Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy
Im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy
| Wydział Inżynierii Mechanicznej |
|---|
| Zakład Pojazdów i Diagnostyki |
Diagnostyka maszyn
Pomiar hałasu
Grupa C
Wstęp teoretyczny
Akustyka - dział fizyki i techniki obejmujący zjawiska związane z powstawaniem, propagacją i oddziaływaniem fal akustycznych. Ze względu na różnorodność działów akustyka jest obecnie traktowana jako nauka interdyscyplinarna obejmująca oprócz akustyki ogólnej, zajmującej się zagadnieniami podstawowymi, również szereg działów akustyki stosowanej, zajmujących się praktycznym zastosowaniem zjawisk akustycznych.
Badania akustyczne mają szczególne znaczenie w oceanografii, przemyśle fonograficznym, przemyśle maszynowym a zwłaszcza lotniczym i samochodowym, architekturze, i wielu innych gałęziach gospodarki.
Fale mechaniczne
Wszystkie fale wykazują następujące własności:
prostoliniowe rozchodzenie się fali w ośrodkach jednorodnych,
odbicie – po dojściu do granicy ośrodków fale zmieniają kierunek poruszając się nadal w tym samym ośrodku
załamanie – na granicy ośrodków fala przechodząc do ośrodka, w którym porusza się z inną prędkością, zmienia kierunek swego biegu,
dyfrakcja – uginanie się fali na krawędziach, czego skutkiem jest zdolność do omijania przeszkód mniejszych niż długość fali, oraz powstawanie pasków dyfrakcyjnych po przejściu fali przez wąską szczelinę albo przeszkodę;
Rozchodzące fale nakładają się na siebie w wyniku czego zachodzą zjawiska:
interferencja – nakładanie się spójnych fal z różnych źródeł, które prowadzi do wzmocnienia lub wygaszenia się fal;
dudnienie – oscylacje amplitudy fali;
Fale o różnych długościach mogą w różnych ośrodkach rozchodzić się z różnymi prędkościami. Efekt ten, nazywany dyspersją fali, powoduje na przykład:
rozszczepienie – załamanie fal pod różnymi kątami, zależnie od ich długości, powoduje rozkład fali na fale składowe, np. rozszczepienie światła w pryzmacie.
Fale poprzeczne mają kierunek drgań prostopadły do kierunku rozchodzenia się (np. fala na sznurze, fale elektromagnetyczne). W falach podłużnych drgania odbywają się w tym samym kierunku, w którym następuje ich propagacja (np. fale dźwiękowe). W przypadku fal rozchodzących się na wodzie mamy do czynienia z superpozycją drgań poprzecznych i podłużnych.
- fale podłużne np. fala dźwiękowa
Fala akustyczna – rozchodzące się w ośrodku zaburzenie gęstości (i ciśnienia) w postaci fali podłużnej, któremu towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka. Ośrodki, w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia.
Falą akustyczną nazywa się zarówno falę, która powoduje wrażenie słuchowe (dźwięk), jak i fale o częstotliwościach i amplitudach przekraczających zakres ludzkich zmysłów, ponieważ właściwości fizyczne tych fal są bardzo podobne.
Źródłem dźwięków słyszalnych są ciała wprawione w drgania, których energia jest dostateczna, aby wywołać w naszym organie słuchu (uchu), najsłabsze wrażenia słuchowe. Oznacza to, że natężenie dźwięków słyszalnych musi przekraczać próg słyszalności.
Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości; (im większa częstotliwość fali, tym wyższy dźwięk)
Głośność dźwięku zależy od natężenia; (jeśli rośnie natężenie fali, dźwięk jest głośniejszy, choć zależność między natężeniem a głośnością nie jest liniowa)
Barwa zależy od składu widmowego fali akustycznej. Pozwala np. odróżniać dźwięki wytwarzane przez różne źródła.
Podział fal akustycznych ze względu na częstotliwość
Dźwięki ze względu na częstotliwość f dzielimy na:
infradźwięki – poniżej 16 Hz,
dźwięki słyszalne 16 Hz – 20 kHz – słyszy je większość ludzi,
ultradźwięki – powyżej 20 kHz,
hiperdźwięki – powyżej 1010 Hz.
Dodatkowo ze względu na duże amplitudy i specyficzny ośrodek wyróżnia się fale sejsmiczne, drgania rozchodzące się w litosferze Ziemi.
Długość fali:
Dla fal akustycznych w powietrzu, przy prędkości dźwięku v w m/s, obowiązuje wzór
Nie można przyjąć stałej wartości prędkości dźwięku, ponieważ zależy ona od temperatury.
