Разбиране на нивото на звуково налягане
Ниво на звуково налягане (SPL) е логаритмична мярка за акустичното налягане спрямо еталон, изразена в децибели (dB). При машините той количествено определя интензивността на шумовите емисии — силата на звука, излъчвана от машината — измерена с микрофон или шумомер на определено разстояние. SPL е тясно свързан с вибрация, тъй като вибриращите повърхности излъчват звук, което прави акустичните измервания естествено допълнение към анализ на вибрациите за оценка на състоянието на машината — особено за аеродинамични неизправности, повреди в предавките и лагерите, които генерират характерни тонални или широколентови сигнали.
Въпреки че SPL е преди всичко показател, свързан със здравето на работното място и околната среда — средства за защита на слуха, норми за шума, допустими граници за населените места — той притежава реална диагностична стойност. Промените в шума често предшестват или съпътстват механичното износване, а акустичният спектър може да идентифицира конкретни неизправности чрез честотни модели, които отразяват тези, наблюдавани при вибрациите спектър.
1. Математиката: Защо децибели?
SPL се дефинира като:
SPL (dB) = 20 × log₁₀(P / P₀), където P е измереното звуково налягане в паскали, а P₀ = 20 µPa – еталонното налягане, съответстващо на прага на човешкото слухово възприятие.
Логаритъмът съществува по практическа причина: ухото се справя с огромен диапазон на налягания — от най-тихия чуваем звук до прага на болката, като разликата в налягането е около един милион пъти. Логаритмичната скала съкращава този диапазон до по-лесно управляеми 0–120+ dB. Това обяснява и аритметиката, която изненадва новодошлите: тъй като скалата е логаритмична, удвояването на звука мощност добавя само 3 dB, а две еднакво силни машини заедно са с 3 dB по-шумни от една — а не два пъти по-шумни. Следователно комбинирането на източници представлява логаритмична сума, която лесно се обработва с нашия Калкулатор за добавяне на нивото на шума или да се преобразува между налягане и децибели с помощта на Конвертор на нивото на звука.
Ето едно приблизително ориентировъчно указание за скалата: 0 dB е прагът на чуваемост; 30–40 dB – тиха стая; 60–70 dB – нормален разговор; 80–90 dB – шумна техника, при която се препоръчва използването на средства за защита на слуха; 100–110 dB – много шумна техника, при която това е задължително; а 120 dB и повече – прагът на болката, при който съществува риск от незабавно увреждане на слуха.
2. Как се измерва SPL
Уреди за измерване на нивото на шума
- Прецизен микрофон, свързан с измервателен уред, който прилага честотно и времево претегляне и показва резултата в dB SPL.
- Уредите се класифицират в клас 1 (прецизни) или клас 2 (за общо предназначение) съгласно IEC 61672.
Разстояние на измерване
- Near field: на разстояние под 1 м от източника, което е полезно за локализиране на шумящ компонент.
- Far field: на разстояние над 1 м, където важат условията на свободно поле; 1 м е обичаен стандарт за машините.
- В открито пространство нивото на звуковото налягане спада с около 6 dB при всяко удвояване на разстоянието — основата на Калкулатор за затихване на шума на разстояние.
Честотно претегляне
- A-претегляне (dBA): моделира отговора така, че да имитира чувствителността на ухото; това е най-често използваната методика за оценка на шума.
- C-претегляне (dBC): относително равна, като запазва нискочестотния компонент при пикови и импулсни шумове.
- Z / линейно (dBZ): без претегляне; всяка честота има еднаква тежест, предпочитано за инженерни анализи.
3. Връзката с вибрациите
Звуково излъчване от вибрираща повърхност
- Вибриращата повърхност оказва натиск върху околния въздух и излъчва звукови вълни.
- Излъчваната звукова мощност нараства приблизително пропорционално на скорост² × площ, така че по-голяма повърхност скорост обикновено означава по-високо ниво на звуковото налягане.
- Връзката обаче не е точна — ефективността на излъчването варира значително в зависимост от честотата и геометрията на панела, така че две повърхности, които вибрират с еднаква честота, могат да излъчват по съвсем различен начин.
Диагностична корелация
- Проблеми с лагерите: високочестотно съскане или скърцане.
