ทำความเข้าใจเกี่ยวกับระดับความดันเสียง
ระดับความดันเสียง (SPL) คือค่าความดันเสียงแบบลอการิทึมเมื่อเทียบกับค่ามาตรฐานอ้างอิง แสดงเป็นเดซิเบล (dB) สำหรับเครื่องจักร SPL ใช้บ่งบอกความเข้มของการปล่อยเสียง — ความดังของเสียงที่แผ่ออกจากเครื่อง — วัดด้วยไมโครโฟนหรือเครื่องวัดระดับเสียงที่ระยะที่ระบุ SPL เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับ การสั่นสะเทือน, เพราะพื้นผิวที่สั่นสะเทือนจะแผ่เสียงออกมา ทำให้การวัดทางเสียงเป็นส่วนเสริมตามธรรมชาติของ การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน ในการประเมินสภาพเครื่องจักร — โดยเฉพาะความขัดข้องด้านอากาศพลศาสตร์ เฟือง และตลับลูกปืนที่ให้ลายเซ็นแบบโทนหรือ broadband อันเป็นลักษณะเฉพาะ
แม้ SPL จะเป็นตัวชี้วัดด้านอาชีวอนามัยและสิ่งแวดล้อมเป็นหลัก — การป้องกันการได้ยิน กฎข้อบังคับเรื่องเสียง และขีดจำกัดต่อชุมชน — แต่ก็มีคุณค่าด้านการวินิจฉัยจริง การเปลี่ยนแปลงของเสียงมักเกิดก่อนหรือเกิดพร้อมกับการเสื่อมสภาพทางกล และ acoustic spectrum สามารถระบุความขัดข้องเฉพาะได้ผ่านรูปแบบความถี่ที่สะท้อนสิ่งที่เห็นใน vibration สเปกตรัม.
1. คณิตศาสตร์: ทำไมต้องเดซิเบล?
SPL นิยามดังนี้:
SPL (dB) = 20 × log₁₀(P / P₀), โดยที่ P คือความดันเสียงที่วัดได้ในหน่วยปาสกาล และ P₀ = 20 µPa ซึ่งเป็นความดันอ้างอิงที่สอดคล้องกับเกณฑ์การได้ยินของมนุษย์
ลอการิทึมมีอยู่ด้วยเหตุผลเชิงปฏิบัติ: หูมนุษย์รับช่วงความดันที่กว้างมาก — ตั้งแต่เสียงเบาที่สุดที่ได้ยินไปจนถึงระดับเจ็บปวดต่างกันประมาณหนึ่งล้านเท่าในเชิงความดัน มาตราส่วนลอการิทึมช่วยบีบช่วงนั้นให้จัดการได้อยู่ใน 0–120+ dB และยังอธิบายคณิตศาสตร์ที่ทำให้ผู้เริ่มต้นแปลกใจ: เพราะมาตราส่วนเป็นลอการิทึม การเพิ่มเสียงเป็นสองเท่า พลัง เพิ่มเพียง 3 dB เท่านั้น และเครื่องจักรสองเครื่องที่ดังเท่ากันรวมกันจะดังกว่าเครื่องเดียว 3 dB — ไม่ใช่ดังเป็นสองเท่า ดังนั้นการรวมแหล่งกำเนิดจึงเป็นผลรวมเชิงลอการิทึม ซึ่งจัดการได้ง่ายด้วย เครื่องคำนวณการบวกระดับเสียงรบกวน หรือแปลงระหว่างความดันกับเดซิเบลด้วย ตัวแปลงระดับเสียง.
เพื่อให้เห็นภาพคร่าว ๆ ของสเกลนี้: 0 dB คือขีดเริ่มต้นการได้ยิน; 30–40 dB คือห้องเงียบ; 60–70 dB คือการสนทนาปกติ; 80–90 dB คือเครื่องจักรเสียงดังที่แนะนำให้ใช้การป้องกันการได้ยิน; 100–110 dB คือเครื่องจักรเสียงดังมากที่ต้องใช้การป้องกัน; และ 120 dB ขึ้นไปคือระดับเจ็บปวด พร้อมความเสี่ยงต่อความเสียหายต่อการได้ยินทันที
2. วิธีวัด SPL
เครื่องวัดระดับเสียง
- ไมโครโฟนความแม่นยำที่ป้อนเข้าสู่เครื่องวัดซึ่งใช้ frequency weighting และ time weighting แล้วแสดงผลเป็น dB SPL
- เครื่องมือถูกจัดชั้นเป็น Class 1 (แม่นยำ) หรือ Class 2 (ใช้งานทั่วไป) ตาม IEC 61672.
