Prognozowanie hałasu i

drgań mechanicznych

Ewelina Kitowska

BHP I rok gr. A

Wstęp

•

Podstawą oceny i tym samym skutecznego zwalczania
zagrożenia hałasem i drganiami mechanicznymi jest
możliwość ich prognozowania.
Prognozowanie to stawianie tezy dotyczącej
przyszłości, przewidywanie przyszłych faktów, zjawisk
czy zdarzeń na podstawie uzasadnionych przesłanek
ustalonych w toku badań naukowych, formułowane
jako wytyczne dalszego postępowania przez
specjalistów w danej dziedzinie nauki.
Podstawowym celem prognozowania, określonym z
punktu widzenia zagrożenia, jest świadome
kształtowanie parametrów wibroakustycznych
występujących na stanowiskach pracy, nie tylko w
warunkach rzeczywistych w już istniejących obiektach,
lecz przede wszystkim na wczesnych etapach
projektowania.

Faktem jest, że im później w samym procesie
projektowania lub w fazie realizacji obiektu brane są pod
uwagę czynniki decydujące o zagrożeniu hałasem i
drganiami, tym trudniej jest te zagrożenia wyeliminować
lub zmniejszyć.
Najskuteczniejszym sposobem minimalizacji zagrożeń
jest więc ich identyfikacja już na wczesnym etapie
projektowania.

Źródła hałasu i drgań wraz z otaczającym je
środowiskiem tworzą układ wibroakustyczny o wzajemnie
oddziałujących elementach, który można opisać za
pomocą odpowiednich zależności matematycznych.
Zestaw tych zależności tworzy model matematyczny,
którego zachowanie może być przewidziane teoretycznie.
Przedmiotem prognoz dotyczących hałasu i drgań, są
zwykle pomieszczenia przemysłowe oraz zbiory źródeł
hałasu i drgań wraz ze stanowiskami pracy
usytuowanymi w tych pomieszczeniach.

Proces prognozowania

Mimo, że istnieje szereg metod
prognozowania hałasu i drgań,
wszystkie one oparte są na
analogicznej procedurze, którą
można przedstawić w postaci
diagramu przepływowego.

Krok 1 – zdefiniowanie parametrów

podlegających ocenie.

Zestaw tych parametrów powinien w sposób jednoznaczny
charakteryzować badany proces wibroakustyczny. W ogólnym
podejściu, każdy taki proces może być scharakteryzowany w
trzech dziedzinach: czasu, częstotliwości oraz amplitudy.
Wybór dziedziny zależy od przyjętej w dalszych etapach
metody prognozowania. Z uwagi na cel, któremu mają służyć
wybrane parametry ich dobór powinien być taki, aby w
procesie prognozowania możliwe było ustalenie faktycznego
zagrożenia, a następnie porównanie z dopuszczalnymi
wartościami zgodnie z obowiązującymi aktami normatywnymi.
W przypadku zagrożenia hałasem najważniejszym
parametrem jest poziom ciśnienia akustycznego, natomiast
w przypadku drgań mechanicznych wartość przyspieszenia
drgań. W celu uwzględnienia charakterystyk organizmu
ludzkiego, parametry te są odpowiednio kształtowane w
dziedzinie częstotliwości.

Do oceny stopnia zagrożenia hałasem najczęściej są stosowane

poziomy dźwięku, a do oceny stopnia zagrożenia drganiami –
skorygowane przyspieszenie drgań

Krok 2- wybór metody prognozowania

Najbardziej popularnymi metodami prognozowania są metody

statystyczna i geometryczna. W metodzie statystycznej, jak sama

nazwa wskazuje, pole akustyczne w pomieszczeniu jest traktowane

w sposób globalny. Metoda statystyczna może znaleźć zastosowanie

do prognozowania hałasu w pomieszczeniach o dużych wartościach

czasu pogłosu i nie pozwala na precyzyjny opis rozkładu ciśnienia

akustycznego w pomieszczeniu o zróżnicowanych wartościach

współczynników pochłaniania ścian.
Wśród metod geometrycznych wyróżnić można metodę źródeł

pozornych i metodę promieniową. Metoda źródeł pozornych polega

na analizie fal odbitych, docierających do wybranego punktu

obserwacji przez przyporządkowanie każdej z nich tzw. źródła

pozornego. Metoda promieniowa polega na analizie dróg

rozchodzenia się nieważkich cząstek obdarzonych energią.
Poziom hałasu w danym obszarze pomieszczenia wyznaczany jest

przez sumowanie energii źródeł pozornych-w przypadku metody

źródeł pozornych, bądź energii przyporządkowanej promieniom

dźwiękowym –w przypadku metody promieniowej.
Metody analizy procesów drganiowych powstających w maszynach i

urządzeniach pod kątem oceny zagrożenia wynikającego z

przenoszenia się tych drgań na człowieka i otoczenie, są bardzo

złożone. Muszą one uwzględniać coraz bardziej złożone struktury

mechanizmów, rosnące wymagania dotyczące ich charakterystyk

kinematycznych i dynamicznych, zjawiska deformacji i tłumienia

materiałów, wzajemne oddziaływanie drgań elementów składowych.