Wartość mocy akustycznej fali przechodzącej przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali nazywa się natężeniem dźwięku I
Oblicza się je za pomocą zależności: I =N/S
gdzie: N- oznacza moc akustyczną fali przechodzącej przez powierzchnię o polu S [m2].
Głośność dźwięku jest przede wszystkim związana z jego natężeniem lub ciśnieniem akustycznym. Zgodnie z prawem Webera Fechnera postrzeganie głośności dźwięku związane jest ze względną zmianą bodźca. Zatem z pojęciem głośności związane jest pojęcie poziomu natężenia dźwięku LI oraz poziomu ciśnienia akustycznego Lp:
dB(A) - jednostka natężenia dźwięku. Przy pomiarze wykorzystuje się częstotliwościową charakterystykę korekcyjną A, która optymalizuje pomiar ze względu na charakterystykę słuchu człowieka. W pomiarach akustycznych wykorzystywane są również częstotliwościowe charakterystyki korekcyjne C oraz Z (tzw. zerowa).
- fale poprzeczne np. fala elekromagnetyczna
Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego.
Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.
Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od długości fali. Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali, są fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nieposiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami. Energia każdego fotonu zależy od długości fali.
Dla fal elektromagnetycznych w próżni i w powietrzu można posłużyć się uproszczoną, przybliżoną zależnością:
długość fali w metrach otrzymamy: dzieląc 300 przez częstotliwość w megahercach
gdzie została przyjęta przybliżona wartość prędkości światła 3·108 m/s.
| Szacunkowe zakresy pasm fal elektromagnetycznych od fal najdłuższych do najkrótszych |
|---|
| Pasmo |
| Fale radiowe |
| Mikrofale |
| Podczerwień |
| Światło widzialne |
| Ultrafiolet |
| Promieniowanie rentgenowskie |
| Promieniowanie gamma |
- podłużne i poprzeczne np. fale na wodzie
Parametry fali
- wysokość - w oceanografii fizycznej oznacza średnią wysokość amplitudy falowania 1/3 największych fal występujących w grupie fal w danym miejscu na oceanie obserwowanych w ciągu określonego okresu. Dla danych z oceanicznych boi obserwacyjnych używa się okresu 20 minut.
- długość - najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali – zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.
Tradycyjnie długość fali oznacza się grecką literą λ. Dla fali sinusoidalnej najłatwiej określić ją wyznaczając odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami.
- stromość
- okres - czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym, czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego. Okres fali równy jest okresowi rozchodzących się drgań. Okres dotyczyć może również innych zjawisk fizycznych (np. prądu przemiennego), które mają charakter oscylacji (powtarzających się zmian jakiejś wielkości). W takim najogólniejszym znaczeniu, okresem nazywamy najmniejszy czas potrzebny na powtórzenie się wzoru oscylacji. Dla fali oznacza to odcinek czasu pomiędzy dwoma punktami fali o tej samej fazie, czyli np. między dwoma kolejnymi szczytami lub dolinami.
gdzie: f - częstotliwość,
gdzie: ω - pulsacja (częstość kołowa).
gdzie:
λ - długość fali,
v - prędkość rozchodzenia się fali.
- prędkość fazowa - jest to prędkość, z jaką rozchodzą się miejsca fali o tej samej fazie.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie uczestników zajęć z obowiązującymi normami dotyczącymi pomiaru hałasu zewnętrznego pojazdów samochodowych i motorowerów. Ponadto zapoznanie z sposobami wykonywania pomiarów akustycznych za pomocą mierników poziomu dźwięku.
Opis metody pomiarowej
Pomiar hałasu zewnętrznego powinien być dokonany zgodnie z normą PN-92/S-04051 (Pojazdy samochodowe i motocykle), natomiast pomiar hałasu wewnątrz pojazdu musi odpowiadać normie PN – 90/S – 04052. W zakresie wymagań i pomiaru hałasu obowiązują również normy międzynarodowe, a mianowicie: ISO 362, ISO 5130, ISO 7188, 84/42EEC
Badanie hałasu pojazdu na postoju należy wykonać na otwartej przestrzeni, wolnej od wyraźnych przeszkód odbijających dźwięk. Jako miejsce pomiarowe można przyjąć każdy obszar terenu mającego nawierzchnię betonową, asfaltową lub z innego twardego materiału o wysokich właściwościach odbijających dźwięk (z wyjątkiem ubitej ziemi) o kształcie prostokąta o bokach min. 3m od obrysu pojazdu. (rys. 1)
Rys. 1 Pomiar hałasu pojazdu na postoju.