ระยะการวัด
- ระยะใกล้ (Near field): ต่ำกว่า 1 m จากแหล่งกำเนิด เหมาะสำหรับระบุตำแหน่งชิ้นส่วนที่มีเสียงดัง
- ระยะไกล (Far field): เกิน 1 m โดยที่เงื่อนไข free-field ใช้ได้; 1 m เป็นมาตรฐานที่ใช้บ่อยสำหรับเครื่องจักร
- ใน free field ค่า SPL จะลดลงประมาณ 6 dB ทุกครั้งที่ระยะทางเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า — ซึ่งเป็นพื้นฐานของ เครื่องคำนวณการลดทอนเสียงรบกวนตามระยะทาง.
Frequency weighting
- A-weighting (dBA): ปรับรูปร่างการตอบสนองให้เลียนแบบความไวของหู; เป็นแบบที่ใช้บ่อยที่สุดในการประเมินเสียงรบกวน
- C-weighting (dBC): ค่อนข้างแบน คงเนื้อหาความถี่ต่ำไว้สำหรับเสียงกระแทกและเสียงแบบ impulsive
- Z / linear (dBZ): ไม่ถ่วงน้ำหนัก; ทุกความถี่ถูกนับเท่ากัน เหมาะสำหรับการวิเคราะห์เชิงวิศวกรรม
3. ความสัมพันธ์กับการสั่นสะเทือน
การแผ่เสียงจากพื้นผิวที่สั่นสะเทือน
- พื้นผิวที่สั่นจะผลักอากาศรอบตัวและแผ่คลื่นเสียงออกมา
- กำลังเสียงที่แผ่ออกเพิ่มขึ้นโดยประมาณตาม ความเร็ว² × พื้นที่, ดังนั้น ความเร็ว ของพื้นผิวที่สูงขึ้นโดยทั่วไปจึงหมายถึง SPL ที่สูงขึ้น
- อย่างไรก็ตาม ความเชื่อมโยงนี้ไม่ตรงตัวนัก — ประสิทธิภาพการแผ่เสียงแปรตามความถี่และรูปทรงแผ่นอย่างมาก ดังนั้นพื้นผิวสองชิ้นที่สั่นเท่ากันอาจแผ่เสียงต่างกันมาก
ความสัมพันธ์เชิงวินิจฉัย
- ปัญหาตลับลูกปืน: เสียงฟู่หรือครูดความถี่สูง
- ปัญหาเกี่ยวกับเกียร์: เสียงหวีดที่ความถี่การขบกันของเฟือง
- ความไม่สมดุล: เสียงครางความถี่ต่ำที่ 1× ความเร็วเดินเครื่อง.
- การเกิดโพรงอากาศ: เสียงแตกหรือปะทุแบบสุ่มเมื่อฟองไอพังตัว
4. การวิเคราะห์ acoustic spectrum
เช่นเดียวกับการสั่นสะเทือน การแปลงสัญญาณเสียงเป็นสเปกตรัมความถี่ช่วยแยกเสียงซับซ้อนออกเป็นส่วนที่วินิจฉัยได้
องค์ประกอบเชิงโทน
- การขบกันของเฟือง: โทนบริสุทธิ์ที่ความถี่การขบฟันเฟือง มักมี แถบข้าง.
- การผ่านของใบพัด: โทนที่ความถี่การผ่านของใบพัดลมหรือคอมเพรสเซอร์
- ไฟฟ้า: เสียงฮัม 120/100 Hz จากมอเตอร์ที่สองเท่าของความถี่ไฟฟ้า
- เสียงตลับลูกปืน (Bearing tones): กลุ่มของ ความถี่ของข้อบกพร่องของแบริ่ง ฮาร์มอนิก
Broadband noise
- อากาศพลศาสตร์: เสียงจากความปั่นป่วนและการไหล
- การเกิดโพรงอากาศ: การยุบตัวของฟองสุ่มทั่วแถบกว้าง
- ความเสียหายของตลับลูกปืน: การเพิ่มขึ้นของแถบกว้างเมื่อพื้นผิวเสื่อมสภาพ
- แรงเสียดทาน: การปล่อยแบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง
5. การใช้งาน
การวัด SPL ได้รับความสำคัญในสี่ด้านการใช้งานจริง:
- การติดตามสภาพ: เสริมข้อมูลการสั่นสะเทือน มักให้ข้อบ่งชี้เบื้องต้นของข้อบกพร่องของตลับลูกปืน โดยสัญญาณเสียงอาจเพิ่มขึ้นก่อนการสั่นสะเทือนของตัวเครื่อง และติดตามการสึกหรอของเกียร์ผ่านการเปลี่ยนแปลงของลักษณะเสียง
- การควบคุมคุณภาพ: การทดสอบการยอมรับของอุปกรณ์ใหม่เทียบกับขีดจำกัดของเสียง การตรวจสอบหลังการซ่อมแซม และการตรวจสอบคุณภาพผลิตภัณฑ์ในการผลิต
- การปฏิบัติตามกฎระเบียบ: ขีดจำกัดการได้รับเสียงสำหรับผู้ปฏิบัติงาน (OSHA กฎเกณฑ์ EU) ขีดจำกัดเสียงชุมชน และข้อกำหนดของอุปกรณ์ ซึ่งสนับสนุนโดยเครื่องมือวัดปริมาณการได้รับ เช่น เครื่องคำนวณระดับการสัมผัสเสียงดัง.
