Спросить
Войти
УДК 621.01
А.М. Медведев, А.В. Станийчук
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ОТЛИЧИЙ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЗОНЕ
ОТ СВОБОДНОГО
В работе приведены данные исследований по уточнению метода измерений на расстоянии 1 м от машины шумовых характеристик машиностроительного оборудования, сравнения уровней шума одного или разных видов источников, сравнения шумовых характеристик с установленными предельными значениями в производственных помещениях. Точность метода измерения в виде среднеквадратичной погрешности реализована за счет использования коэффициента, учитывающего увеличение уровня звукового давления в измерительных точках из-за неравномерности расположения локальных источников шума в объеме машины, влияния их ближнего звукового поля и акустической постоянной цеха.
ANALYSIS OF DIFFERENCES BETWEEN THE SOUND FIELD OF MANUFACTURING EQUIPMENT IN THE MEASURING ZONE AND A FREE ONE
The article deals with the research data concerning the clarification of measuring method at 1 meter distance from the noise characteristics machine of machine-building equipment, comparison of noise levels of one or different kinds of sources, comparison of noise characteristics with the established limit values in industrial premises. The accuracy of measuring method in the form of mean-square error is realized through the coefficient, which takes into account the increase of sound pressure level at checkpoints due to the nonuniformity of location of local noise sources in the machine capacity, influence of their immediate field and acoustical constant of the production unit.
Введение
Методы измерения шумов делятся на стандартные и нестандартные. Первые регламентированы отечественными и международными стандартами, обеспечиваются стандартизованными средствами измерения. Нестандартные методы применяют при научных исследованиях, а также при решении специальных задач. Шумовые характеристики источников шума используются для определения уровней звукового давления или уровней звука на заданных расстояниях от источника шума; сравнения уровней шума одного или разных видов источников; сравнения шумовых характеристик с установленными предельными значениями; планирования и оценки мероприятий по снижению шума.
Постановка задачи
Стандартизованы по величине заданных погрешностей следующие методы измерений воздушного шума:
I. Точный метод в реверберационной камере (ГОСТ 12.1.025-81, 2001, ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в реверберационной камере. Точный метод), при среднеквадратичной погрешности уровней звуковой мощности sP < (1,5-2) дБ.
II. Точный метод в заглушенной камере со звукопоглощающим покрытием при sP < (0,5-1) дБ (2а) и звукоотражающим полом при sP < (1-1,5) дБ (2б) (ГОСТ 12.1.024-81, 1996, ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в заглушенной камере. Точный метод).
III. Технический метод в реверберационной камере при sP < (2-5) дБ (ГОСТ 12.1.027-80, 1996, ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в реверберационном помещении. Технический метод).
IV. Технический метод в заглушенной камере при sP < (1,5-5) дБ (ГОСТ 12.1.026-80, 1996, ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в свободном звуковом поле над звукоотражающей плоскостью. Технический метод).
V. Ориентировочный метод при sP < (4-5) дБ (ГОСТР 51402-99 (ИСО 5746-95) Шум машин. Определение уровней звуковой мощности источников шума по звуковому давлению. Ориентировочный метод с использованием измерительной поверхности над звукоотражающей плоскостью).
Первые два точных метода определения шумовых характеристик в специальных заглушенных (более точный метод) и реверберационных камерах применимы только для оборудования сравнительно небольших размеров (в пределах 5 м), поскольку требуют объемов камеры, превышающих объем машины в 100-200 раз. Технические методы определения шумовых характеристик дают необходимую точность, но налагают ограничения на измерительные помещения, требуют создания условий свободного или реверберационного поля, которые в общем случае в производственных условиях не реализуются.
Ориентировочный метод (ГОСТ Р 51402-99) допускает проведение измерений в обычных производственных помещениях без испытаний их акустических характеристик, однако точность измерений в этом случае недостаточна для целей контрольных испытаний. Частотные характеристики sP для рассматриваемых пяти случаев в соответствии с ГОСТ 25941-2002 показаны на рис. 1.