Mikrofon powinien być skierowany w stronę rury wylotowej na jej wysokości (nie mniejszej niż 0,2m) w odległości 0,5±0,01m i pod kątem 45°± 10°. Należy przeprowadzić minimum trzy pomiary, których różnica nie może przekroczyć 2dB(A) – jako końcowy wynik przyjmuje się wartość maksymalną.
Badania hałasu wewnątrz pojazdu przeprowadza się zgodnie z normą PN – 90/S- 04052. Pojazd przeznaczony do badań powinien być odpowiednio przygotowany, tj. powinien być w odpowiednim stanie cieplnym, wyregulowany oraz mieć właściwy stan ogumienia. Podczas badań okna i inne elementy odchylne powinny być zamknięte oraz wyłączony wentylator; siedzenia ustawione w możliwie pionowym położeniu. Pojazdy przeznaczone do pomiarów muszą odpowiadać masie własnej, bez przyczep i naczep. W samochodzie może znajdować się tylko kierowca i osoba przeprowadzająca pomiary.
Rozmieszczenie i liczba punktów pomiarowych hałasu wewnątrz samochodu uzależniona jest (zgodnie z normą) od rodzaju samochodu, liczby miejsc siedzących, stojących i do leżenia. Przykładowo dla samochodu z jednym rzędem siedzeń jeden punkt pomiarowy, a dla samochodu mającego za siedzeniem kierowcy więcej niż trzy rzędy siedzeń, 4 punkty pomiarowe.
Pomiary przeprowadza się również na twardej i równej drodze o asfaltowej powierzchni, długość drogi 20m, bez znajdujących się obok dużych obiektów odbijających hałas. Prędkość wiatru mierzona na wysokości 1,2m nad poziomem drogi nie powinna przekroczyć 5m/s, a temperatura powietrza powinna być w zakresie od -5 do 35°C.
Oś maksymalnej czułości mikrofonu powinna być skierowana w kierunku jazdy, a mikrofon należy umieścić przy miejscach siedzenia na wysokości 700±50 mm nad powierzchnią nieodciążonego siedzenia, w płaszczyźnie symetrii siedzenia p2, jak to pokazano na rys.2
Rys. 2 Rozmieszczenie punktów pomiarowych hałasu pojazdu
Wymagania
Badany pojazd powinien spełniać wymagania techniczne aktualne dla danego typu pojazdu, podane przez wytwórcę. Pojazd powinien znajdować się w pełnej sprawności technicznej. Pojazd należy badać bez przyczepy lub naczepy, z wyjątkiem pojazdów nierozłączalnych. Pomiary należy przeprowadzać dla pojazdów nieobciążonych, a masa pojazdu powinna odpowiadać masie własnej wg PN-84/S-02014 oraz masie kierowcy.
Przed rozpoczęciem pomiarów należy silnik i inne zespoły napędowe pojazdu doprowadzić do normalnych warunków pracy w zakresie: temperatury, regulacji paliwa, świec, gaźnika i innych części. Warunki pracy silnika (rodzaj paliwa, olejów, ustawienie zapłonu lub pompy wtryskowej) powinny być zgodne z instrukcją fabryczną.
Jeżeli pojazd jest wyposażony w układ chłodzenia z dmuchawą o samoczynnie włączającym się napędzie, to w czasie pomiarów układ ten powinien pracować bez zakłóceń. Jeżeli pojazd jest wyposażony w układ wydechowy zawierający włókniny, to układ ten przed badaniem powinien być poddany kondycjonowaniu w warunkach nieprzerwanego użytkowania pojazdu podczas przebiegu 10000 km.
Ogólne warunki badań
Poziom hałasu otoczenia
Przed rozpoczęciem badań, podczas badań, jak i po ich zakończeniu należy zmierzyć poziom hałasu otoczenia, uwzględniając wpływ wiatru i innych zakłóceń akustycznych, mogących mieć wpływ na wskazania przyrządu. Poziom hałasu powinien być mniejszy od mierzonego poziomu hałasu wytwarzanego przez pojazd co najmniej o 10 dB (A).
Warunki atmosferyczne
Pomiary należy przeprowadzać w korzystnych warunkach atmosferycznych. Podczas pomiarów średnia prędkość wiatru nie powinna przekraczać 5 m/s. Dla prędkości wiatru powyżej 3 m/s zaleca się stosować mikrofonowe osłony przeciwwietrzne.
