1

LABORATORIUM

Temat 5 (11): Ocena głośności pracy maszyn (diagnostyka akustyczna)

1. Wprowadzenie

Pracy każdego urządzenia mechanicznego towarzyszą zjawiska dynamiczne,

które utrudniają wykorzystanie pełnej ich mocy a w przypadku obrabiarek wysokich
dokładności obróbki. Powodują one przyspieszone zużycie elementów i zespołów
maszyn a także hałaśliwość ich pracy. Hałas w maszynach związany jest najczęściej z
ruchem obrotowym lub posuwisto zwrotnym elementów. Poziom emitowanego hałasu
może być miernikiem jakości i nowoczesności urządzeń mechanicznych.

Hałasem nazywa się dźwięk o dowolnym charakterze akustycznym,

niepożądany w danych warunkach i oddziałujący niekorzystnie na odczucia
człowieka. Jest to więc nie tylko dźwięk utrudniający lub uniemożliwiający pracę bądź
dokuczliwy lub szkodliwy, lecz także każdy dźwięk, który jest nieprzyjemny lub
niepożądany. Dążenie do ograniczenia hałasu wynika więc z przesłanek:

· technicznych,
· fizjologicznych.

Hałas jest ściśle związany z przenoszeniem się drgań cząsteczek materii w materiałach
stałych, płynnych i gazowych. Drgania występujące w powietrzu można podzielić ze
względu na pasma częstotliwości na:

· dźwięki słyszalne - 16 Hz do 20 000 Hz,
· infradźwięki < 16 (30) Hz,
· ultradźwięki > 20 kHz.

Drgania infra- i ultradźwiękowe oddziałują szkodliwie na cały organizm człowieka, tj.
poszczególne organy, tkanki oraz system nerwowy, a tylko w nieznacznym stopniu na
słuch. Dźwięki słyszalne działają głownie na narządy słuchu i system nerwowy.

Podstawowymi cechami fizycznymi hałasu słyszalnego, które wpływają na

odczucia człowieka są: poziom, przebieg charakterystyki częstotliwościowej oraz czas
trwania hałasu. Najmniej szkodliwe są hałasy o widmie jednostajnym, najbardziej zaś
dźwięki proste. Większą szkodliwość hałasu obserwuje się w zakresie częstotliwości
dużych niż małych. Czas trwania i częstość występowania hałasu są istotne ze
względu na kumulowanie się szkodliwego oddziaływania w czasie. Najczęstsze ujemne
następstwa długo działającego hałasu na psychikę człowieka to: obniżenie sprawności
umysłowej, zmęczenie wyczerpanie nerwowe, stany przygnębienia i depresji.
Z zaburzeń somatycznych należy wymienić: przyspieszenie procesów starzenia,
głuchotę, zaburzenia równowagi i zawały serca.

2. Wielkości opisujące energię akustyczną

Energia pola akustycznego jest określona następującymi wielkościami: mocą

akustyczną L

N

, natężeniem dźwięku L

I

lub ciśnieniem akustycznym L

p

. Moc

akustyczna, charakteryzująca źródło dźwięku, określana jest ilością energii
akustycznej emitowanej przez źródło w jednostce czasu. Przez natężenie dźwięku
rozumie się ilość energii akustycznej przepływającej w jednostce czasu przez

2

jednostkę powierzchni. Natomiast Ciśnienie akustyczne jest różnicą między ciśnieniem
w

danej

chwili

a ciśnieniem statycznym ośrodka, w którym rozchodzi się dźwięk. Poziom ciśnienia
akustycznego jest najczęściej mierzoną wielkością pola akustycznego. Określanie tych
wielkości w jednostkach bezwzględnych jest niewygodne z uwagi na bardzo dużą
rozpiętość mierzonych wielkości. Dlatego w akustyce stosuje się logarytmy tych
wielkości i wynik podaje się w belach lub ich dziesiątej części zwanej decybelami
(dB). Decybel nie jest więc jednostką. Wyraża jedynie pewien sposób prezentacji
wyników pomiaru (pewien sposób liczenia). Zależności opisujące poziomy mocy
akustycznej, ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku przedstawiają się następująco:
· poziom mocy akustycznej (w dB)

L

N

= 10 lg (N/N

o

);

przy czym: N

o

- wartość mocy odniesienia, 10

-12

W.