На результаты измерений влияют особенности звукового поля машины: тип излучателей, их расположение в объеме машины, наличие ближнего поля излучения, а также акустические свойства производственного помещения и соседних машин. В этом случае уровень звуковой мощности (УЗМ)
LP машин определим по зависимости
- ( S Л
Lp = L +10 • lg — - K, (1)
- ( 1 П 01L Л
где L = 10 • lg I— • V1001i& I - средние значения уровня звукового давления на измерительной
Vn 1=1 )
поверхности, дБА; S - площадь измерительной поверхности (S0 =1 м2); K - коррекция, учитывающая отличие звукового поля в измерительной зоне от свободного, дБ, n - число измерительных точек со значением уровней в них Lt.
для принятого метода измерений.
Чз \\ V и 1
-а 1 V 1 1
. . . 1..... 11
а/2 а/2
Рис. 2. Схема расположения измерительных точек: 8 - измерительная поверхность; 1^8 - точки измерения; 1ь 12, 15 - размеры огибающего источника шума параллелепипеда; d - измерительное расстояние; а, Ь, с -характеристические размеры
измерительной поверхности по ориентировочному методу
определения уровней звуковой
Рис. 1. Среднеквадратичное отклонение при измерении уровня звуковой мощности разными методами. Исследование коэффициента, учитывающего увеличение уровня звукового давления в измерительных точках из-за неравномерности расположения локальных источников шума в объеме машины, влияния их ближнего звукового поля и акустической постоянной цеха Из пяти стандартных методов определения уровня звуковой мощности машин лишь один -ориентировочный - является универсальным и допускает выполнение измерений в любых условиях эксплуатации. Однако точность этого метода ограничивает его использование при контрольных испытаниях машин, так как максимальные
среднеквадратичные отклонения р для него составляют 4^5 дБ. Контрольные точки (их число равно 8) при измерениях по этому методу находятся на расстоянии й = 1 м от наружного контура машины (рис. 2).
Площадь S измерительной поверхности (м2) вычислим по формуле
где а = 0,5 • 11 + й, Ь = 0,5 • 12 + й , с = 13 + й - размеры измерительной поверхности, м; 11,12,13 - размеры параллелепипеда, ограничивающего машину, м; й 3
измерительное расстояние, м; к = 0,25 -(Ъ + с + й) - высота расположения измерительных точек, м.
Коррекция влияния отраженного звука в измерительном помещении рассчитаем по формуле (допускается К < 7 дБ):
К = 10 - ^
где А = а- - эквивалентная площадь звукопоглощения в испытательном помещении со средним
коэффициентом звукопоглощения а, м2; - площадь поверхностей, ограничивающих
измерительное помещение, м.
Особый интерес исследователей вызвал метод двух поверхностей и его вариант - метод трех поверхностей [1-4]. Определяя средние уровни звукового давления на 2-5 подобных замкнутых поверхностях, окружающих машину, величину коррекции К находят из решения системы уравнений для уровня звукового давления на измерительных поверхностях:
К = К (АЬ, Я), (4)
где АЬ - разность средних УЗД на измерительных поверхностях; Я - отношение их площадей.
Как показывают исследования, абсолютная погрешность метода двух поверхностей для небольших машин находится в пределах 2 дБ, достигая в отдельных случаях 5—4 дБ, а для больших машин величина погрешности от 2 до 6 дБ. Метод трех поверхностей несколько точнее [1, 3]. Исследованиями международной группы специалистов, выполненными при разработке стандартов по определению уровней звуковой мощности, установлена предпочтительность измерений в свободном звуковом поле [4] . Метод двух поверхностей не был рекомендован ввиду больших ошибок измерений, а метод трех поверхностей признан целесообразным для сравнительных испытаний.
