1. Wprowadzenie teoretyczne

Maszyna w trakcie działania emituje sygnał akustyczny, będący efektem dynamicznego oddziaływania na siebie poszczególnych elementów, ruchów medium, bądź zachodzących reakcji chemicznych, które ściśle łączą się z działaniem maszyny. Oceny takiego sygnału akustycznego (hałasu), emitowanego przez maszynę, mogą być wykorzystywane do wnioskowania o stanie maszyny. W takim ujęciu hałas zyskuje znaczenie bardzo bogatego źródła informacji.

1.1 Podstawowe pojęcia [11]

Poziom ciśnienia akustycznego. Najniższy poziom dźwięku wykrywalny przez ucho ludzkie wynosi 20 μPa. Taka zmiana ciśnienia jest tak niewielka, ze ,,powoduje ona odchylenie membrany ucha ludzkiego na odległość mniejszą niż średnica pojedynczego atomu. Badania wykazały, ze ucho ludzkie może znieść dźwięk o ciśnieniu ponad milion razy wyższym. Dlatego też, w celu uproszczenia pomiarów dźwięku i zredukowania olbrzymich wartości liczbowych, wprowadzono wygodniejsze - liczbowo - logarytmiczna, decybelową (dB) - skalę pomiarową [5]. Jest to wielkość, którą w praktyce stosuje się najczęściej dla określenia stanu akustycznego środowiska i nosi nazwę poziomu ciśnienia akustycznego L.

Wartość tego poziomu wyraża wzór:

L =20 lg (p/p₀) dB;

w którym p jest ciśnieniem akustycznym w danym punkcie mierzone w Pa, zaś p₀ jest ciśnieniem odniesienia p₀ = 20μPa .

Ana1ogiczną wielkością, którą stosuje się dla określenia intensywności fali akustycznej pod wzg1ędcm energetycznym, jest poziom natężenia dźwięku:

L = 20 lg (p/p₀) = 10 lg (p/p₀) ²= 10 lg (I/lo);

gdzie I jest natężeniem dźwięku, I₀ - natężenie dźwięku porównawczego, które odpowiada w przybliżeniu progowi słyszalności 1000 Hz i jest równe 10~I2 W/m²

Poziomem odniesienia w skali decybelowej dla dźwięku jest poziom 20 μPa -zdefiniowany jako 0 dB. 1 dB jest najmniejszą slysza1ną zmianą poziomu. Poziomowi dla częstotliwości górnej (próg odczuwania bólu), którą przestajemy słyszeć, odpowiada wartość równa 130 dB.

Głośność. Głośność' jest subiektywną miarą wrażenia słuchowego. Im ciśnienie akustyczne dźwięku jest większe, tym ,,głośniej" jest on przez nas odbierany, więc większa jest jego głośność. Subiektywność tej miary polega na tym, ze np. głośność dwóch dźwięków o takim samym poziomie ciśnienia akustycznego, ale o różnych częstotliwościach, może być zupełnie inna. Wynika to z faktu reagowania ludzkiego ucha. Dla przykładu porównajmy dwa dźwięki: nieprzyjemny, głośny dźwięk w hali fabrycznej, oraz cichy (szum) dźwięk słyszany przez nas kiedy jedziemy pociągiem.

Otóż mogą to być dźwięki o jednakowym natężeniu (ok. 95 dB) lecz przez nas odbierane jako głośny i cichy.

Stosowane w praktyce mierniki poziomów dźwięków są zaopatrzone w trzy filtry : A, B, C, a stosunkowo niedawno dodano również i D, których zadaniem jest przystosowanie charakterystyki przyrządu do charakterystyki wrażliwości ucha. Czyli wynikiem pomiaru takim miernikiem jest poziom głośności (miara ,,obiektywna"). Poszczególne filtry (nazywane również filtrami ważącymi) pracują w następujących zakresach poziomów głośności:

A - małych, do 55 fonów,

B - średnich, od 55 do 85 fonów,

C - dużych, powyżej 85 fonów,

D - dużych , do pomiarów głośności samolotów (od 100 fonów).