· poziom ciśnienia akustycznego (w dB)

L

p

= 20 lg (p/p

o

)

przy czym: p

o

- wartość ciśnienia odniesienia, 2*10

-5

Pa.

· poziom natężenia dźwięku (w dB)

L

I

= 10 lg (I/I

o

)

przy czym: I

o

- wartość natężenia odniesienia, 10

-12

W/m

2

.

W ośrodku powietrznym poziom ciśnienia akustycznego równa się liczbowo
poziomowi natężenia dźwięku

3. Sonometr

Do pomiaru dźwięku niezbędny jest mikrofon, który przetwarza zmiany

ciśnienia powietrza na proporcjonalny sygnał elektryczny. Sygnał ten jest następnie
wzmacniany w przedwzmacniaczu i kierowany na wyjście zmiennoprądowe (np. do
oscyloskopu lub specjalnego analizatora) i wewnętrznego filtru korekcyjnego lub filtru
zewnętrznego (p.rys.1).

Zadaniem filtrów korekcyjnych jest dostosowanie wskazań miernika do

charakterystyki ucha ludzkiego, tj. spowodowanie, aby wskazania pokrywały się z
wrażeniami słuchowymi a nie z rzeczywistością. Jednakowo głośne dźwięki o różnych
częstotliwościach ucho ludzkie odbiera jako dźwięki o różnym natężeniu hałasu.

Rys.1. Schemat miernika hałasu

3

Opracowane zostały cztery nieco różniące się charakterystyki tych filtrów A,B,C i D.
Dla większości maszyn zalecane jest dokonywanie pomiarów z filtrem korekcyjnym A.
Podaje się wówczas wynik pomiaru w formie np. 60 dB(A), jak i opis osi wykresu -
poziom dźwięku L [dB(A)].

Analiza sygnału akustycznego może być dokonywana w dziedzinie czasu lub

częstotliwości. Do analizy sygnału akustycznego służą zewnętrzne filtry pasmowe,
oktawowe (stosunek częstotliwości środkowych f

n

/f

n-1

= 2) lub tercjowe (f

n

/f

n-1

=

1.26).
Aby ze złożonego sygnału wyznaczyć wartość skuteczną sygnał przechodzi przez
przetwornik RMS realizujący całkowanie

U

T

u t dt

RMS

T

=

ò

1

2

0

( )

Tak przetworzony sygnał może być już skierowany na wskaźnik pozwalający odczytać
poziom dźwięku w dB.

4. Pomiary hałasu

Metodyka przeprowadzania pomiaru hałasu zależy w dużej mierze od

założonego celu przeprowadzanych badań. Celem tym może być np. sprawdzenie
cichobieżności określonych zespołów maszyn, jak np. silników, reduktorów, pomp,
zasilaczy hydraulicznych itp. dla oceny i ewentualnej poprawy ich własności
akustycznych. Badania te wykonuje się najczęściej na specjalnych, wydzielonych
stanowiskach. W takich przypadkach nie stosuje się w zasadzie znormalizowanych
metod badań ani z góry narzuconych kryteriów oceny. Celem badań może być też
poszukiwanie zbyt dużych źródeł hałasu. Tutaj również metodyka pomiarów oraz
kryteria oceny dobierane są według uznania eksperymentatora stosownie do specyfiki
badanych zespołów.

Osobną grupę stanowią badania maszyn nowych lub po remoncie, a także

badania okresowe podczas ich eksploatacji. Badania te wykonuje się zgodnie ze
znormalizowaną metodyką, stosując zarówno znormalizowane kryteria oceny hałasu
jak i kryteria porównawcze.

Dla większości maszyn i urządzeń punkty pomiarowe wyznacza się na

powierzchni prostopadłościanu zbudowanego w odległości 1m od obrysu maszyny, na
wysokości 1,2m. Przy tworzeniu tego prostopadłościanu należy uwzględnić tylko te
zespoły, w których rozmieszczone są główne źródła hałasu. Oddziaływanie innych
źródeł hałasu (tła) można całkowicie pominąć, gdy ich poziom jest niższy od
mierzonego o więcej niż 10 dB.

