AZ AKUSZTIKAI VIZSGÁLATOK NEHÉZSÉGEI ÉS KOMPROMISSZUMAI THE DIFFICULTIES AND COMPROMISIS OF ACOUSTIC INVESTIGATIONS

Átírás

1 MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, April 2017 ISBN AZ AKUSZTIKAI VIZSGÁLATOK NEHÉZSÉGEI ÉS KOMPROMISSZUMAI THE DIFFICULTIES AND COMPROMISIS OF ACOUSTIC INVESTIGATIONS BEVEZETÉS Dr. Bihari Zoltán egyetemi docens Miskolci Egyetem Gép- és Terméktervezési Intézet Napjaink egyik leggyorsabban fejlődő tudományterülete a méréselmélet, illetve a diagnosztika. Az egészségügy területén is megtalálhatóak azok az eszközök, amelyek segítségével sebészi beavatkozás nélkül tud a szakorvos betegségeket, elváltozásokat diagnosztizálni, gyógyítani. Ezek közé sorolható bármelyik nagy értékű, modern képalkotó diagnosztikai eszköz, de megemlíthetjük az egyszerű orvosi sztetoszkópot is. Utóbbi nem képalkotás elvén működik, hanem mint érzékelő, illetve erősítő funkcióval bíró akusztikai eszköz hallhatóvá teszi az orvosok számára azokat a rezgéseket, hangokat, amelyek az egyes betegségeket jellemezhetik. Ha a műszaki tudomány területén próbálunk keresni hasonló eszközöket, szinte kivétel nélkül találunk analógiákat mind a képalkotó diagnosztika, mind a zaj és rezgések vizsgálatánál. Ennek a cikknek a célja, hogy az akusztika területén szerzett tapasztalatokra alapozva bepillantást nyújtson ennek a gyönyörű tudományterületnek nemcsak a lehetőségeibe, hanem a buktatóiba is. A Miskolci Egyetem Gép- és Terméktervezési Intézet (régen Gépelemek Tanszéke) majd 4 évtizede végez kutatásokat, illetve ipari munkákat a műszaki akusztika területén. A megoldott feladatok sokfélesége lehetőséget teremtett arra, hogy számottevő tapasztalatot szerezzünk, illetve kamatoztassuk ezeket egy-egy új probléma megoldása során. VIZSGÁLÓ HELYISÉG [1] Egy akusztikai vizsgálat megtervezésekor számos szempontot kell figyelembe venni. A mérés megtervezése és összeállítása szempontjából lényeges, hogy léghangot (zajt) vagy testhangot (rezgést), esetleg mindkettőt kell-e mérni. A precíz mérés általában feltételez egy speciális laboratóriumot, amelyet kialakításától függően süketszobának vagy zengőszobának nevezünk. Süketszobának nevezzük azt a helyiséget, amelyben a teljes belső felületet nagy hangelnyelő képességű burkolattal látták el. A zengőszoba ezzel ellentétben hang-visszaverő felületű burkolatot kap. A léghang laboratóriumi körülmények között való mérésére mindkettő alkalmas, lényeges feltétel viszont mindkét esetben, hogy a környezetből érkező külső zajokat mind teljesebb mértékben kizárjuk. A mérést csak abban az esetben tekinthetjük elfogadhatónak, ha olyan feltételeket tudunk létrehozni, amelyek mellett a mérési eredmények reprodukálhatók, illetve két különböző darabon végzett mérés DOI: /musci

