ИЗМЕРВАНЕ НА ШУМ И ВИБРАЦИИ – МЕХАНИЧНИ КОЛЕБАНИЯ 

ИЗМЕРВАНЕ НА ШУМ И ВИБРАЦИИ – СРЕДСТВА НА ИЗМЕРВАНЕ

За качествено измерване на шум и вибрации, ние Ви препоръчваме да се обърнете към колегите ни от

измервания.com

ИЗМЕРВАНЕ НА ШУМ И ВИБРАЦИИ – ВЪВЕДЕНИЕ

Шумът по своето хигиенно значение е на едно от първите места сред неблагоприятно действащите физични фактори на работната среда. Нарастването на производствените източници на шум нерядко се съпровожда и от влошаване на шумовите параметри и води до увеличаване както на професионалните групи, експонирани на наднормени шумови нива, така и на професионалния риск от шумови увреждания и заболявания. Характерно за шумовото въздействие са субективни оплаквания, като главоболие, невротизъм, шум в ушите, световъртеж, промени в самочувствието и настроението, безпокойство, нарушения на съня.

Професионалното увреждане на слуха – неврит на слуховия нерв, заема водещо място в структурата на професионалната заболеваемост у нас. Най-голям брой лица с професионална загуба на слуха през последните пет години са регистрирани в следните подсектори на икономическите дейности: добив на енергийни суровини, производство на текстил и облекло, металургия и производство на метални изделия, производство на машини и оборудване, производство на химични вещества, химични продукти и химчни влакна, транспорт, складиране и съобщения. Наблюдава се зависимост между появата на увреждането с нарастване на възрастта и трудовия стаж. Така например за 2000 г. и 2001 г. най-много са случаите във възрастовата група от 45 до 55 години и трудов стаж – над 10 години.

Въздействие на шума в работната среда

Въздействието на шума в работната среда може да постави работещия в рискови ситуации – с преки последствия върху безопасността, поради нечуване на предупредителни сигнали, вик за помощ, ще пропусне важно съобщение и непреки – поради намаляване на способността за концентрация на вниманието, намаляване сръчността и уменията, ускорено настъпване на умората, влошено качество на труда, повишаване на риска от злополуки и др.

Измерването на вибрациите е наложително, за да се оцени, от една страна, влиянието им върху експлоатационния срок на машините и конструкциите, а от друга – да се установи прякото им въздействие върху човека. При продължително въздействие на пренесените върху ръцете на работника прекомерни вибрации може да се причини специфичното заболяване – вазоневроза.

Важно е още в самото начало да се подчертае факта, че шумът се появява като резултат от вибрациите на техническите съоръжения вследствие на механичните напрежения в материала, които водят до преки увреждания, класифицирани с общото понятие умора.

Шумът се дефинира като съвкупност от звукови вълни с различна честота и амплитуда, които се разпространяват във въздуха и се възприемат от човешкото ухо. Друго определение за шум е: всеки нежелан звук, който причинява неприятно или смущаващо възприятие или има увреждащо действие.

Звукът е механично вълнообразно трептение на еластична среда, което може да придизвика слухово усещане в честотния обхват на нормалния човешки слух.

Фиг. 1 Представяне на синусоидално трептене

Най-простия периодичен сигнал се представя с помоща на синусоида (фиг. 1). Математическият израз на този сигнал е :

A = A_MAX. Sin (wt + j),

където А е моментната стойност на амплитудата на сигнала;

А_MAX – максималната стойност на амплитудата на сигнала;

w = 2.p.f – ъглова честота;

j – фазов ъгъл.

В практиката на измерванията не се използва максималната стойност на амплитудата, а нейната ефективна стойност, която е мярка за пренасяната от сигнала енергия.

,

Средната стойност се използва рядко в звукоизмервателната техника и се определя от израза:

А_СР = 0,636А_MAX = 0,9A_ef,

Сложното (пълно) трептене се изобразява като сбор от периодични (хармонични) функции (метод на суперпозицията).