Pomiary i analizę sygnałów dźwiękowych prowadzi się za pomocą cyfrowego analizatora i miernika poziomu dźwięku i drgań SVAN 912AE firmy SVAVTEK. Przyrząd ten umożliwia: pomiar poziomu dźwięku w zakresie od 15 dB do 136 dB dla częstotliwości od 0,1 Hz do 45,2 kHz. Charakterystyka zamontowanego mikrofonu pojemnościowego typu SV02-04 umożliwia pomiar ciśnienia akustycznego w zakresie od 0,1 Hz do 10000 Hz. Przyrząd jest wyposażony w filtry korekcyjne A, C, G, Lin, HP, a także w cyfrowe filtry pasmowe: oktawowe i tercjowo - oktawowe. Posiada on dwa wbudowane procesory sygnałowe umożliwiające w czasie rzeczywistym przeprowadzanie analizy wąskopasmowej FFT i analizy statystycznej. Wyniki pomiarów mogą być zapamiętywane w 1 MB pamięci przyrządu lub przesyłane łączem RS 232 do komputera, na którym możliwe jest wykorzystanie innych systemów obróbki sygnałów
Opis obiektu badań
| Marka | Citroen |
|---|---|
| Model | Berlingo |
| Masa całkowita | 1840 kg |
| Typ silnika | Diesel |
| Pojemność silnika | 1,9 |
Wyniki
| ZEWNĘTRZNY HAŁAS POJAZDU (dB) |
|---|
| Bieg jałowy |
| 66,1 |
| 67,1 |
| 65,8 |
| 66,0 |
| 66,0 |
| 66,1 |
| 66,0 |
| 65,8 |
| 66,4 |
| 66,2 |
| WEWNĘTRZNY HAŁAS POJAZDU (dB) |
|---|
| Bieg jałowy |
| 56,7 |
| 56,6 |
| 56,6 |
| 56,5 |
| 56,6 |
| 56,4 |
| 56,4 |
| 56,2 |
| 55,8 |
| 55,4 |
Tło – 69,0 [dB]
Opracowanie wyników
Z uzyskanych wartości pomiarów jako końcowy wynik przyjmuje się wartość najwyższą.
Poziom hałasu powinien być mniejszy od mierzonego poziomu hałasu wytwarzanego przez pojazd co najmniej o 10 dB (A). W naszym przypadku poziom hałasu otoczenia wyniósł aż 69,0 dB. Nie zostało to spełnione gdyż najwyższa wartość hałasu wyniosła ≈ 76 dB
Na podstawie PN – 92/S – 00451 zawierającej wartości dopuszczalne hałasu zewnętrznego pojazdów dla pojazdów osobowych (M1) badany pojazd osobowy nie osiągnął zbyt wysokiej wartości, czyli hałas przez niego wytwarzany mieści się w normie i nie jest szkodliwy.
Na podstawie PN – 90/S – 04052 zawierającej wartości dopuszczalne hałasu wewnętrznego pojazdów dla pojazdów osobowych, mierzony hałas pojazdu ≈63dB także mieści się w normie.
Wnioski
Pomiar hałasu pojazdu został przeprowadzony na parkingu więc badanie zostało wykonane niezgodnie z normą, gdyż obok obiektu badanego znajdowały się inne samochody w odległości około 1m. Poziom hałasu otoczenia był zbyt wysoki bo wyniósł 69,0 dB w porównaniu do najwyżej wartości hałasu pojazdu ≈ 76 dB.
Jednym z czynników mających ewidentny wpływ na dokładność pomiarów jest relacja poziomu szumów otoczenia do poziomu hałasu badanego. Aby sygnał ten nie „utonął” w szumie otoczenia, musi być on, co najmniej o 10dB wyższy od poziomu tła. W naszym przypadku różnica jest mniejsza niż 10dB więc poziom tła jest zbyt wysoki . Przyczyną tego mogła być zbyt wysoka prędkość wiatru.
Przyrząd do pomiaru poziomu dźwięku i drgań który został użyty w ćwiczeniu jest również przeznaczony do wykonywania: pomiarów akustycznych, monitorowania hałasu w środowisku, pomiaru zagrożeń w miejscu pracy, oceny wpływu drgań na człowieka oraz monitorowania stanu maszyn, może być stosowany do oceny stanowisk pracy oraz szkodliwego oddziaływania hałasu i drgań na środowisko naturalne. Możliwe jest również wykorzystanie analizatora w pomiarach laboratoryjnych oraz pracach związanych z opracowaniem lub udoskonalaniem nowych produktów.
Wyszukiwarka