Przy sporządzaniu protokółu z pomiarów należy sporządzić plan sytuacyjny tj.

szkic pomieszczenia, w którym wykonywane są pomiary oraz usytuowanie badanej
maszyny jak i urządzeń znajdujących się w jej sąsiedztwie. Sporządzenie szkicu jest
niezbędne w przypadku np. potrzeby późniejszego analizowania wyników pomiarów
lub też ich powtórzenia. Aby objętość pomieszczenia nie miała wpływu na wyniki
pomiarów hałasu powinna być ona ponad 600 razy większa od objętości badanego

4

obiektu. Dla mniejszych objętości pomieszczenia należy liczyć się z tym, że wyniki
pomiarów wykonywanych w innych pomieszczeniach mogą różnić się między sobą.

Dla oceny jakości maszyn opracowane zostały wskaźniki, ujęte w

odpowiednich zaleceniach i normach. Najczęściej jest to dopuszczalny (ogólny)
poziom dźwięku dla danej grupy maszyn oraz rozkład dopuszczalnych wartości
ciśnień akustycznych w funkcji częstotliwości. Przykładowo dla obrabiarek jest to
norma PN/M-55725. Podaje ona dla ustalonych typów i wielkości obrabiarek
dopuszczalny poziom dźwięku oraz obowiązujące Ograniczenie Szumów Obrabiarki
OSO w funkcji częstotliwości. Kształt OSO związany jest z wrażliwością naszego
słuchu na tony niskie i wysokie. Ponieważ tony wysokie są bardziej szkodliwe, dlatego
też w zakresie wyższych częstotliwości ograniczenia są ostrzejsze.

4.1. Sprawdzenie poziomu dźwięku tła

Przed rozpoczęciem pomiarów należy sprawdzić czy warunki panujące w

pomieszczeniu nie będą zakłócać wyników pomiarów, tj. czy poziom dźwięku tła jest
niższy przynajmniej o 10dB od emitowanego przez obiekt badany. Jeżeli różnica jest
mniejsza to wszystkie wyniki pomiarów należy pomniejszyć o 1-2dB. W przypadku
bardzo małej różnicy poniżej 4dB pomiary nie powinny być wykonywane, z uwagi na
małą ich wiarygodność.

4.2. Pomiary ogólnego poziomu dźwięku

Pomiary ogólnego poziomu dźwięku mogą być wykonywane bądź to dla jednych

reprezentatywnych warunków pracy maszyny lub też dla całego spektrum tych
warunków. Zależy to od celu prowadzonych pomiarów. Jeżeli celem jest sprawdzenie
zgodności z obowiązującymi normami czy zaleceniami to warunki pomiaru muszą być
w tych dokumentach zdefiniowane. Jeśli zaś celem badania jest ocena jakości
wykonania lub stanu technicznego zespołów to pomiary wykonuje w różnych
warunkach ich pracy, co ułatwia wnioskowanie o ich stanie technicznym. Punktem
pomiarowym jest najczęściej punkt o najwyższym poziomie dźwięku, lub w miejscu
gdzie przebywa obsługujący maszynę.

4.3. Pomiary widma częstotliwościowego

Widmo częstotliwościowe otrzymuje się w wyniku przetwarzania sygnału

akustycznego np. z pomocą FFT (szybkiej transformaty Fouriera) lub na drodze
wielokrotnych pomiarów hałasu z wykorzystaniem filtrów środkowo –
przepustowych, oktawowych lub tercjowych. Pozwala ono określić jakiej
częstotliwości dźwięki mają dominujący udział w ogólnym poziomie hałasu. Można
też na tej podstawie zlokalizować przypuszczalne źródła tych dźwięków.

4.4. Ocena hałasu emitowanego przez poszczególne zespoły maszyny

Źródłami hałasu są najczęściej ruchome elementy maszyn, przepływy czynnika

roboczego, przepływ powietrza itp. Jeżeli badane urządzenie składa się z kilku lub
większej liczby zespołów, które można sekwencyjnie dołączać do pracujących już
zespołów to możliwe jest oszacowanie hałasu dołączonego zespołu. Niezbędna jest do

5

tego znajomość przyrostu poziomu hałasu, wywołanego przyłączaniem źródła o
nieznanym hałasie do źródła, którego hałas jest już znany.