Do pomiaru wcześniej opisanych wielkości, używane są mierniki, dopuszczane przez polską normę PN-79/T-06460. Są to następujące rodzaje urządzeń:

· dozymetry hałasu,

· mierniki poziomu dźwięku (w tym całkujące mierniki poziomu dźwięku).

Mierniki, poziomu dźwięku (inna nazwa to sonometr) jest podstawowym przyrządem do pomiaru parametrów hałasu. Miarą wpływu hałasu na człowieka nie jest ciśnienie akustyczne, ale głośność. Z tego powodu przyrządy do pomiarów hałasu powinny być wyposażone w odpowiednie elementy kształtujące ich charakterystykę tak, aby rejestrowały dźwięki (dzięki zastosowaniu wcześniej wymienionych filtrów A, B, CD) podobnie jak ucho człowieka. Właśnie tę własność, jak i inne posiada miernik poziomu dźwięku. Może on być zastosowany do pomiaru:

· poziomu ciśnienia akustycznego,

· poziomu dźwięku (,,głośności"- zgodnie z krzywymi korekcyjnymi filtrów A, B, C, D),

· widma częstotliwościowego (przy zastosowaniu zestawu filtrów pasmowych), równoważnego

poziomu dźwięku.

Spotykane obecnie mierniki poziomów dźwięku posiadają wiele opcji i dodatkowych możliwości usprawniających pomiar, a także wizualizację wyników pomiarowych. Odpowiadają one jednak określonym dokładnościom wskazań, ze względu na którą to klasę dokładności, polska norma PN-79/ T-06460 dokonuje ich podziału na mierniki klasy 0, klasy 1, klasy 2, klasy 3. Podstawowymi opcjami miernika przy załączeniu których dokonywany jest pomiar są [2]:

· S (Slow wolno), oznacza charakterystykę dynamiczną miernika poziomu dźwięków ciągłych, określające jego działanie zwane wolnym.

· F (Fast - szybko), oznacza charakterystykę dynamiczną miernika poziomu dźwięków ciągłych, określającej jego działanie zwane szybkim.

· I (Impulse - impulsowa ), oznacza charakterystykę do pomiaru poziomu dźwięków krótkich, o przebiegu impulsowym.

· P (Peak - szczytowa), stosowana do pomiaru wartości szczytowej przebiegu.

· LIN, oznacza liniową charakterystykę częstot1iwościową miernika, która umożliwia pomiar poziomu ciśnienia akustycznego.

Opcje te wprowadzają zmiany w charakterystyce czasowej układu prostownik -

wskaźnik. W zależności od klasy dokładności spotykane mierniki zawierają opcje

zgodne z tab. 1.

Tabela 1. Możliwości pomiarowe mierników poziomu dźwięku w zależności od ich klasy [41

