XXVI. ASR '2001 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 26 - 27, 2001
Paper 32
Hluk a analýza vibrací stěn krytu klimatizační jednotky KOČÍ, Petr Ing.,
Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33,
[email protected] Abstrakt: Klimatizační zařízení se začínají ve stále větší míře instalovat do vnitřních prostorů budov a sálů. Emise hluku klimatizační jednotky pak mohou zatěžovat okolí. Snahou výrobců je, aby při stávajících technických parametrech (a ceně) se dosáhlo co nejnižší úrovně hluku. Aby bylo možné dosáhnout tohoto záměru, je potřeba definovat zdroje hluku. Pro tuto analýzu je vhodné použít měření vibrací, pomocí zařízení PULSE. Výsledkem je mapa frekvenčních spekter zrychlení na stěnách jednotky. Hluku více odpovídá rychlost kmitání. je potřeba převést zrychlení na rychlost, matematicky tomu odpovídá integrace. V frekvenční oblasti to znamená podělit jednotlivé složky spektra úhlovou rychlostí ω. Lidské ucho nevnímá všechny kmitočty stejně silně, proto získané spektrum rychlosti je potřeba korigovat váhovou křivkou typu A. Takto získané spektrum pak má vypovídající hodnotu a znázorňuje, které složky spektra se nejvíce podílejí na hluku. Rozborem velikosti frekvenčních složek jsme ve většině případů schopni zjistit původ hluku a provést taková opatření, aby se hluk snížil. Velkou výhodou tohoto měření je, že umožní zjistit do jaké míry se následné úpravy projevily na snížení hluku. Klíčová slova: hluk, kmitání,vibrace
Charakteristika a příčiny zdroje hluku Hluk mechanického původu Kmitání mechanických soustav je způsobeno různými příčinami, jako například: • nevyváženosti pohybujících se části • nesouosé spojení rotujících částí • rázové třecí síly • funkce zařízení Intenzita kmitání závisí také od velikosti a druhu příčin jeho vzniku. Hluk vyvolaný zdroji kmitání se šíří konstrukcí velmi dobře, a proto je při instalaci stroje velmi důležité oddělení stavební konstrukce i stacionárních částí (krytů) od zdroje kmitání. Hluk mechanického původu má zpravidla smíšený charakter s výraznými složkami, jejich frekvence jsou násobky otáčkové frekvence. Hluk způsobený turbulentním spojením Zdrojem hluku se jeví ta část prostoru, kde existuje neustálené proudění, nebo jinak, kde dochází k nejintenzivnějším změnám rychlosti nebo objemu proudícího média. Tento hluk ve většině případů rozhodujícím způsobem převyšuje ostatní zdroje hluku. Zdrojem hluku jsou: • rotorové křidélka -1-
• vstupní a výstupní kryty • skokové změny průtočného průměru • překážky v prostoru proudícího média, atd. Hluk způsobený turbulencemi má podle literatury především širokopásmové frekvenční spektrum, nebo naopak je posunutý do vyšších frekvencí spekter. V prvním případě jde o hluk aerodynamického původu, který vzniká turbulencí. Vznikne pulzující pole, které je nerovnoměrné jak v prostoru tak v čase. Hluk elektromagnetického původu Tento hluk je typickou složkou hluku elektrických točivých strojů. Jeho příčinou je kmitání kostry, případně jiných části stroje způsobené elektromagnetickými silami. Další příčinou hluku je magnetostrikce magnetického obvodu. Identifikace zdroje kmitání Pro identifikaci a analýzu zdroje hluku se může použít rozložení signálu ve frekvenčním spektru energie, ze které je možné stanovit, zda se jedná o hluk mechanický, hluk způsobený turbulencí, nebo elektromagnetického původu.