- การแก้ไขปัญหา: การค้นหาแหล่งเสียง การจัดลำดับผู้สนับสนุนต่อเสียงรวมของสิ่งอำนวยความสะดวก และการตรวจสอบผลของมาตรการลดเสียง
ตามกฎทั่วไปสำหรับสิ่งที่คาดหวัง ระดับ A-weighted ทั่วไปที่ 1 ม. อยู่ที่ประมาณ 70–85 dBA สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า 75–90 dBA สำหรับปั๊มแรงเหวี่ยง 80–100 dBA สำหรับพัดลม 75–95 dBA สำหรับกล่องเกียร์ 85–105 dBA สำหรับคอมเพรสเซอร์ และ 95–110 dBA สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล
6. เสียงเป็นตัวบ่งชี้การวินิจฉัย
การเปลี่ยนแปลงสองประเภทมีความสำคัญเมื่อฟังเครื่องจักรเมื่อเวลาผ่านไป A ระดับที่เพิ่มขึ้น ชี้ไปที่การเสื่อมสภาพของตลับลูกปืน (เสียงขัดขรวด หรือส่งเสียงกรีดร้อง) การสึกหรอของเกียร์ (เสียงครวญคร่ำที่ทวีความรุนแรง) ปัญหาการหล่อลื่น (เสียงแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้น) หรือ ความหลวม (เสียงกระทบกัน) A การเปลี่ยนแปลงในลักษณะ — เสียงใหม่ที่ปรากฏ ความถี่เปลี่ยนไป เสียงที่ไม่สม่ำเสมอหรือเปลี่ยนแปลงไป — มีนัยสำคัญเท่ากัน บ่งชี้ถึงปัญหาที่กำลังพัฒนา แม้ว่าการอ่านค่า dBA โดยรวมแทบไม่เคลื่อนไหว
วิธีอะคูสติกมีข้อจำกัด: มิเตอร์ SPL ได้ยิน ทุกสิ่ง ในพื้นที่ ดังนั้นเสียงจากเครื่องจักรข้างเคียง การสะท้อนจากผนัง และเสียงพื้นหลังของโรงงาน ทั้งหมดนี้ปนเปื้อนการอ่านค่าในลักษณะที่เซ็นเซอร์接触 หลีกเลี่ยงได้ นี่คือเหตุผล สำหรับการยืนยันข้อบกพร่องทางกล และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแก้ไขข้อบกพร่อง วิศวกรหันไปใช้การวัดการสั่นสะเทือนโดยตรง เมื่อการสำรวจเสียงบ่งชี้ถึงการไม่สมดุล เครื่องวิเคราะห์สองช่องแบบพกพา เช่น Balanset-1A สามารถยืนยันได้โดยการวัดแอมพลิจูด 1× และเฟสที่ตลับลูกปืน จากนั้นปรับสมดุลของโรเตอร์ในที่ — แยกแหล่งทางกลที่แท้จริงซึ่งไมโครโฟนสามารถเพียงแค่บ่งชี้ได้
7. มาตรฐานการวัด
- IEC 61672: ข้อกำหนดสำหรับมิเตอร์ระดับเสียง
- ISO 3744: การกำหนดกำลังเสียงจากความดันเสียง
- ISO 1680: รหัสทดสอบเสียงสำหรับเครื่องจักรไฟฟ้าหมุน
- ANSI S12.19: การวัดเสียงของเครื่องจักร
เมื่อใช้ร่วมกับการสั่นสะเทือน SPL จะทำให้ภาพรวมสุขภาพเครื่องจักรสมบูรณ์ขึ้น: บางครั้งไมโครโฟนเป็นตัวเตือนก่อน ส่วน มาตรความเร่ง ช่วยยืนยันและระบุตำแหน่ง และเมื่อใช้ร่วมกันจะให้การประเมินที่ครบถ้วนกว่าวิธีใดวิธีหนึ่งเพียงลำพัง