Stwierdzenie na przykład, że przyłączenie reduktora do pracującego silnika

spowodowało zwiększenie hałasu Z zmierzonego dla samego silnika o wartość D,
pozwala na ocenę hałasu samego reduktora. Oceny nieznanego poziomu hałasu X
zespołu dołączanego do zespołu o znanym hałasie Z dokonuje się w oparciu o
zależność

X = Sum - P

gdzie: Sum = sumaryczny poziom hałasu zmierzony po dołączeniu zespołu o nieznanym

poziomie hałasu do zespołu, którego hałas można zmierzyć niezależnie.
P - poprawka zależna od przyrostu poziomu hałasu D = Sum - Z, spowodowanego
dołączeniem następnego zespołu o nieznanym poziomie hałasu X.

Dla znanego przyrostu D wartości poprawki P zawiera poniższa tabela:

P = f(D)

D [dB]

1,0

1,5

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

P [dB]

6,9

5,4

4,4

3,0

2,2

1,7

1,3

1,0

0,8

0,6

0,0

5. Przebieg ćwiczenia.
1. Zestawić dane o badanym obiekcie i przyrządzie pomiarowym.
2. Wykonać szkic sytuacyjny i wyznaczyć punkty pomiarowe.
3. Zmierzyć poziom dźwięku tła.
4. Wykonać pomiar ogólnego poziomu hałasu w wybranym punkcie pomiarowym

w różnych warunkach pracy urządzenia.

5. Dla maksymalnej prędkości obrotowej wrzeciona wyznaczyć, w tym samym

punkcie, poziomy ciśnień akustycznych z użyciem filtru oktawowego.

6. Oszacować hałas emitowany przez główne zespoły maszyny.

Poniżej załączono wzór sprawozdania

Opracował:
Wojciech Kwaśny

6

SPRAWOZDANIE

Data lab.

Temat 5: Ocena głośności pracy maszyn

Imię i Nazwisko wykonującego pomiary ...............................................................

Rodzaj studiów .............................................Rok studiów................Grupa lab.........

1. Dane o obiekcie badanym

Typ

obrabiarki

Nr

fabryczny

Stan maszyny

(nowa, po remoncie)

Typ miernika

Filtr

korekcyjny

Liczba punktów

pomiarowych

Data

pomiarów

A

2. Szkic sytuacyjny i rozmieszczenie punktów pomiarowych.

3. Sprawdzenie poziomu dźwięku tła

L

p(tła)

= ...........dB(A)

1m

1m

1m

1m

1.2m

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Wysokość pomieszczenia ..........m

7

4. Pomiary ogólnego poziomu dźwięku dla różnych parametrów ruchowych

Poziom dźwieku w dB(A)

n

Np

75

70

65

60

85

80

Po

zi

om

dź

w

ię

ku

L

p

[d

B

(A

)]

parametry pracy (n lub p)

Dopuszczalny poziom dźwięku ....80dB(A)

Poziom tła .........dB(A)

5 Pomiary widma w pasmach oktawowych

Poziom ciśnienia akustycznego

w dB

[Hz]

31.5

63

125

250 500

1000 2000 4000 8000 16000

OSO 75 dB

82

82

82

82

78

75

72

68

68

68

Pomiary

8

6. Ocena hałasu emitowanego przez poszczególne zespoły maszyny

Nr

pom.

Nazwa zespołu

Sum

dB(A)

X

dB(A)

1

Silnik

-

2

Silnik

Reduktor

P.pasowa

3

Silnik

Reduktor

P.pasowa

wrzeciono

Uwaga:
W pomiarze nr 2 nieznanym hałasem X jest hałas reduktora i przekładni pasowej.
W pomiarze nr 3 nieznanym hałasem X jest hałas zespołu wrzeciona.

7. Wnioski z badań

Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań powinny dotyczyć:

· poziomu tła (od którego zależy potrzeba wprowadzania poprawek korekcyjnych dla uzyskanych wyników),
· przekroczenia (lub nie) dopuszczalnego ogólnego poziomu hałasu,
· przekroczenia (lub nie) dopuszczalnej krzywej OSO,
· hałasu poszczególnych zespołów maszyny.