На основании ГОСТ Р 51402-99 (ИСО 5746-95) (Шум машин. Определение уровней звуковой мощности источников шума по звуковому давлению. Ориентировочный метод с использованием измерительной поверхности над звукоотражающей плоскостью), с учетом описанных методов, для проведения контрольных испытаний был применен уточненный метод определения уровней звуковой мощности на расстоянии 1 м от машины в условиях эксплуатации. Схема расположения измерительных точек представлена на рис. 3.
Расчетная формула для определения октавных уровней звуковой мощности по данному
методу
ЬР = Ь„,
где Ь = 10 - ^ I— - У1001Ь I — К ; Ь - уровень звукового давления в & -й измерительной точке, дБ.
Vп =1 У &
По данному методу коррекция при диффузном характере отраженного звукового поля в зоне измерений:
к = ю-1в|у+В
где у = у1 - у2 - коэффициент, учитывающий увеличение уровня звукового давления в измерительных точках из-за неравномерности расположения локальных источников шума в объеме машины (у) и влияния их ближнего звукового поля (у2); В - акустическая постоянная цеха, м2.
Большинство производственных цехов машиностроительных предприятий условно могут быть разделены на соразмерные (отношение длины I и ширины Ъ к высоте к не превосходит соответственно 5 и 4) и плоские, поскольку имеют такие длину и ширину, что эти соотношения
значительно выше. Исследования спадов уровня звукового давления (рис. 4) в проходах между различного рода металлорежущих станков на разных расстояниях от расположенного в проходах точечного образцового источника (паспортные значения среднеквадратичных отклонений для источника в полосах измерения находятся в пределах 0,7 дБ), выполненные как для соразмерных, так и для плоских цехов, показали, что для всех случаев измерений отраженное поле в измерительной зоне является диффузным.
.1 М. | ._¡1_. .1 М , 1 М. , . 12 . 1 М
-ф-е-ф-ф-сэ4---6
Рис. 3. Схема расположения измерительных точек по уточненному методу определения уровней звуковой мощности на расстоянии от источника 1м: 11, 12,13 - основные габаритные размеры машины, м;
а, Ь, с - размеры измерительной поверхности, м; и1, и2 - расстояние между измерительными точками.
Измерения проводились в цехах со следующем оборудованием: токарное (25х22х6 м; а = 0,3); сверлильное и расточное (40х50х4,5 м; а=0,25); фрезерное (60х50х4,5 м; а=0,24), протяжное, строгальное (95х70х5 м; а =0,26).
Результаты измерений сопоставлялись с расчетными значениями спадов уровней, определенными в соответствии с классической теорией Сэбина по уравнению
Ь = Ьр - 10-1ё
( 2рг2 > В
+10-^
где Ьр - уровень звуковой мощности образцового источника; г - расстояние от источника до измерительной точки, м.
Спад уровня звукового давления в проходах между металлорежущими станками подчиняется уравнению (7). Справедливость этого заключения подтверждается совпадением значений уровня
звуковой мощности (разница в пределах 1 дБ), определенных по уточненному методу для однотипных машин, машин, работающих при одинаковых скоростях в соразмерных и плоских цехах.
Ь, дБ а)
Ь, дБ б)
Ь, дБ в)
Ь, дБ г)
Рис. 4. Спады уровня звукового давления при удалении от образцового источника шума в проходах
между станками: —♦—экспериментальный; —■— расчетный.
Коэффициент у для приводов машин найден с учетом данных локализации и идентификации излучателей шума в объеме машины - в полосах измерений преобладают некогерентные точечные излучатели и линейные системы некогерентных точечных излучателей.
Оценка коэффициента у сводится к нахождению средней плотности звуковой энергии ж прямого излучения на измерительной поверхности S при известной мощности источника Р0: Р ж ■ с ■ 5
где Р - измеренная звуковая мощность, Вт; с - скорость звука в воздухе, —.
