Dobór metody lokalizacji źródeł hałasu w maszynach

Dyrektywy Unii Europejskiej dotyczące hałasu emitowanego przez maszyny oraz urządzenia przemysłowe stawiają ich producentom zaostrzone wymagania. Ograniczenie emisji hałasu ma być realizowane poprzez obniżenie poziomów maksymalnego i szczytowego ciśnienia akustycznego oraz maksymalnego poziomu mocy akustycznej do poziomów określonych w dyrektywach.

Kolejnym zagadnieniem związanym z dyrektywami nowego podejścia jest ochrona ludzi oraz środowiska naturalnego przed szkodliwymi skutkami hałasu.

Redukcję hałasu można uzyskać poprzez wprowadzenie zmian w architekturze pomieszczeń produkcyjnych w formie obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych, ekranów akustycznych czy tłumików akustycznych. Najskuteczniejszym jednak sposobem pozwalającym na ograniczenie hałasu jest jego redukcja u źródła [1-4].

Lokalizacja źródła lub źródeł hałasu oraz identyfikacja przyczyn jego powstania ma kluczowe znaczenie i może pozwolić na wprowadzenie celowych zmian w konstrukcji maszyny dla redukcji hałasu emitowanego przez nią do otoczenia.

Poziom mocy akustycznej jest zdeterminowany przez źródło lub kilka źródeł mających najwyższe wartości natężenia dźwięku. Określenie głównych źródeł hałasu jest zatem kluczowym zagadnieniem dla osiągnięcia poprawy warunków akustycznych w otoczeniu.

Metoda pomiaru natężenia dźwięku

Natężenie dźwięku definiowane jest jako uśredniona w czasie wartość strumienia energii akustycznej przypadającej na jednostkę powierzchni. Natężenie dźwięku skalowane względem natężenia odniesienia wyrażane jest jako poziom natężenia dźwięku wyrażony w jednostce dB.

Natężenie dźwięku na powierzchni oddalonej o odległość r od punktowego źródła dźwięku jest równe mocy źródła dźwięku w podzielonej przez powierzchnię 4πr². Inaczej natężenie dźwięku na powierzchni w odległości r jest równe kwadratowi ciśnienia p podzielonego przez impedancję powietrza zależną od prędkości dźwięku c oraz gęstości powietrza ρ [5].

Urządzeniem stosowanym w pomiarach natężenia dźwięku oraz lokalizacji źródeł hałasu jest dwumikrofonowa sonda natężeniowa. Zastosowanie dwóch mikrofonów oddalonych względem siebie o znaną odległość pozwala na wyznaczenie uśrednionego ciśnienia akustycznego  oraz gradientu ciśnienia akustycznego, które pozwala na wyznaczenie prędkości cząstki  w punkcie środkowym odcinka Δr między mikrofonami na kierunku równoległym do osi mikrofonów.

Natężenie dźwięku I wyznaczane jest jako iloczyn uśrednionego ciśnienia akustycznego  oraz prędkości cząstki , co przedstawia RYS. 1.

Najczęstszym zastosowaniem pomiaru natężenia dźwięku jest lokalizacja źródeł hałasu oraz wyznaczanie mocy akustycznej. Wyznaczanie mocy akustycznej może zostać przeprowadzone na kilka sposobów zależnie od potrzeb lub warunków określonych w normach.

Zaletą pomiarów natężenia dźwięku w celu wyznaczania mocy akustycznej jest mały wpływ warunków otoczenia na wyniki pomiarów.

Charakterystykę kierunkową sondy natężeniowej przedstawiono na RYS. 2. Wynika z niego, że sonda natężeniowa ma największą czułość w kierunku osi przechodzącej przez obydwa mikrofony.

W kierunku prostopadłym do osi sondy mierzone natężenie dźwięku ma znacznie niższe wartości.

Szczególnie przydatną metodą w lokalizacji źródeł hałasu jest pomiar natężenia dźwięku na powierzchni obejmującej geometrię badanego obiektu. Specjalistyczne oprogramowanie NSL (Noise Source Location) pozwala na stworzenie modelu geometrycznego powierzchni pomiarowej obejmującej rzeczywistą geometrię wraz z punktami punktów pomiarowymi, w które wczytywane będą dane z pomiarów przeprowadzonych sondą natężeniową.

RYS. 3 przedstawia model przestrzenny badanego obiektu wraz z naniesioną siatką oraz punktami pomiarowymi.

• Kolorem czerwonym zaznaczone są punkty, w które należy wczytać dane.
• Gęstość siatki pomiarowej nie powinna być mniejsza od stosunku prędkości dźwięku w warunkach pomiaru do maksymalnej zarejestrowanej częstotliwości.
• Zwiększenie ilości punktów pomiarowych może pozwolić na lepsze odwzorowanie rozkładu natężenia w przypadku wielu źródeł usytuowanych blisko siebie.

Na podstawie danych pomiarowych wczytanych w punkty modelu przestrzennego można stworzyć przestrzenną mapę akustyczną, ukazującą interpolowane poziomy ciśnienia akustycznego oraz natężenia dźwięku (RYS. 4).

Kolejną funkcją oprogramowania jest wyznaczanie mocy akustycznej oraz tworzenie rankingów jej poziomów dla danych powierzchni bądź pogrupowanych elementów składowych obiektu.

Metoda pomiaru kamerą akustyczną

Kamera akustyczna jest urządzeniem zawierającym elementy, które pozwalają na rejestrację obrazów oraz przebiegów ciśnienia akustycznego.