Klasa dokładności 0 1 2 3

Poziom dźwięku A,B,C,D, A,B,C A,C A

Poziom ciśnienia LIN LIN LIN LIN

akustycznego

Zakres pomiarów dB 120 100 80 60

Charakterystyki dynamiczne S F S F S F F

Błąd podstawowy pomiaru 0,4 0,7 1,0 1,5

1.2 Orientacyjna metoda określania poziomu mocy akustycznej hałasu maszyn

Orientacyjna metoda określania mocy akustycznej hałasu zalecana jest przez normę

PN-84/N-0 1332. W ćwiczeniu laboratoryjnym zastosowana jest metoda opracowana jedynie do potrzeb wynikających z przeprowadzenia ćwiczenia. Orientacyjna metoda określania poziomu mocy akustycznej hałasu, opracowana dla celów dydaktycznych Politechniki Śląskiej, polega na wyznaczeniu poziomów dźwięku w przestrzeni otaczającej maszynę - obiekt badań'. Przestrzenią tą jest powierzchnia półsfery roztoczona nad powierzchnią odbijającą dźwięk (rysunki: 1 a i b). Powierzchnia pomiarowa jest poprzecinana płaszczyznami równoległymi do płaszczyzny powierzchni odbijającej dźwięk. Sześć równoległych płaszczyzn (A, B, C, D, E, F) (por. rys.2) odległych od powierzchni odbijającej dźwięk o wysokość h_N tworzy z półsferę (jako część wspólna) okręgi, na których porozmieszczane są punkty w których dokonywane są pomiary poziomów dźwięku emitowanego przez maszynę. Ilość i rozmieszczenie punktów pomiarowych jest tak dobrana, aby pozwalało to na określenie sposobu rozchodzenia się dźwięku emitowanego przez obiekt oraz mocy akustycznej hałasu. Metoda proponowana w ćwiczeniu laboratoryjnym jest metodą określania poziomu mocy akustycznej hałasu maszyny, polegająca na obliczeniu tej mocy na podstawie średnich wartości poziomów dźwięku A, zmierzonych w pomieszczeniach lub otwartej przestrzeni.

Metodę opisaną w tym ćwiczeniu należy stosować dla maszyn wytwarzających w ośrodku powietrznym hałas ustalony. Należy ją stosować w przypadku gdy dokładne i techniczne metody (ustanowione w PN-8 1 I N - 01306) nie mogą lub nie są konieczne do zastosowania. Metoda ta pozwala na określenie poziomu mocy akustycznej hałasu maszyn w sposób orientacyjny, oraz pozwala na obrazowe przedstawienie rozkładu pola akustycznego w pobliżu maszyny.

2. Opis ćwiczenia

2.1 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się metodą pomiaru hałasu maszyny, sposobem wykonywania tego typu pomiarów, oraz poznanie podstawowych określeń i pojęć z tego zakresu.

2.2 Wymagania ogólne

Pomiary należy przeprowadzać w pomieszczeniach o objętości większej niż 70 m3 lub w przestrzeni otwartej, nad powierzchnią odbijającą dźwięk. W przypadku przeprowadzania pomiarów w przestrzeni otwartej, konieczne są dobre warunki atmosferyczne (brak wiatru, deszczu i mgły). Miejscem przeprowadzenia ćwiczenia jest Laboratorium podstaw Konstrukcji Maszyn (s. 14). W ćwiczeniu laboratoryjnym do pomiarów stosuje się miernik poziomu dźwięku T- 01.

2.3 Przygotowanie pomiarów

Dla badanej maszyny należy dokonać pomiaru określającego jej wielkości geometryczne, bez uwzg1ędnienia wystających części maszyny, które nie są źródłem emisji dźwięku. W ten sposób badany obiekt przy dalszym postępowaniu jest ,,widziany" jako prostopadłościan o liniowych wymiarach a, b, c (rys. 2). Podwojony największy wymiar 2lmax stanowi promień R powierzchni pomiarowej - półsfery, na której rozmieszczone są punkty w których dokonywany jest pomiar. Następnie należy wyznaczyć na powierzchni odbijającej dźwięk siatkę z naniesionymi na niej punktami pomiarowymi, będącymi rzutami rzeczywistych punktów rozmieszczonych na powierzchni półsfery, w których będą dokonywane pomiary. Siatka ta powinna być wyznaczona w środkowej części pomieszczenia. Każdemu punktowi pomiarowemu naniesionemu na siatce należy nadać kolejny numer. Sposób rozmieszczenia punktów pomiarowych, kolejność przyporządkowywania im numerów oraz ideę tego postępowania obrazują rysunki.

Charakterystyczne wymiary siatki należy wyznaczyć z wzorów na:

• promień powierzchni pomiarowej

R=2lmax;

gdzie lmax jest największym wymiarem liniowym maszyny,

- wysokość płaszczyzn przecinających półsferę:

h­_A = 0,1R;

h_B = 0.3R;

hc = 0,5R;

h_D = 0,7R;

h_E = 0,9R;

h_F = R

- promienie okręgów r_N powstałych z przecięcia płaszczyzn A, B, C, D, E, F z półsfery o promieniu R:

r_N=(R² +h_N²)0'5

gdzie r_N h_N są promieniami i wysokościami odpowiednio dla płaszczyzn A, B, C, D,

E i F. Rzut środka półsfery na powierzchnię odbijającą dźwięk powinien zbiegać się

z rzutem środka prostopadłościanu ograniczającego maszynę.