При излучении в полусферу плотность энергии найдем из соотношений: для локального точечного источника (рис. 5, а) в точке на расстоянии г
Л 4с ) 5:7( 5— --£ 6
\\ , 1:3 г с к 2
ч \\ к. ) / ) ■о
Ро 2а
Рис. 5. Расчетная схема для приводов машин с одним локальным точечным (а) и линейным (б) источником: I- локальный точечный источник; 1,2,5,4,5,6,7,8 - расчетные (измерительные) точки; а, с - размеры измерительной поверхности, м; г - расстояние от источника до каждой из измерительных точек.
ж, = 2р ■ г. ■ с
где ж - плотность звуковой энергии в \\ -й точке; для линейного источника (рис. 5, б) длиной I в точках Д и Д на измерительных линиях АВ, СЕ, АС, ВЕ, параллельных и перпендикулярных источнику I:
| |( х - а )2 + ё2
аг^02 - аг^01 2р■с ■ I
ж2 = р0
аг^в4 - aгctgд3
где ё - расстояние от измерительной линии до источника, м; г - расстояние от элементарного излучателя до измерительной точки Д, м; х, а - соответственно координаты элемента и измерительной точки Д в прямоугольной системе координат, м; 61,62,63,64 - угловые координаты измерительных точек Д и Д относительно концов линейного источника.
Механические приводы металлорежущих станков представляют собой системы линейных и точечных излучателей.
Для основных типов приводов металлорежущих станков найдены значения у в диапазоне 1,35^1,53. Среднее значение у = 1,44.
Величину коэффициента у2, учитывающего влияние в зоне измерения ближнего поля машины, найдем из отношения (8):
У2 ="
где р - мощность источника в ближнем поле, Вт.
Величины, входящие в уравнение (11), определим выражением
р0 = К р -у-ёБ, р = — ЦУ-ёБ,
я Р-с 7
где у - виброскорость звуковой волны на элементарной площадке ёБ поверхности излучения Б, —.
Для мощностей сферического излучателя порядка П получим выражения:
к-г0-Н(2\\ -п-Н(2) -к-гп
п+— 2 о
п+-2
У2. Г0
н (2и г) =
п- к-г1 2
Н(2) -к-г
к - Г-Н ^2)1 - п-Н <2) -к-г,
П+— 2 П+—
п-гГ 1!-(п-1)! (2-j-z)&
где р - плотность воздуха, Щт ; к - волновое число, м 1; г0 - радиус сферического излучателя, м;
Н )1 - функция Ганкеля аргумента (г) для излучателя порядка п; г1 - расстояние от центра источника
п+— 2
до измерительной точки, м; j = 1; 1=1,2,5... .
При подстановке уравнений (13) и (14) в уравнение (11) получим выражение для коэффициента у2:
г 2 Л
пк - г - Н (1 - к - г
п+1
Расчеты по (15) дают следующие значения коэффициента ближнего поля: при п = 0 (точечный излучатель) у2 = 1 при любых г1 ; при п = 1 (дипольный излучатель) у2 = 1; при г1 > 1 м, /> 200 Гц, п = 2 величина у2 = 1. Можно сделать вывод, что для приводов машин с преобладанием излучателей порядков п = 0 и п = 1 для измерительной зоны на расстояниях от основных излучателей г1 >1 м в представляющем практический интерес в частотном диапазоне значение коэффициента
У2 = 1.
Тогда значение коэффициента у = у1 - у2 = 1,44. Окончательное значение коррекции К для метода определения уровня звуковой мощности приводов металлорежущих станков на расстоянии 1 м в условиях эксплуатации после подстановки найденного значения у = 1,44 в уравнение (6):
К = 10^| 1,44 + В |.