Zdroje kmitání Mechanické kmitání můžeme popsat jako pohyb tuhých materiálů jako jsou konstrukční prvky stroje, stavební konstrukce, kryty. V praxi se většinou jedná o soustavy s velmi vysokým počtem stupňů volnosti a kmitání popisujeme jako kmitání pružného tělesa. Mluvíme pak o šíření vibroakustického vlnění (vibroakustické energie) tuhým pružným prostředím. Kmitání v strojním zařízeních a konstrukcích je způsobené rušivými dynamickými silami, které jsou vyvolané: • hmotami s vratným pohybem • nevyváženými rotačními hmotami • změnami tlaku pracovního média • zatížením od turbulencí • nesouosým spojením rotujících hřídelů • nepřesnými geometrickými tvary • třením vzájemně se pohybujících se částí Ve většině případů, když se vyřeší problém kmitání, vyřeší se i problém hluku. Vždy je třeba věnovat prvotní pozornost snižování intenzity zdroje mechanického kmitání. Vibrace v rychlosti Měření na zařízení můžeme provést akcelerometry (získáme signál s rozměrem zrychlení [m/s2]). Vyzařování hluku je úměrné vibracím v rychlosti, proto je potřeba převést spektrum vibrací ve zrychlení na spektrum vibrací v rychlosti. To se provede tak, že jednotlivé hodnoty spektra podělíme velikostí příslušné úhlové frekvence. Tato operace zdůrazní velmi nízké kmitočty, které lidské ucho vnímá velmi slabě. Proto je třeba naměřené spektrum korigovat navíc váhovou křivkou konstantní hlasitosti. Použijeme váhovou křivku typu A pro konstantní hlasitost 40 fónů. Pro tuto hlasitost jsou stanoveny limitní úrovně hluku hygienickými normami. Výsledná křivka ukazuje, že nejvyšší váhu mají vibrace od 100 – 1000 kHz. Všechna měřená spektra proto přepočteme na tuto korekci.
-2-
P ř e p o č e t v ib r a c í v e z r y c h le n í n a r y c h lo s t v č e tn ě v liv u v á h o v é fu n k c e A -5 0
dB
-7 0 -9 0 -1 1 0 -1 3 0 -1 5 0 1
10
100
1000
10000
fr e k v e n c e [H z ]
Obr.: 1 Korekce na citlivost lidského sluchu a integrace frekvenčního spektra vibrací pro výpočet spektra rychlosti
V á h o v á fu n k c e ty p u A p r o k o r e k c i n a k o n sta n tn í h l a si to st 4 0 fó n ů 20 0 -20
d B
-40 -60 -80 -100 -120 -140 1
10
100
1000
10000
fr e k ve n ce [Hz ]
Obr.: 2 Váhová funkce typu A
Pro názornost následuje ukázka rozboru jednotlivých měření podle různých hledisek vyhodnocení a grafického zpracování.
-3-
Způsob měření Na měřené jednotce byla vytvořena mřížka, v průsečíků mřížky byly akcelerometrem snímány údaje za chodu jednotky.
Snímač
Vytvořená mřížka
Měřená jednotka
Obr.: 3 Způsob měření na jednotce
Vibrace v rychlosti [m/s]
Rozbor některých měření
Frekvence [Hz]
Obr.: 4 Celé spektrum vibrací
Z rozložení spektra je vidět, že dominantní výkon hluku je soustředěn do oblasti nízkých kmitočtů.
-4-
Vibrace v rychlosti [m/s]
Frekvence [Hz]
Obr.: 5 Část spektra vibrací
ukázka násobku frekvencí. Základní harmonická je 50Hz, druhá harmonická je výrazná, dále se ještě projevuje pátá harmonická. Ostatní složky spektra lze vysvětlit vlivem turbulencí. Naměřená jednotlivá spektra můžeme uspořádaných za sebou.