2.4 Określenie stałej K [31]

W celu przeprowadzenia oceny wpływu dźwięków odbitych w przestrzeni pomiarowej (pomieszczeniu laboratorium), należy wyznaczyć wielkość stałej K w dB. Przy pomiarach w przestrzeni otwartej stała K = 0, zaś pomieszczenie zamknięte spełnia wymagania metody pomiaru jeśli K < 7 dB. Stalą K należy wyznaczyć wg. wzoru:

K = lOlg[1+4S/A(1-A/Sv)]

w którym:

S - pole powierzchni pomiarowej, S = πR²

S_V- pole powierzchni ograniczających pomieszczenie z podłogą włącznie;

A - chłonność akustyczna pomieszczenia.

Staią K dopuszcza się określić również z wykresu na rys. 3, przy przyjęciu wartości α_s z

tablicy 2. Średnią chłonność akustyczną A, w m² , należy obliczyć wg wzoru:

A = α_s S_V;

Tablica 2. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku w pomieszczeniu pomiarowym [3]

α_s Rodzaj pomieszczenia pomiarowego

0,05 Puste pomieszczenie o gładkich ścianach z betonu, cegły itp.

0,1 Czuciowo puste pomieszczenie o gładkich ścianach z betonu, cegły itp.

0,15 Pomieszczenie z twardymi meblami, hala przemysłowa lub oddział fabryczny

(warsztat) z wyposażeniem technicznym itp.

0,2 Pomieszczenie o złożonym kształcie z wyposażeniem technicznym lub bez.

0,25 Pomieszczenie z miękkimi meblami, oddział fabryczny z częściową adaptacją

akustyczna, z konstrukcjami lub ustrojami dźwiękochłonnymi na ścianach i suficie.

0,35 Pomieszczenie z peln4 adaptacj4 akustyczna na ścianach i suficie.

0,5 Pomieszczenie wyposażone w specjalne konstrukcje dźwiękochłonne .

2.5 Pomiar poziomu dźwięków zakłócających i związane z nim poprawki

Poziom dźwięków zakłócających, pochodzących np. od aerodynamicznego przepływu powietrza wokół mikrofonu, innych źródeł hałasu, należy zmierzyć w tych samych wielkościach (poziom dźwięku A) i w tych samych punktach pomiarowych co hałas badanej maszyny.

W przypadku gdy różnica między zmierzonym poziomem dźwięku A emitowanym przez badaną maszyną a poziomem dźwięku A dźwięków zakłócających ΔL jest większa niż 10 dB, pomiar ten dopuszcza się pominąć.

Wyniku pomiaru w danym punkcie pomiarowym nie można ocenić, jeżeli różnica ΔL jest mniejsza niż 3 dB lub jest mniejsza niż 10 dB i zmienna w czasie. W punktach pomiarowych, w których wartość ΔL > 3 dB, należy odjąć od zmierzonych wartości poziomu dźwięku A wartości poprawek A zestawione w tab. 3.

Tablica 3. Wartość poprawek A w punktach pomiarowych w których wartość różnicy (poziomu dźwięku emitowanego przez obiekt a poziomu dźwięku tła akustycznego) ΔL > 3 dB [3]