Звуковата вълна се разпространява от източника на звука сферично, като посоката на разпространение се определя от звуковия лъч. Вълнообразното движение се получава чрез периодично сгъстяване и разреждане на частиците на средата. Налягането на частиците в средата се повишава при сгъстяването им и намалява при разреждането им. Това налягане се нарича звуково (акустично) налягане и представлява променливо налягане, което се наслагва към барометричното при разпространението на звуковите вълни. В практиката се използва неговата ефективна стойност. Най-слабите звукове, които човек може да възприеме, имат звуково налягане около – Р₀= 2.10^-5 Ра (т.н. праг на чуваемост) и се приема за сравнителна (реперна) стойност. Друг важен параметър е честотата, която определя броя на трептенията в една секунда, а реципрочната и стойност се нарича период, които дава времето за едно трептение – Т=1/f.

В акустиката съотношението между две честоти – 1/2 се изразява с основния музикален интервал – октава, а при отношение на честотите – 1/10 определя една декада. Човешкото ухо на човек с нормален слух може да възприеме звуци с честота от около 20Hz до 18 000Hz. Този честотен диапазон се стеснява с увеличаване на възрастта на индивида.

Скорост на разпространение на звука

е скоростта на разпространение на звуковата вълна в дадена среда по посока на звуковия лъч. Скоростта на звука силно зависи от средата, в която се разпространява звуковата вълна. Във въздуха тя се определя по зависимостта:

с₀= 331,8+0,607.θ, (m/s)

където θ е температурата на въздуха в ⁰С.

Във въздуха при нормални условия скоростта на звука е – с₀ @ 330m/s и на практика не зависи от влажността на въздуха и барометричното налягане. Скоростта на звука се увеличава с увеличаване плътността на средата, в която се разпространяват звуковите вълни. За вода тази скорост е – с₀ @ 1500m/s, а за твърди тела се намира в интервала – с₀= (2000 – 6000)m/s.

Дължина на звуковата вълна

е отношението между скоростта на разпространение на звука и неговата честота – λ= с₀/f.

Интензивност на звуковото поле

е изменението на звуковата енергия, пресичаща единица повърхност, перпендикулярна на посоката на разпространение на звуковата вълна. При плоска звукова вълна (на голямо разстояние от звукоизточника и без прегради по пътя на разпространението и) тя се определя като произведение от звуковото налягане и акустичната скорост – J=р.v, Wm^-2.

Свободно звуково поле –

предполага неограничено разпространение на звуковата енергия във всички посоки.

Звукова мощност

е произведението от интензивността на звука и цялата повърхнина, върху която попада излъченият от източника звук – Р=J.S, W.

В областта на електротехниката, електрониката и звукотехниката се използва понятието ниво – това е логаритмичното отношение на дадена величина към установена, сравнителна (реперна) стойност:

Н= log(V/V₀)

където V е стойността на сравняваната величина;

V₀– сравнителната (реперната) стойност.

Единицата за ниво е Бел – [B]. В реалната практика се използва десет пъти по-малката единица – [dB]. Слуховото възприятие на човека е приблизително пропорционално на приетата звукова енергия. Тогава при определяне нивото на звука е удачно да се изходи от интензивността на звука:

L=10log(J/J₀), [dB]

Тогава нивото на звуковото налягане ще бъде:

L=20log(P/P₀), [dB]

В таблица 1 са представени ориентировъчните стойности на нивата на звуковото налягане на някои типични звукоизточници.

Таблица 1 Нива на звуковото налягане

Измерване на праговите стойности на звуковото налягане

При измерването на праговите стойности на звуковото налягане за различни честоти в интервала на нормално възприеманите от човешкия слух честотен диапазон е установено, че чувствителността на човешкия слух зависи от честотата на звуковия сигнал. В тази зависимост взема участие още и нивото на звуковото налягане. Комплексното разглеждане на двете зависимости на чувствителността на слуха от честотата и от нивото на звуковото налягане са намерили своето отражение с известните криви на еднаквите нива на силата (субективното усещане) на чуване, наричани още криви на Флетчер – Менсън – автори на първоначално построените криви – фиг.2. Тези криви са валидни при следните предпоставки:

• звукоизточника е фронтално срещу слушателите;
• звуковите вълни попадат до слушателите в свободно звуково поле като плоски вълни;
• звуковото налягане е измерено в мястото на слушателите в тяхно отсъствие;
• слушането е бинаурално (слушане с двете уши);
• слушателите са с нормален слух на възраст между 18 и 25 години.

