного съема акустической информации из помещений, где расположены электронные устройства.
Таблица 1
Вид магнита, способ получения
Магнитная компонента
(BH)max, МГсЭ
Hci, Э
Вr,Гс
Жесткие магниты; литье под давлением, прессование
бариевый феррит
2700-5000
2100-2800
1.4-1.9
Sm-Co
16000
6100
8.5
NdFeB
4300-16000
4900-7000
4.8-10.3
Гибкие магниты; каландрирование, экструзия
бариевый феррит
2100-3600
2100-2700
1-1.8
NdFeB
10000
5300
6
Таблица 2
Состав
Вr, Гс
Hci, Э
(ВН)mах, МГсЭ
FM-3
1700
2250
0,6
FM-4
1700
2200
0,6
FM-10
2000
2900
0,9
FM-12
2250
3250
1,2