2 eredménye összehasonlítható az azonos feltételek biztosítása miatt. A léghang mérés esetén a vizsgáló helyiségben lévő személyek száma is befolyásoló tényező lehet, így ott csak a szükséges számú személyzet tartózkodhat (ideális esetben senki). A léghang mérése egy vagy több mikrofon alkalmazásával történik, pontosan rögzített távolságban, a zajforrás távolterében. A testhang (rezgés) mérésekor nem szükséges ilyen szigorú feltételeknek megfelelni. Ebben az esetben csak a környezetből származó zavaró rezgések kiküszöbölése szükséges (pl.: közúti forgalom, közelben működő lift, egyéb gépek, berendezések ). A mérés során a helyiségben tartózkodó személyek száma nem befolyásolja az eredményt, illetve a reprodukálhatóságra sincs számottevő hatással. Az akusztikai vizsgáló helyiségeket olyan módon szokták kialakítani, hogy mind léghang, mind testhang mérésére alkalmasak legyenek. Az esetleges egyéb zavaró hatások kiküszöbölése a mérést végző feladata. A rezgés mérése rezgésérzékelő alkalmazásával történik. Ez a vizsgált eszköz, illetve a kívánt információ alapján lehet rezgéskitérés, rezgéssebesség vagy rezgésgyorsulás érzékelő. Kiválasztásának és felhelyezésének szempontjait ebben a cikkben nem részletezzük. VIZSGÁLT ESZKÖZ, VAGY BERENDEZÉS [1] Az akusztikai szempontból vizsgált berendezéseket két csoportra oszthatjuk: aktív és passzív eszközök. Aktív eszköznek nevezzük azokat a berendezéseket, melyek önálló meghajtással rendelkeznek (pl.: kézi szerszámgép, porszívó, légtechnikai berendezés), illetve azok egészére irányul a vizsgálat. Ebben az esetben csak az eszköz rögzítéséről és tápellátásáról, esetleg terhelés alatti vizsgálat esetén fékrendszer beépítéséről (terhelésről) kell gondoskodni (1. ábra). Tápellátás Vizsgált berendezés Kapcsolat Terhelő egység, fék Rögzítés Rögzítés 1. ábra Aktív eszköz mérési blokkja Passzív eszközről beszélünk abban az esetben, ha a vizsgálni kívánt részegység önálló mozgásra nem képes (pl.: hajtóművek, görgők, csapágyak akusztikai vizsgálata esetén), annak meghajtásáról egy külső egység alkalmazásával kell gondoskodni ahhoz, hogy a mérés elvégezhető legyen. Ehhez társul az előzőekben ismertetett rögzítési feladat, ill. terhelés alatti vizsgálat esetén a fékrendszer csatlakoztatása (2. ábra).

3 Tápellátás Meghajtó egység Kapcsolat Vizsgált berendezés Kapcsolat Terhelő egység, fék Rögzítés Rögzítés Rögzítés 2. ábra Passzív eszköz mérési blokkja A passzív eszközök lényegesen bonyolultabbá teszik a mérés megtervezését, gyakran szükséges költséges vizsgáló berendezést tervezni, valamint építeni. A mérés szinte minden esetben azzal a kompromisszummal jár, hogy tudomásul kell vennünk azt, hogy a kiegészítő berendezés saját zaja, ill. rezgése teljes mértékben nem szűrhető ki, így zavaró hatással lesz a mért eredményekre nézve. Passzív eszközök (pl.: hajtómű) léghang mérési eredményei az esetek döntő többségében csak összehasonlító elemzésre használhatók fel laboratóriumi pontossággal. Ennek az az oka, hogy a meghajtó egység zaja gyakran meghaladja a vizsgálni kívánt eszköz működési zaját. A meghajtó egység hangszigetelése a vizsgált darabtól sok esetben körülményes vagy csak bizonyos mértékig kivitelezhető. Passzív eszközök testhang mérése is bonyolult feladat, de körültekintő tervező munka által sokkal jobb eredmények érhetők el, mint a léghang mérés esetén. Ebben az esetben a meghajtó egység rezgése szintén zavaró hatású lehet, de megfelelő rezgésszigeteléssel valamelyest kiküszöbölhető. Az esetlegesen megmaradó, zavaró frekvenciájú rezgések a mérés eredményéből beazonosíthatóak, illetve figyelmen kívül hagyhatók. AKUSZTIKAI MÉRÉSEK MEGTERVEZÉSE Általánosan elmondható, hogy laboratóriumi körülményeknek megfelelő elfogadható vizsgálati eredményt kizárólag körültekintő tervező munka árán lehet biztosítani. Ennek során az alábbi méréstechnikai nehézségekkel kell szembenéznie a diagnosztának. 1. A mérendő gép vagy eszköz műszaki paramétereinek ismerete; 2. Passzív eszközök esetén meghajtó egység kiválasztása; 3. Passzív eszközök esetén vizsgálópad összeállítása; 4. Külső zavaró tényezők hatásának (meghajtó egység) csökkentése; 5. A feladathoz szükséges műszer megválasztása; 6. Érzékelő kiválasztása; 7. Mérési pontok meghatározása; 8. Kiválasztott mérési pontok felületkezelése; 9. Érzékelő felhelyezése; 10. Mérés elvégzése adott műszaki paraméterek alapján;

