Hiểu về mức áp suất âm thanh
Mức áp suất âm thanh (SPL) là thước đo logarit của áp suất âm thanh so với một tham chiếu, được biểu thị bằng đêxibel (dB). Đối với máy móc, nó định lượng cường độ phát thải tiếng ồn — độ to của tiếng ồn phát ra từ máy — được đo bằng micrô hoặc thiết bị đo mức âm thanh ở một khoảng cách được chỉ định. SPL có liên hệ chặt chẽ với rung động, bởi vì các bề mặt rung động phát ra âm thanh, điều này làm cho phép đo âm thanh trở thành một bổ sung tự nhiên cho Phân tích rung động để đánh giá điều kiện máy — đặc biệt là các sự cố liên quan đến khí động lực học, bánh răng và ổ trục tạo ra các chữ ký âm thanh hoặc dải rộng đặc trưng.
Mặc dù SPL chủ yếu là một chỉ số sức khỏe nghề nghiệp và môi trường — bảo vệ thính lực, quy định tiếng ồn, giới hạn cộng đồng — nhưng nó mang lại giá trị chẩn đoán thực sự. Những thay đổi về tiếng ồn thường đi trước hoặc kèm theo suy thoái cơ học, và phổ âm thanh có thể xác định các sự cố cụ thể thông qua các mẫu tần số phản ánh những gì được nhìn thấy trong rung động phổ.
1. Toán học: Tại sao lại là Đêxibel?
SPL được định nghĩa là:
Cường độ âm thanh (dB) = 20 × log₁₀(P / P₀), trong đó P là áp suất âm thanh được đo bằng pascal và P₀ = 20 µPa, áp suất tham chiếu tương ứng với ngưỡng thính lực của con người.
Logarit tồn tại vì lý do thực tế: tai người có khả năng xử lý một dãy áp suất khổng lồ — từ âm thanh nhỏ nhất có thể nghe được đến ngưỡng đau tai bao gồm một hệ số khoảng một triệu lần về áp suất. Một thang đo logarit nén dãy đó thành một khoảng có thể quản lý 0–120+ dB. Nó cũng giải thích phép tính làm ngạc nhiên những người mới: vì thang đo là logarit, làm gấp đôi âm thanh công suất chỉ tăng 3 dB, và hai máy móc có cùng độ lớn âm thanh lại với nhau lớn hơn 3 dB so với một máy — không phải lớn gấp đôi. Kết hợp các nguồn do đó là một tổng logarit, dễ dàng xử lý với Máy tính cộng mức độ tiếng ồn hoặc chuyển đổi giữa áp suất và decibel với Bộ chuyển đổi mức âm thanh.
Như một hướng dẫn trường thô sơ cho thang đo: 0 dB là ngưỡng nghe; 30–40 dB là một phòng yên tĩnh; 60–70 dB là trò chuyện bình thường; 80–90 dB là máy móc ồn ào nơi khuyến cáo bảo vệ thính giác; 100–110 dB là máy móc rất ồn ào nơi nó là bắt buộc; và 120 dB và trên đó là ngưỡng đau, với nguy cơ tổn hại thính giác ngay lập tức.
2. Cách Đo SPL
Máy đo mức âm thanh
- Một microphone chính xác cấp nguồn cho một thiết bị đo áp dụng cân chỉnh tần số và cân chỉnh thời gian và hiển thị kết quả theo dB SPL.
- Các thiết bị được xếp loại Class 1 (chính xác) hoặc Class 2 (mục đích chung) dưới IEC 61672.
Khoảng cách đo lường
- Trường gần: dưới 1 m từ nguồn, hữu ích cho việc xác định chính xác một thành phần ồn ào.
- Trường xa: vượt quá 1 m, nơi các điều kiện trường tự do tồn tại; 1 m là một tiêu chuẩn phổ biến cho máy móc.
- Trong một trường tự do, SPL giảm khoảng 6 dB cho mỗi lần tăng gấp đôi khoảng cách — cơ sở của Máy tính suy giảm khoảng cách tiếng ồn.
Cân weighted tần số
- Cân chỉnh A (dBA): định hình phản ứng để bắt chước độ nhạy của tai; cho đến nay là phổ biến nhất cho đánh giá tiếng ồn.
- Cân chỉnh C (dBC): tương đối phẳng, duy trì nội dung tần số thấp cho tiếng ồn đỉnh và xung.
- Z / tuyến tính (dBZ): không cân chỉnh; mỗi tần số đều quan trọng như nhau, ưu tiên cho phân tích kỹ thuật.
3. Mối Quan Hệ với Rung Động
Bức xạ âm thanh từ một bề mặt rung động
- Bề mặt rung động tác động lên không khí xung quanh và phát xạ sóng âm.
- Công suất âm phát xạ tăng lên gần như vận tốc² × diện tích, do đó bề mặt cao hơn vận tốc nói chung có nghĩa là SPL cao hơn.
- Mối liên hệ không chính xác tuy nhiên — hiệu suất phát xạ thay đổi mạnh theo tần số và hình học tấm, do đó hai bề mặt rung động như nhau có thể phát xạ khác nhau rất nhiều.
Tương quan Chẩn đoán
- Vấn đề về vòng bi: tiếng xèo xèo hoặc nghiến cao tần số.