AL,dB Δ,dD

3 3

od 3 do 5 2

od 6 do 8 1

od 9 do 10 0,5

2.6 Wykonanie pomiarów

Przy wykonywaniu pomiarów, mikrofon miernika poziomu dźwięku umieszczony w punkcie pomiarowym powinien być skierowany w stronę badanej maszyny. Sam miernik powinien pracować z załączoną opcją dla pomiaru poziomu dźwięku A. W pobliżu mikrofonu i badanej maszyny nie powinni znajdować się ludzie ani przedmioty zakłócającej pole akustyczne. Odległość, o ile jest to możliwe, między mikrofonem i osobą wykonującą pomiar powinna wynosić co najmniej 0,5 m. Odległość mikrofonu od powierzchni ograniczających pomieszczenie nie powinna być mniejsza niż im. Jeżeli mierzony poziom jest zmienny w zakresie 5 dB, pomiar należy wykonać przy włożonej charakterystyce dynamicznej oznaczonej S (wolno). Wynik pomiaru jest wartością średnią maksymalnych i minimalnych wskazań przyrządu.

Przy zastosowaniu ww. wymagań, pomiar dokonywany jest w ten sposób, że umieszczony mikrofon przyrządu nad punktem pomiarowym siatki na wysokości h_N rejestruje poziom dźwięku A, który wskazywany jest na skali miernika. Wartość wskazania należy zapisać do tabeli pomiarowej (tab. 4).

2.7 Określenie poziomu mocy akustyczne [3]

Średnia wartość poziomu dźwięku A dla powierzchni pomiarowej należy obliczyć wg

wzoru:

w którym:

L_i- poziom dźwięku w i- tym punkcie pomiarowym (dla i ...... , 21),

n - liczba punktów pomiarowych, n =21.

K - stała K (dla hałasu w przestrzeni otwartej K = 0).

Jeżeli różnice miedzy poszczególnymi wartościami L_i nie są większe niż 5 dB, wówczas wartość średnia oblicza się wg wzoru:

Poziom mocy akustycznej A, L_p w dB, należy obliczyć wg. wzoru:

Lp = Lm + 10lg (S/S0);

w którym:

L_m - średni poziom dźwięku A w dB,

S - pole powierzchni pomiarowej, S =2 πR2 w m2,

S - 1m².

2.8 Protokół badań pomiarowych

Protok6i badań pomiarowych powinien zawierać wszystkie informacje dotyczące obiektu, przyrządu pomiarowego, tabeli wielkości geometrycznych określających rozmieszczenie punktów pomiarowych na powierzchni pomiarowej (tab. 4), wyników pomiarów (tab. 5) wraz z wszelkimi dokonywanymi obliczeniami.

Sposób przeprowadzenia ćwiczenia

1.Wyznaczyć wielkość graniastosłupa ograniczającego obiekt o wymiarach a, b ,c, oraz

wyznaczyć promień powierzchni pomiarowej. Wyniki zapisać w tab. 4.

2. Wyznaczyć wielkości geometryczne (h_N, r_N ) potrzebne do narysowania siatki pomiarowej na powierzchni odbijającej dźwięk oraz rozmieszczenia na niej rzutów punktów pomiarowych i wyniki zapisać w tab. 4. Narysować siatkę pomiarową

3. Umieścić maszynę na powierzchni odbijającej dźwięk (Środku geometrycznym siatki) i sporządzić szkic ustawienia maszyny na siatce pomiarowej.

4. Zbadać poprzez wyznaczenie stałej K, czy pole akustyczne, w którym dokonywany będzie pomiar, spełnia wymagania pola swobodnego dla tej metody.

5. Dokonać pomiaru poziomu tła akustycznego.

6. Dokonać pomiaru poziomu dźwięku A w kolejnych punktach pomiarowych zapisać odczytywane wyniki w tab. 5.

7. Powtórzyć jeszcze dwukrotnie czynności w powyższym punkcie.

8. Sporządzić protokół pomiaru, zawierający następujące informacje:

1. dane maszyny lub urządzenia (dane znamionowe, przeznaczenie, stan),

2. warunki pomiarów:

-wymiary i własności akustyczne pomieszczenia (Sv, A), pole powierzchni pomiarowej S,

wartość wyznaczonej stałej K,

- typ i nr przyrządu pomiarowego,

c) wyniki pomiarów i obliczeń:

• informacje dotyczące poziomu tła akustycznego,

1

13

---