- Проблеми със скоростите: характерно пищене при честотата на решетката.
- Дисбаланс: нискочестотно бучене при 1× работна скорост.
- Кавитация: случайни пукания или хрускания при разпадането на парови мехурчета.
4. Анализ на акустичния спектър
По същия начин, както при вибрациите, преобразуването на звуковия сигнал във честотен спектър разделя сложния шум на части, които могат да бъдат диагностицирани.
Тонални компоненти
- Зъбна мрежа: чист тон при честотата на зацепване на зъбите, често с странични ленти.
- Blade passing: тон с честотата на преминаване на лопатките на вентилатора или компресора.
- Електрическо: шум от 120/100 Hz, идващ от двигателите при двойна честота на мрежата.
- Bearing tones: a family of честота на повреди в лагерите harmonics.
Широкочестотен шум
- Аеродинамичен: турбулентност и шум от потока.
- Кавитация: случайно срутване на мехурчета в широк диапазон.
- Повреда на лагер: увеличаване на широколентовия достъп с влошаването на състоянието на повърхностите.
- Триене: непрекъснато случайно излъчване.
5. Приложения
Измерването на SPL намира приложение в четири практични области:
- Мониторинг на състоянието: в допълнение към данните за вибрациите, като често дава първите признаци за дефект в лагера — шумът може да се усили, преди да се появят вибрации в корпуса — и проследява износването на зъбните колела чрез промени в характера на шума.
- Контрол на качеството: тестове за приемане на ново оборудване за съответствие с нормите за шум, проверка след ремонт и проверки на качеството на продуктите в производството.
- Съответствие с нормативните изисквания: пределни стойности за професионална експозиция (OSHA, директиви на ЕС), граници за шума в населените места и технически характеристики на оборудването, подкрепени от инструменти за изчисляване на експозиционната доза, като например Калкулатор за експозиция на шум.
- Отстраняване на неизправности: локализиране на източниците на шум, класифициране на факторите, допринасящи за общия шум в обекта, и оценка на ефекта от мерките за намаляване на шума.
Като общо правило за това какво да очаквате, типичните нива, претеглени по скалата А, на разстояние 1 м са около 70–85 dBA за електродвигатели, 75–90 dBA за центробежни помпи, 80–100 dBA за вентилатори и нагнетатели, 75–95 dBA за редуктори, 85–105 dBA за компресори и 95–110 dBA за дизелови двигатели.
6. Шумът като диагностичен показател
Когато се вслушваме в работата на дадена машина в течение на времето, значение имат два вида промени. А rising level посочва износване на лагерите (скърцане или пищене), износване на зъбните колела (засилващ се писклив звук), проблеми със смазването (засилващ се шум от триене) или разхлабеност (дрезгане). А промяна в характера — появата на нови тонове, промяната на честотите, прекъсващите се или модулиращи се шумове — е също толкова важна, тъй като сигнализира за възникващ проблем, дори ако общата стойност в dBA почти не се е променила.
Акустичните методи наистина имат своите ограничения: измервателят на звуковото налягане (SPL) улавя everything в околността, така че шумът от съседна машина, отраженията от стените и фоновият шум от завода нарушават точността на измерването по начин, който контактният сензор избягва. Ето защо, за да потвърдят механична повреда и особено за да я отстранят, инженерите прибягват до директно измерване на вибрациите. Когато проучването на шума сочи наличието на дисбаланс, преносим двуканален анализатор като Балансет-1а може да се потвърди чрез измерване на амплитудата и фазата на 1× при лагера, след което роторът да се балансира на място — като по този начин се изолира истинският механичен източник, за който микрофонът можеше само да даде индикация.
7. Стандарти за измерване
- IEC 61672: спецификация за шумомери.
- ISO 3744: определяне на звуковата мощност въз основа на звуковото налягане.
- ISO 1680: Стандарт за изпитване на шума при въртящи се електрически машини.
- ANSI S12.19: измерване на шума от машините.
В комбинация с вибрациите показателят SPL дава пълна представа за състоянието на машината: понякога микрофонът подава първия сигнал, акселерометър потвърждава и конкретизира, като заедно те дават по-пълна оценка, отколкото биха могли да дадат поотделно.