- Vấn đề bánh răng: một tiếng kêu đặc trưng ở tần số lưới.
- Mất cân bằng: một tiếng gầm tần số thấp ở 1× tốc độ vận hành.
- Hiện tượng sủi bọt: tiếng nổ tưng tưng ngẫu nhiên khi các bong bóng hơi nước sụp đổ.
4. Phân tích Phổ Âm thanh
Cũng như với rung động, chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành phổ tần số tách một tiếng ồn phức tạp thành các phần có thể chẩn đoán được.
Thành phần Tonal
- ăn khớp bánh răng: một tông sạch ở tần số cắp răng, thường với dải bên.
- Tần số cánh quạt: một tần số tại tần số lưu lưỡng cánh quạt hoặc máy nén.
- Điện: một tiếng hát 120/100 Hz từ các motor ở hai lần tần số đường dây.
- Tần số vòng bi: một họ tần số khiếm khuyết ổ trục sóng hài.
Tiếng ồn phổ rộng
- Khí động học: tiếng ồn từ nhiễu loạn và dòng chảy.
- Hiện tượng sủi bọt: sự sụp đổ bọt ngẫu nhiên trên một dải rộng.
- Hư hỏng vòng bi: sự gia tăng phổ rộng khi các bề mặt bị suy thoái.
- Ma sát: phát thải ngẫu nhiên liên tục.
5. Ứng dụng
Phép đo SPL có vị trí của nó trong bốn lĩnh vực thực tế:
- Theo dõi tình trạng: bổ sung dữ liệu rung động, thường cung cấp dấu hiệu sớm nhất về sai hỏng vòng bi — tiếng ồn có thể tăng trước khi rung động vỏ — và theo dõi mặc dở ghi bằng những thay đổi trong chất lượng tiếng ồn.
- Kiểm soát chất lượng: kiểm tra chấp nhận thiết bị mới theo giới hạn tiếng ồn, xác minh sau sửa chữa, và kiểm tra chất lượng sản phẩm trong sản xuất.
- Tuân thủ quy định: giới hạn tiếp xúc nghề nghiệp (OSHA, chỉ thị EU), giới hạn tiếng ồn cộng đồng và các đặc tả thiết bị, được hỗ trợ bởi các công cụ như liều lượng tiếp xúc như Máy tính mức độ tiếp xúc tiếng ồn.
- Khắc phục sự cố: xác định các nguồn tiếng ồn, xếp hạng những người đóng góp cho tiếng ồn chung của cơ sở, và xác nhận hiệu quả của các biện pháp giảm tiếng ồn.
Theo quy tắc chung cho những gì dự kiến, các mức trọng số A điển hình ở 1 m chạy khoảng 70–85 dBA cho các động cơ điện, 75–90 dBA cho máy bơm ly tâm, 80–100 dBA cho quạt và máy thổi, 75–95 dBA cho hộp số, 85–105 dBA cho máy nén, và 95–110 dBA cho động cơ diesel.
6. Tiếng ồn như một chỉ báo chẩn đoán
Hai loại thay đổi quan trọng khi lắng nghe máy theo thời gian. Một mức tăng dần chỉ vào thoái hóa vòng bi (mài hay kêu rít), mặc dở ghi (một tiếng kêu tăng cường), các vấn đề bôi trơn (tiếng ồn ma sát tăng), hay sự lỏng lẻo (rung động). Một thay đổi trong đặc điểm — những tông mới xuất hiện, tần số dịch chuyển, những tiếng ồn gián đoạn hoặc điều chế — cũng quan trọng như nhau, báo hiệu một vấn đề phát triển ngay cả khi đọc dBA tổng thể hầu như chưa thay đổi.
Các phương pháp âm thanh có những hạn chế: một máy đo SPL nghe thấy mọi thứ trong khu vực, do đó máy hàng xóm ồn ào, phản xạ từ tường và tiếng ồn nền từ thiết bị sản xuất đều làm ô nhiễm phép đo theo cách mà cảm biến tiếp xúc tránh được. Đó là lý do tại sao, để xác nhận một lỗi cơ học và đặc biệt để sửa chữa nó, các kỹ sư chuyển đến phép đo rung động trực tiếp. Khi khảo sát tiếng ồn gợi ý mất cân bằng, một bộ phân tích hai kênh di động như Balanset-1A có thể xác nhận nó bằng cách đo biên độ 1× và pha tại vòng bi, sau đó cân bằng rotor tại chỗ — cách ly nguồn cơ học thực sự mà microphone chỉ có thể gợi ý.
7. Chuẩn đo lường
- Tiêu chuẩn IEC 61672: quy chuẩn cho máy đo mức âm thanh.
- Tiêu chuẩn ISO 3744: xác định công suất âm thanh từ áp suất âm thanh.
- Tiêu chuẩn ISO 1680: mã thử nghiệm tiếng ồn cho các máy điện quay.
- Tiêu chuẩn ANSI S12.19: đo lường tiếng ồn của máy móc.
Sử dụng cùng với rung động, SPL làm tròn bức tranh hoàn chỉnh về sức khỏe máy: microphone đôi khi cảnh báo trước, cảm biến gia tốc xác nhận và xác định vị trí, và cùng nhau chúng cung cấp đánh giá đầy đủ hơn so với một mình.