В областта на звуковата техника и измерването на шум са въведени и някои субективно обосновани величини, по-важни от които са следните:

Ниво на силата на чуване – във фонове [Ph] числено е равно на нивото на звуковото налягане L [dB], ако слушател с нормален слух установи, че силата на чуване на този звук е еднаква със силата на чуване на прост звук с честота 1000Hz (виж фиг.5.8.2).

Сила на чуване – в сонове [son] – изразява адитивната мярка на субективното възприемане.

Критични честотни ленти – участват в маскирането на простия звук при ниски нива на звуковото налягане.

Фиг. 2 Криви на равна чуваемост

 След дефинирането на тези понятия могат да се дадат пояснения към фиг.2. Кривите на еднакви нива на силата на чуване свързват точките с ординати – ниво на звуковото налягане (или ниво на интензивността на звука) и с абсциси – честота на звукове, субективно оценени с еднаква сила на чуване. За звук с честота 1000Hz нивата на звуковото налягане в dB съвпадат с нивата на силата на чуване във Ph.

Величините характеризиращи вибрациите са всъщност величини характеризиращи движението на отделните точки на едно вибриращо тяло. То може да се опише с изменението във функция на времето на неговото отклонение S, скорост V или ускорение a. Връзките между тези величини известни от Механиката, при простите синусоидални трептения могат да се опростят (при положение, че се пренебрегне фазата на сигнала):

S=V/w = a/w², [m]

V= w.S = a/w, [m/s]

a= w.V = w². S, [m/s²]

където w=2.p.f.

Механичните трептения  /вибрации/

обикновенно се характеризират с два от следните три     параметъра:  амплитуда на трептене, амплитуда на ускорението, честота на трептенето. Амплитудата и честотата на трептенето са свързани с едно вредно в областта на машиностроенето явление наречено резонанс. Явлението резонанс представлява рязко увеличаване на резултантната амплитуда на принуденото колебание в някаква система, настъпващо при съвпадане на честотата на външнито принудено колебание с някоя от собствените колебателни честоти на системата.

Към собствената колебателна честота 2 (фиг.3) се наслагва принудената колебателна честота 1. В резултат от наслагването се получава рязко увеличаване на резултантната амплитуда. Това явление често довежда до излизане от строя или до разрушаване на машината, съоръжението или конструкцията вследствие на недопустимото увеличаване на амплитудата на трептенето.

Фиг. 3 Резонанс

ИЗМЕРВАНЕ НА ШУМ И ВИБРАЦИИ – СРЕДСТВА ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ВИБРАЦИИ

Приборите, които се използват за измерване на механични трептения се наричат виброметри (шумомери). Приборите служещи за запис на част или на целия измерван спектър на процеса (шумов или вибрационен) се наричат вибрографи. Първичните преобразуватели за измерване на ускорения (виброускорения) се наричат акселерометри. Схематично устройството на първичен преобразувател за измерване на вибрации   е показан на фиг. 4.

Подвижната част се състои от маса – m, еластичен елемент – W и ускорител – P. При възникване на вибрации на корпуса – А, в масата – m чрез пружината – W също ще възникне аналогичен процес на  трептене. На този стремеж ще се противопоставя ускорителя – Р, които ще ограничи и погаси породените колебателни явления на масата – m.

Както всички измервателни прибори, така и акселерометрите не трябва да изкривяват измервателния процес т.е. не трябва да увеличават масата на измерваното тяло и да променят собствената му честота на трептене. Друго важно изискване предявявано към акселерометрите е безинерционното следване на колебателния процес.