• Matryca kamery akustycznej składa się kilkudziesięciu mikrofonów odpowiednio rozmieszczonych względem siebie oraz centralnie umieszczonego rejestratora wideo.
• Pomiary przeprowadzane są poprzez skierowanie matrycy na obiekt badań, rejestrator video pozwala na wyświetlenie obszaru pomiarowego online, co pozwala na łatwiejsze ustawienie matrycy w odpowiedniej pozycji.
• Uruchomienie pomiaru wyzwala zapis ciśnienia akustycznego przez każdy z mikrofonów oraz rejestrację obrazu lub filmu z badanego obrazu.
• Wprowadzenie parametrów, takich jak odległość kamery od źródła dźwięku, temperatura oraz wybranie odpowiedniego algorytmu obliczeniowego, jakim najczęściej jest beamforming, pozwala na nałożenie zarejestrowanego ciśnienia akustycznego na obraz w celu wygenerowania mapy akustycznej ukazującej rozkład ciśnienia akustycznego.

Zasada działania beamformingu przedstawiana jest poprzez opis Delay-and-Sum beamformer [9] (kształtowanie wiązki poprzez opóźnienie i sumowanie).

Jak przedstawiono na FOT. (patrz: zdjęcie główne), rozpatruje się matrycę pomiarową złożoną z M mikrofonów znajdujących się w lokacjach r_m (m = 1, 2,..., M) w płaszczyźnie x-y układu współrzędnych. Kiedy taką powierzchnię zastosuje się dla Delay-and-Sum Beamforming, sygnały zmierzonego ciśnienia p_m są indywidualnie opóźnione, a potem zsumowane:

gdzie:

w_m - zbiór współczynników wag zastosowanych do indywidualnych sygnałów z poszczególnych mikrofonów.

Indywidualne czasy opóźnień Δ_m zostały dobrane w celu osiągnięcia poprawy czułości w konkretnym kierunku, charakteryzowanym poprzez wektor κ. Zostaje to osiągnięte poprzez dostosowane czasów opóźnień tak, że sygnały związane z falą płaską, pochodzą z kierunku κ oraz są uzgodnione w czasie, zanim zostaną zsumowane. Rozważania geometryczne na RYS. 5 pokazują, że może to zostać osiągnięte poprzez:

gdzie:

c - szybkość rozchodzenia się dźwięku.

Sygnały pochodzące z innych kierunków nie będą zgodne przed zsumowaniem, więc nie będą dodawane w sposób spójny. W ten sposób określono czułość kierunkową przedstawioną na RYS. 6.

Na RYS. 7 pokazano zdjęcie z naniesionymi poziomami ciśnienia akustycznego, z którego wynika, że najwyższe poziomy dźwięku w ładowarce podczas biegu jałowego występują w obrębie silnika spalinowego.

Podsumowanie

Z badań doświadczalnych wynika, że zarówno metoda pomiaru natężenia dźwięku, jak i kamera akustyczna nadają się do lokalizacji źródeł hałasu w maszynach.

Zaletą metody pomiaru natężenia dźwięku jest to, że istnieje możliwość ustalenia rankingu poszczególnych źródeł hałasu na podstawie obliczenia mocy akustycznej z poszczególnych powierzchni składowych zdefiniowanych na modelu przestrzennym. Na tej podstawie określa się, które źródła dźwięku szczególnie powinny zostać ograniczone dla uzyskania redukcji poziomów hałasu całego agregatu.

Zaletą metody pomiaru natężenia dźwięku jest również jej wysoka rozdzielczość i możliwość pomiaru w bardzo bliskiej odległości, np. 5 cm. Konieczność przygotowania modelu, często o złożonej geometrii, oraz znaczna ilość punktów pomiarowych mogą wiązać się z wydłużonym czasem potrzebnym do przeprowadzenia pomiarów.

Zastosowanie kamer akustycznych ciągle staje się coraz popularniejsze i pozwala na bardzo szybkie ustalenie położenia poszczególnych źródeł dźwięku.

Kamery akustyczne pokazują rozkład ciśnienia akustycznego lub natężenia dźwięku zawsze na pewnej powierzchni.

W przypadku urządzeń, w których występuje kilka nakładających się źródeł dźwięku o zbliżonych poziomach, należy wykonać pomiary z różnych odległości, aby wyeliminować różnice w interpretacji wyników pomiaru.

Kamery akustyczne są stosowane również przy lokalizacji źródeł dźwięku w środowisku, np. w zakładach przemysłowych. Metoda pomiaru natężenia dźwięku jest bardziej pracochłonna, daje jednak lepsze wyniki przy bardziej złożonych źródłach dźwięku o trójwymiarowej geometrii.

Dalsze informacje na www.wibroakustyka.com.pl

Literatura

1. Z. Engel, "Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
2. W. Fiebig, P. Cependa, "Lokalizacja źródeł hałasu w koparko­‑ładowarce przy pomocy kamery akustycznej", "Napędy i sterowanie", nr 5/2014.
3. S. Chwastek, S. Michałowski, "Redukcja obciążeń dynamicznych nieresorowanych maszyn na podwoziach kołowych", „Czasopismo Techniczne, Zeszyt Mechanika" 1-M/2006, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, ISSN 0011-4561, Kraków 2006, s. 71-80.
4. W. Borkowski, S. Konopka, L. Prochowski, "Dynamika maszyn roboczych", WNT, Warszawa 2005.
5. Dyrektywa UE 42/2006/WE, "Methoden zur Geraeuschminderung von Maschinen".
6. "Brüel & Kjær. Lecture notes", Brüel & Kjær University, Nærum Denmark. 17-18 November 2008.
7. F. Fahy, "Sound intensity", CRC Press, 1995.
8. S. Gade, "Sound intensity", Bruel & Kjaer Technical Review 4/1982.
9. J.J. Christensen, J. Hald, "Beamforming", Bruel & Kjaer Technical Review nr 1/2004.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!