W przypadku drgań mechanicznych najbardziej popularną
metodą prognozowania jest metoda elementów skończonych. W
ramach tej metody struktura obiektu, może być przedstawiona w
postaci określonej liczby prostych elementów składowych.
Korzystając z metody elementów skończonych można symulować
modyfikacje zachowania się układu mechanicznego, w celu
zmniejszenia zagrożenia drganiami mechanicznymi. Prostszą
odmianą metody elementów skończonych jest metoda pasm
skończonych. Wykorzystuje się w niej regularne własności układu
mechanicznego w wybranym kierunku i dzięki temu jest możliwe
uzyskanie wyników obliczeń w krótszym czasie i przy mniejszych
wymaganiach sprzętowych niż ma to miejsce w przypadku
metody elementów skończonych. Istnieje również szereg metod
szczegółowych dotyczących wybranych aspektów optymalizacji
układów mechanicznych z punktu widzenia generowania drgań.
Przykładem może być metoda maksimum Pontriagina
umożliwiająca ocenę i tym samym minimalizację siły dynamicznej
przenoszonej na fundament maszyny. Wykorzystuje się ją podczas
projektowania układów sprężystego podparcia maszyny o
sztywnej konstrukcji. Jest to jedno z podstawowych źródeł
zagrożeń drganiami mechanicznymi spotykane w praktyce
przemysłowej.

Krok 3 –określenie zestawu danych
wejściowych.

W przypadku hałasu danymi wejściowymi mogą być: opis

kształtu pomieszczenia, wyposażenie wnętrza oraz dane

źródeł hałasu. W ramach modelowania kształtu

pomieszczenia można wprowadzić kilka stopni

szczegółowości danych wejściowych:

- Pomieszczenie jest opisane za pomocą dwóch parametrów,

którymi są jego objętość i średni współczynnik

pochłaniania powierzchni ograniczających wnętrze.

- Pomieszczenie stanowi bryłę prostopadłościenną lub zbiór

takich brył, a każdej ścianie bryły jest przyporządkowany

indywidualny współczynnik pochłaniania

- Pomieszczenie stanowi bryłę prostopadłościenną lub

złożenie kilku brył o kształcie prostopadłościennym; każda

ze ścian może być podzielona na skończoną liczbę

elementów o różnych wartościach współczynników

pochłaniania.

- Model pomieszczenia odwzorowuje jego rzeczywisty

kształt oraz rozkład współczynników pochłaniania ścian.

Podobnie w zależności od dokładności modelu, można
wyróżnić następujące sposoby opisu wyposażenia
wnętrza :

-

Wyposażenie wnętrza w postaci umieszczonych w nim
elementów nie jest brane pod uwagę.

-

Elementy wnętrza są uwzględnianie przez określenie ich
średniej gęstości występowania oraz jednej średniej
wartości współczynnika pochłaniania.

-

Wnętrze pomieszczenia jest podzielone na sektory, z
których każdy jest opisywany zgodnie z punktem
poprzednim.

-

Każdy element wnętrza jest brany pod uwagę oraz jego
parametry geometryczne i akustyczne mają wpływ na
wyniki obliczeń.
W przypadku prognozowania drgań mechanicznych
danymi wejściowymi są parametry geometryczne modelu
mechanicznego oraz właściwości mechaniczne jego
elementów składowych takie jak masa, własności
sprężysto-tłumiące itd..

Krok 4 – weryfikacja przyjętego sposobu opisu
(modelu)

Parametry, które mają być wyznaczone, dane
wejściowe oraz metoda prognozowania są ze sobą
ściśle związane. Przed przystąpieniem do często
bardzo czasochłonnych obliczeń, należy ocenić czy
na podstawie przyjętych danych wejściowych jest
możliwe uzyskanie właściwych wyników.
Elementem priorytetowym przy weryfikacji przyjętej
metody prognozowania są wyniki. Podczas
weryfikacji zmianom podlegają przede wszystkim
dane wejściowe, następnie założenia upraszczające
związane z metodą prognozowania, w ostatniej
kolejności sama metoda.
Zmiana metody prognozowania, w przypadku
niemożności uzyskania wyników, prowadzi do
powrotu do punktu drugiego procesu
prognozowania.