Фиг.4 Схема на първичен преобразувател за измерване на вибрации

От преобразувателите за измерване на амплитудата на колебателния процес най-голямо приложение са намерили индуктивните вибромери (фиг.5). Те позволяват снемането на вибрации от повърхнините на машините и съоръженията. Цилиндричната бобина 1, сърцевината 2 и успокоителната маса 3 са окачени върху двете пружини 4, притежаващи ниска твърдост по вертикалната ос на вибромера и висока твърдост по хоризонталната ос, благодарение на което системата (поз. 1, 2 и 3) остава точно центрована в пространството при всяко положение на преобразувателя.

Фиг.5 Индуктивен вибромер

Бобината 1 и масата 3 се намират в силно магнитно поле, създадено от постоянния магнит 5, закрепен към корпуса 6. Към корпуса 6 посредством резбово съединение е монтиран сменяемия измервателен накрайник 7. В процеса на измерване измервателния накрайник се допира до измерваната вибрираща повърхнина. Честотата на собствените колебания на системата 1-2-3 е около 6Hz. При вибриране на корпуса 6 с магнита 5,  бобината 1 остава неподвижна в пространството, поради което в нея се индуктира ЕДН. Цилиндричната маса 3 оказва успокояващо въздействие върху цялата механична система. Индуктивните вибромери са подходящи за измерване на големи вибрации (такива с голяма амплитуда). За малки вибрации те не са подходящи, тъй като имат малка чувствителност и сравнително голяма грешка, дължаща се на разсейването на магнитния поток в пространството, токовете на Фуко, магнитния хистерезис и др.

Акселерометри

Като акселерометри могат    да  се  използуват всички преобразуватели, намерили приложение  при   измерването  на  сили. Най-голямо  приложение   са   намерили акселерометрите разработени на базата на пиезоелектрични и жични тензопреобразуватели.

Схемата на пиезоелектрически акселерометричен  преобразувател е показана на Фиг.6. Масата 1 е притисната между две двойки кварцови пластинки 2 с помощта на болта 3. Всички части на преобразувателя са монтирани в разглобяем корпус, състоящ се от горна част 5 и долна част 4. Опорните пластини 6 са изработени със сферични легла за по-добра центровка на силите, действуващи върху кварцовите пластинки. Първоначалният натиск, създаван от болта 3, трябва да превишава най-голямата стойност на инерционната сила, породена от масата 1, за да се избегне отделянето на масата от кварцовите пластинки. Честотата на собствените трептения на пиезоелектричния акселерометър е в границите 6000 – 7000 Hz поради което той е подходящ за измерване на процеси с висока честота.

Фиг.6 Пиезоелектрически акселерометър

Идеята за използуването на жичните тензопреобразуватели за измерване и регистриране на ускорения, се илюстрира със схемата, показана на Фиг.7. Основата А се закрепва към изследвания обект. Инерцията на масата m разтяга или свива еластичния елемент В, върху който са залепени и свързани в подходяща схема тензопреобразувателите, които възприемат трептеливия процес, преобразувайки го в електрически сигнали, предавани на тензоусилвателя 2 и регистриращия прибор 3.

 Фиг.7 Тензопреобразувателен акселерометър

 Друга схема на акселерометър, разработен на базата на тензопреобразувателите е показан на фиг. 8.

Еластичният елемент представлява две тънкостенни еластични чаши 2, основите на които са монтирани чрез болта 3 и гайката 4,  монтирани в корпуса 1. Общата дължина на двете чаши е по малка от дължината на корпуса 1, за да се получи първоначално опъване на стените на чашите 2. Това първоначално опъване на стените на чашите е необходимо за да се превърне схемата на измерване в диференциална. Закрепването към измерваната повърхнина се осъществява чрез шайбата 5 и болта 6. Притискането към измерваната повърхнина се осъществява чрез контрагайката 7. Ролята на трептящата маса – m в този случай се изпълнява от чашите 2, болта 3, гайката 4 и допълнителни шайби поставяни върху болта 3. Изменяйки броя на тези шайби може да се регулира честотата на собствените трептения (f₀), която може да се пресметне по зависимостта:

,

където l е работната дължина на чашите;

S – удвоеното сечени на чашите;

Е – модул на еластичност на материала на чашите.