-5-
R oz lož e ní akustické rychlosti v [m/s] na stě ně je dnotky
V ib r ace v r ych lo s t i ce lé s p e k t r u m
V ib r ace v r ych lo s t i ce lé s p e k t r u m
5,00E-03 4,00E-03
S4
3,00E-03 2,00E-03 1,00E-03
S4
0,00E+00 5
S1
4
3
2
S1
1
5
V ib r ace v r ych lo s t i p r o 20-500Hz
4
3
2
1
V ib r ace v r ych lo s t i p r o 20-500Hz
5,00E-03 4,00E-03
S4
3,00E-03 2,00E-03 1,00E-03
S4
0,00E+00 5
4
S1 3
2
S1
1
5
V ib r ace v r ych lo s t i p r o 500-1100Hz
4
3
2
1
V ib r ace v r ych lo s t i p r o 500-1100Hz
2,00E-03 S4
1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 S4
0,00E+00 5
4
S1 3
2
S1
1
5
V ib r ace v r ych lo s t i p r o 1100- 1600Hz
4
3
2
1
V ib r ace v r ych lo s t i p r o 1100- 1600Hz
1,00E-03 8,00E-04
S4
6,00E-04 4,00E-04 2,00E-04
S4
0,00E+00 5
4
S1 3
2
S1
1
5
4
3
2
1
Obr.: 6 Zobrazení celkového hluku a podílů jednotlivých frekvencí na celkovém hluku
-6-
frekvenční spektrum 1,00E+00
9,00E-01
8,00E-01
2 2
výkon [(m/s ) ]
7,00E-01
6,00E-01
5,00E-01
4,00E-01
3,00E-01
2,00E-01
1,00E-01
0,00E+00 0,E+00
5,E+01
1,E+02
2,E+02
2,E+02
3,E+02
3,E+02
4,E+02
4,E+02
frekvence [Hz]
Obr.: 7 Spektrum jednotlivých měřených bodů mřížky
Z obrázku je vidět, že frekvenční spektrum je pro každý měřicí bod jiné. To ukazuje na proměnný charakter buzení, zdrojem vibrací jsou turbulence. frekvenční spektrum 9,00E+00
8,00E+00
7,00E+00
2 2
výkon [(m/s ) ]
6,00E+00
5,00E+00
4,00E+00
3,00E+00
2,00E+00
1,00E+00
0,00E+00 0,E+00
5,E+01
1,E+02
2,E+02
2,E+02
3,E+02
3,E+02
4,E+02
4,E+02
frekvence [Hz]
Obr.: 8 Spektrum při nevyváženosti rotoru
Na obrázku jsou vidět vibrace vzniklé nevyvážeností motoru a oběžného kola. Na jiných frekvencích jsou výchylky amplitudy chaotické, co odpovídá náhodnému vybuzení v důsledku turbulencí.
-7-
frekvenční spektrum
4,50E-01
4,00E-01
výkon [(m/s2)2]
3,50E-01
3,00E-01
2,50E-01
2,00E-01
1,50E-01
1,00E-01
5,00E-02
1,00E-05 2,0E+01
7,0E+01
1,2E+02
1,7E+02
2,2E+02
2,7E+02
3,2E+02
3,7E+02
frekvence [Hz]
Obr.: 9 Vibrace způsobené turbulencí
Z obrázku vyplývá nahodilé vibrace způsobené turbulencí. V ostatních částech spektra (40001600 Hz) jsou vibrace nevýznamné. Z grafů je vidět,že největší část hluku je v oblasti nízkých kmitočtů. Vyzařování do okolí je v podstatě rovnoměrně rozloženo po celé ploše.
Závěr Z naměřených hodnot můžeme získat údaje popisující výkon vibrací ve rychlosti , není však možné z těchto dat navrhnout konstrukci bezhlučného provedení. Z naměřených výsledků můžeme určit zdroje hluku ( především turbulence, vznikající v prostoru vstupu , na lopatkách ventilátoru a na výstupu). Navržený způsob měření nejen umožní provést počáteční identifikaci, ale je velice účinný pro posouzení konstrukčních úprav. To znamená, že je možné velice přesně zjistit, jak se daná úprava projevila na akustické intenzitě. Zda hluk klesl, nebo se změnilo frekvenční spektrum hluku atd.
Literatura TŮMA, J. 1997. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím fft. 1. vyd. Praha : Sdělovací technika, 174 s. ISBN 80-901936-1-7. SMETANA,C., & kolektiv 1998. Hluk a vibrace. 1. vyd. Praha : Sdělovací technika, 188 s. ISBN 80-90 1936-2-5.
-8-