Krok 5- wykonanie obliczeń, symulacji, badań
modelowych

Po określeniu metody prognozowania
przeprowadzane są obliczenia symulacyjne. Na
podstawie danych wejściowych określa się
najistotniejsze parametry zdefiniowane w 1 kroku.
Obliczenia są wykonywane numerycznie za pomocą
specjalistycznego oprogramowania.

Krok 6- analiza wyników

Analiza wyników obliczeń, poprzez ocenę wpływu
założeń upraszczających na ich dokładność, ma na
celu weryfikację przyjętej metody prognozowania.
W wyniku przeprowadzonej analizy bardzo często
dokonuje się dodatkowych obliczeń dla innych
wartości danych wejściowych.
Naturalną tendencją jest rozpoczęcie obliczeń dla
najmniejszego, dla danej metody prognozowania,
zestawu danych wejściowych. W miarę potrzeb
model symulacyjny staje się bardziej
skomplikowany, np. dokonuje się dokładniejszego
odwzorowania kształtu pomieszczenia, jego
wyposażenia, uwzględnia się większą liczbę stopni
swobody itd..

Krok 7- wnioski i propozycje rozwiązań
prowadzących do zmniejszenia potencjalnych
zagrożeń

Wyniki uzyskane wybraną metoda prognozowania
umożliwiają określenie z większą bądź mniejszą
dokładnością stopnia zagrożenia hałasem lub
drganiami oraz podjęcie środków zaradczych.
Stanowią one podstawę formułowania wytycznych
prowadzących do minimalizacji tego zagrożenia.
W przypadku hałasu wytyczne mogą dotyczyć samych
źródeł, projektów ekranów, osłon, kabin
dźwiękoizolacyjnych, zmian procesu technologicznego,
na taki który stwarza mniejsze zagrożenie.

W przypadku zagrożenia drganiami mechanicznymi
mogą dotyczyć zmian konstrukcyjnych, sposobu
posadowienia maszyn i urządzeń.

Różnice między

prognozowaniem hałasu

i drgań mechanicznych.

Zarówno z teoretycznego jak i praktycznego punktu

widzenia między przewidywaniem hałasu i drgań istnieje

kilka istotnych różnic.
Stanowią je możliwości tworzenia uniwersalnych metod

prognozowania, sposób oddziaływania źródła

wibroakustycznego na człowieka oraz „czynnik ludzki”

wyrażony wzajemną interakcją między człowiekiem i

źródłem.
Prognozowanie hałasu może być realizowane z dobrym

skutkiem w oderwaniu od indywidualnych cech jego

źródła, a jedynie na podstawie charakterystycznych cech

geometrii pomieszczenie przemysłowego. W przypadku

prognozowania drgań, podstawowym elementem modelu

jest źródło, które w zależności od typu związanego z nim

obiektu rzeczywistego, może mieć cechy indywidualne

uniemożliwiające zastosowanie wybranego modelu w

przypadku innego typu źródła. Prognozowanie drgań

mechanicznych wymaga, więc w znacznie większym

stopniu niż ma to miejsce w przypadku hałasu,

uwzględnienia systematyki źródeł drgań.

W odróżnieniu od prognozowania hałasu, podczas oceny drgań
należy uwzględnić sposób przekazywania drgań na organizm ludzki.
To samo źródło drgań, w zależności od miejsca oddziaływania na
organizm ludzki, może mieć różny stopień szkodliwości.

Osobnym zagadnieniem związanym z prognozowaniem drgań
mechanicznych, a nie spotykanym w przypadku hałasu, jest
wzajemna interakcja układu człowiek-maszyna. Uwzględnienie
indywidualnych cech człowieka wykorzystującego nawet bardzo
proste urządzenie techniczne, w sposób istotny komplikuje
złożoność jego formalnego opisu. Między elementami tego układu
istnieje sprężenie zwrotne. Nie jest więc możliwa pełna analiza
drgań na podstawie oceny parametrów samego źródła. Niezbędna
jest tutaj znajomość parametrów dynamicznych ciała człowieka.

W procesie prognozowania drgań mechanicznych muszą być
uwzględnione zarówno wartości parametrów opisujących drgania,
parametry modelu mechanicznego ciała ludzkiego, jak i sposób
przekazywania drgań na organizm człowieka.

Również stopień wykorzystania wniosków

płynących z zastosowania określonej metody
prognozowania jest niższy w przypadku drgań
mechanicznych. Wynika to z faktu, że w
odróżnieniu od hałasu, drgania w wielu
przypadkach wywoływane są celowo do realizacji
określonych procesów technologicznych, np.
transport materiałów sypkich, zagęszczanie
materiałów