Фиг.8 Схема на тензометричен акселерометър

Върху всяка чаша са залепени по две двойки тензопреобразуватели. Всяка двойка се включва в различни рамена на измервателния мост. Използването на четири тензодатчика изключва не само температурната грешка но и грешката породена от напреженията на огъване.

Като недостатъци на тензометричните акселерометри могат да се посочат: значително влияние на температурата върху грешката на измерване и  поява на умора на материала на тензодатчика при цикличното знакопроменливо натоварване.

Фиг.9 Разрез на два типа най-разпространени акселерометри

а) делта тип; б) компресионен тип.

Фиг. 10 Общ вид на акселерометри, производство на различни фирми

В качеството на първични преобразуватели при измерване на шум и звук се използват измервателни микрофони. Основно изискване към измервателния микрофон е да притежава равномерна амплитудно – честотна характеристика в зададения честотен обхват, а също така и равномерна характеристика на насоченост (т.н. диаграма на чувствителност), за да се гарантира независимост на измерването от посоката на падане на звуковите вълни.

Фиг.11 Амплитудно – честотна характеристика  на някои типове широко разпространени кондензаторни микрофони

На тези условия отговарят кондензаторните микрофони (фиг.13), които са най-разпространени в практиката поради несъмнените си предимства: равномерна амплитудно-честотна характеристика (фиг.11) и сравнително висока чувствителност – (5 – 50) mV/Pa.

При невъзможност за използване на кондензаторни микрофони (при тежки експлоатационни условия) се препоръчва използването на електродинамични микрофони. Те притежават сравнително равномерна амплитудно – честотна характеристика, която при необходимост лесно се корегира с пасивни или активни корегиращи вериги и сравнително добра чувствителност. Пиезокристалните микрофони практически не се използват в областта на измерванията.

Фиг.12 Кондензаторни измервателни микрофони – общ вид

Фиг.13 Кондензаторен измервателем микрофон – схема

Основно изискване към шумомерите (звукомерите) е правилното калибриране на чувствителността им, непосредственно преди всяко измерване. На всички съвременни – шумомери (звукомери) заедно с микрофона е предвидена калибровка със стандартен звуков сигнал (f=1000Hz, P=96dB). За източник на стандартния сигнал може да се използват различни системи с електрически генератори. В комплекта на съвременните шумомери влиза генератор на този еталонен звуков сигнал – т.н. пистофон.

Фиг. 14 Два типа съвременни шумомери – а; калибриране на шумомер с помощта на пистофон – б;

Крайният резултат при измерването на нивото на звуковото налягане е построяването на шумова диаграма на помещението или обекта. Тя дава разпределението на нивото на звуковото налягане в обема на помещението или обекта. Измерването се извършва в предварително установени точки, отстоящи на строго диференцирани разстояния спрямо основния звукоизточник – фиг. 15, образуващи полусферична повърхнина.

Фиг.15 Шумова диаграма – разположение на измервателните точки

ИЗМЕРВАНЕ НА ШУМ И ВИБРАЦИИ – ТОЧНОСТ НА ИЗМЕРВАНЕ. ОСНОВНИ ВЛИЯЕЩИ ФАКТОРИ.

Върху точността на измерване на вибрациите и шума (звука) влиаят редица външни и вътрешни за измервателната система фактори.

Вътрешни фактори

Вътрешните за системата фактори са свързани с грешката на първичните преобразуватели (акселерометри и измервателни микрофони), измервателните прибори (виброметри, шумомери, звукомери), както и допълнителния шум, които свързващите кабели внасят в измервателния сигнал.

Типични стойности на грешката на най-широко използваните видове акселерометри при температурен интервал  20⁰С – 100⁰С е  5% за обхват до 3500Hz и 10% – до 6000Hz. При ниски температури до -100⁰С тази грешка се увеличава с още 5%. При измерване в неспецифични температурни условия се използват високотемпературни аксалерометри, чиято грешка в температурния обхват -200⁰С – +300⁰С не превишава 5%. Трикоординатните аксалерометри се характеризират с грешка ± 2% в температурния обхват от -10⁰С до +100⁰С. Тъй като в повечето случаи съвременните акселерометри са механо-електрически преобразуватели, то на техния изход може да се получи електрическо напрежение, което не е причинено от вибрации. Това е външно напрежение индуктирано от разсеяни електромагнитни или електростатични полета, направо в акселерометъра или най-често в свързващия кабел.