Величина коррекции К для производственных помещений (в зависимости от отношения объема измерительного помещения к площади измерительной поверхности) установлена на основе статистической обработки результатов измерений и расчетов акустической постоянной помещений
Эквивалентная площадь звукопоглощения измерительных помещений определялась по экспериментальным значениям времени реверберации по методике, рекомендуемой ГОСТ 12.1.02780 (1996). Для плоских цехов звукопоглощение А рассчитывалось по формуле
А = а- (18)
Одновременно звукопоглощение А определялось экспериментально по времени реверберации; расчет выполнялся по значениям а, найденным для аналогичных соразмерных цехов. Расчетные и экспериментальные значения практически равнозначны (разница не превышает 4%). Средние значения коэффициентов звукопоглощения в различных цехах машиностроительных предприятий приведены на рис. 6.
Рис. 6. Средние значения коэффициентов звукопоглощения (1) и доверительный интервал их измерения (2) для основных цехов машиностроительных предприятий, при доверительной вероятности / = 0.98.
В таблице приведены средние значения коррекции К в зависимости от отношения объема помещения V к площади измерительной поверхности S для цехов машиностроительных производств.
Средние значения коэффициента коррекции К
Интервалы Обычное производственное помещение без сильно отражающих звук поверхностей Помещение с сильно отражающими звук поверхностями (например, облицовка кафелем), без звукопоглощающих материалов технологического назначения Коррекция К, дБ
I 20 - 50 50 - 100 4.5
II 50 -90 100 - 200 5.5
III 90 - 500 200 - 600 2.5
IV Свыше 500 Свыше 600 1.5
Имеющиеся в литературных источниках сведения о погрешностях измеренной звуковой мощности крупногабаритных машин весьма ограниченны и противоречивы [2-4], причем отмечается, что точность часто определяется условиями измерений [3,4]. В связи с этим был выполнен анализ случайных и неисключенных систематических погрешностей при определении уровней звуковой мощности машиностроительного оборудования, рассмотренным выше уточненным методом (на расстоянии 1 м от источника).
Проведено сравнение с результатами аналогичного анализа, полученного точным методом в заглушенной камере, техническими методами в свободном звуковом поле и в реверберационном помещении, а также ориентировочным методом.
Были определены уровни звуковой мощности и оценены погрешности измерений для машин с габаритными размерами от 1 до 20 м. Измерения проводились по всем видам машиностроительного оборудования как для одной машины, так и для группы однотипных машин (от 3 до 7).
Как показали исследования, погрешности средств измерений при использовании прецизионной
аппаратуры практически не влияют на результаты расчетов.
Типовые спектры уровней звуковой мощности токарных станков, определенные уточненным методом на расстоянии 1 м от машины (1), техническими методами в свободном звуковом поле (II), в реверберационном помещении прямым измерением (III), сравнением с образцовым
источником шума (1V), ориентировочным методом (V) представлены на рис. 7.
Выводы
В работе приведен анализ параметров отличий звукового поля в измерительной зоне от свободного в виде коэффициента коррекции K для принятого метода измерений в производственных помещениях.
Проведенные исследования показали, что результаты определения УЗМ машиностроительного оборудования по методам I, II, III следует считать равнозначными как по абсолютным значениям (см. рис. 7) измеренных параметров, так и точности их определения. Разница значений УЗМ, определенных методом I, и значений УЗМ, полученных методами II и III, не превышает 1 дБ. Среднеквадратичные отклонения для этих методов составляют в среднем 1,5-2,5 дБ и находятся в пределах, допускаемых стандартами для технических методов измерений УЗМ. Полученные по ориентировочному методу V значения УЗМ испытанных машин превышают соответствующие значения, полученные по методам I, II и III. на 1-4 дБ, что объясняется неучетом неравномерности расположения источников шума в объеме машины и расположением измерительных точек в зонах повышенной интенсивности шума. Таким образом, разница между уровнями звуковой мощности по уточненному методу для одного станка и группы однотипных станков в среднем не превышает 2 дБ и лежит в пределах среднеквадратичных отклонений уровней для одного станка. Описанный выше уточненный метод измерений может быть положен в основу методики измерения шумовых характеристик машиностроительного оборудования в производственных помещениях.
Рис. 7. Спектры УЗМ токарного оборудования, определенные соответственно по методам I - V.