Това се явява систематична грешка която се открива и отстранява сравнително лесно.

Поради факта, че акселерометъра има голям електрически инпеданс (съпротивление) и малък вътрешен капацитет, свързващите кабели са с много ограничена дължина и задължително екранирани (но имат голям вътрешен капацитет по отношение на акселерометъра). Ако съединителният кабел е подложен на вибрации (особенно в местата където има прегъване) ще се измени и вътрешния му капацитет. Тази промяна на капацитета води до промяна на изходното напрежение. При необходимост от по-дълъг свързващ кабел, акселерометъра се свързва чрез нискошумящ предусилвател с малък изходящ инпеданс, което позволява използването на по-дълъг съединителен кабел.

Външни за системата фактори са:

закрепването и масата на акселерометрите, разполагането на измервателните микрофони в звуковото поле, както и калиброването на шумомерите (звукомерите) и виброметрите.

Закрепването на акселерометъра към измерваната повърхнина и масата му. Препоръчва се масата на акселерометъра да не превишава 1/10 от трептящата маса на изследвания обект. Различните начини на закрепване на акселерометъра към изследвания обект могат да доведат до промяна на свойствата на резултантната механична система (най-често резонансната и честота). Най-добрият начин за закрепване, даващ възможност за пълно използване на свойствата на акселерометъра е твърдото закрепване с помоща на винт. Най-неблагоприятният вариант е този, при които аксалерометъра се държи с ръка. Много добри резултати се получават при леки акселерометри закрепени към повърхнината със специален восък. Закрепването с други лепила увеличава грешката на измерването. До увеличаване на систематичната грешка води и недостатъчно прецизното калибриране на виброметъра преди началото на измерването.

Типично поле на неравномерност в dB (стойност на грешката) на измервателните микрофони за различните честоти e както следва:

• до 20Hz – ± 3dB;
• 20 Hz – 40 Hz – ± 2 dB;
• 40 Hz – 80 Hz – ± 1,5 dB;
• 80 Hz – 100 Hz – ± 1,2 dB;
• 100 Hz – 6 kHz – ± 1 dB;
• 6 kHz – 10 kHz – ± 2 dB;
• над 10 kHz – ± 4 dB.

Това поле на неравномерност е свързано с кривите на равна чуваемост (психофизичните особенности на човешкия слух) – фиг. 2. Нивото на външните смущаващи напрежения зависи от фактори, несвързани със самия звукомер. Такива фактори са:  външно магнитно поле; външни вибрации на които е изложен микрофона; твърде силно звуково поле (причиняващо микрофония във веригите на звукомера); влияние на движението на въздуха и нестандартния удължителен кабел на микрофона.

На практика един от най-често срещаните случаи на смущаващо външно влияние върху микрофоните е движението на въздуха.

Тук трябва да се имат пред вид посоката, скоростта и видът на въздушните движения, които в условията на измерванията трудно могат да се преценят. По тази причина е необходимо да се спазва правилото: най-малкото ниво на измерения шум да бъде с 5 dB по-високо от нивото на смущаващите напрежения (това на практика е най-ниското ниво, което може да се счете за валидно при измерванията).

Не бива да се пренебрегва и факта, че звуковото поле се деформира. Както от наличието в него на измервателния микрофон и шумомера (звукомера), така и от тялото на оператора. Тогава според спецификата на конкретното измерване (вида на шума, желаната точност на измерването и вида на звуковото поле) трябва да се прецени дали оператора може да остане в звуковото поле или да се използва удължителен кабел към микрофона. Освен това е необходимо посоката на попадане на звука върху микрофона да е съобразена с неговата диаграма на насоченост. Правилното електрическо и звуково калибриране преди всяко измерване са необходимата гаранция за повишаване на точността на измерването.

Още полезни публикации свързани с измерване на шум и вибрации, може да видите в категории:

• ШУМ
• ВИБРАЦИИ

Очаквайте и следващите ни публикации!