4 11. Mérési eredmények kiértékelése; 12. Javaslattétel. Bármelyik pontban hozott elhibázott döntés kiértékelhetetlen mérési eredményhez vagy hibás következtetéshez vezethet. 1. A mérendő gép vagy eszköz műszaki paramétereinek ismerete Ahhoz, hogy a vizsgálatoknak használható eredménye legyen, feltétlen szükséges a vizsgálandó berendezés ismerete. Ez nemcsak a műszaki paraméterekre kell, hogy korlátozódjon, hanem tudni kell a gép összes funkcióját, működésének legapróbb részleteit is. Ezen túlmenően a vezetett karbantartási napló megléte is elengedhetetlen. Amennyiben az ebbe való bepillantás titkos információnak bizonyul, akkor nem várható el a diagnosztától, hogy helyes következtetéseket vonjon le. 2. Passzív eszközök esetén meghajtó egység kiválasztása Amennyiben passzív eszköz méréséről van szó, a megfelelő meghajtó egység kiválasztása döntő fontosságú. Az esetek túlnyomó többségében az akusztikai vizsgálatokhoz az elektromos motorok csoportjából célszerű választani (3. ábra). 3. ábra Meghajtó egységek csoportosítása A villamos motorokon belül még számtalan lehetőség közül választhatunk a meghajtó egység típusát illetően. Ez gyakran feladatfüggő döntés meghozatalát igényli, és sok alkalommal kompromisszumot igényel.

5 3. Passzív eszközök esetén vizsgálópad összeállítása Passzív eszközök vizsgálatánál egy egyedi mérőpad megtervezése és megépítése elengedhetetlen. Ilyenkor az átgondolt tervező munka, valamint a precíz kivitelezés a siker záloga. A próbamérések alapján sok esetben módosításokra, áttervezésre szorul a készülék. 4. Külső zavaró tényezők hatásának (meghajtó egység) csökkentése A pontos mérés feltétele, hogy a vizsgáló pad kialakítása során maximális gondossággal kell eljárni a zavaró tényezők hatásának kiküszöbölése érdekében. Ez a vizsgálni kívánt egység szempontjából lehet teljesen külső tényező (50 Hz frekvenciájú hálózati feszültség), vagy származhat például a meghajtó egységből is (4. ábra). Utóbbi esetben a zaj és rezgésszigetelés, mint iteratív feladat sokszor időés munkaigényes. Meghajtó egység Elsődleges átviteli út Vizsgált berendezés Másodlagos átviteli út Alapozás 4. ábra Zavaró tényezők hatása 5. A feladathoz szükséges műszer megválasztása A megfelelő mérőműszer kiválasztása szinte minden esetben feladatfüggő. Már a vizsgálatok megkezdésekor akár próbamérésekkel meg kell tudni állapítani az adott eszköz által kibocsátott zaj illetve rezgés körülbelüli várható értékét, mind frekvencia, mind amplitúdó tekintetében. Ezzel, valamint a felvilágosítás igényelt mértéke alapján tudunk megfelelő eszközt választani. Nem minden esetben érdemes a bonyolultabb műszer alkalmazása, mivel feleslegesen drágítja a vizsgálatot. 6. Érzékelő kiválasztása Az érzékelő kiválasztása, valamint műszerhez illesztése szintén nem tekinthető teljesen egzakt feladatnak. Ez a fázis alapvetően meghatározza azt a mért adathalmazt, amelyből kiindulva a vizsgálat kiértékelését kell elvégezni.

6 Feltétlenül ellenőrizni kell többek között, hogy a vizsgálati frekvenciatartomány az érzékelő frekvencia-tartományán belül legyen, az érzékelő maximális működési hőmérséklete megfeleljen a mérési követelményeknek, a mérés dinamikája legyen kisebb az érzékelő dinamikájánál. Az ehhez szükséges valamennyi információ az érzékelő kalibrációs lapján megtalálható (5. ábra). 5. ábra Triax érzékelő átviteli diagramja (részlet a kalibrációs lapról) 7. Mérési pontok meghatározása A mérési pontok meghatározása kis gyakorlattal és odafigyeléssel megoldható feladat. Jellemzően javasolt valamennyi csapágykörnyezetben mérést végezni mindhárom irányban (horizontális, vertikális, axiális). A háromtengelyű ún. triaxiális érzékelők ezt a folyamatot gyorsítják, természetesen alkalmazásuk feltétele az, hogy a műszer tudjon egymástól legalább három független csatornán jelet fogadni. Az érzékelő helyét és az irányokat pontosan dokumentálni kell. 8. Kiválasztott mérési pontok felületkezelése A következő feladat, hogy a kiválasztott mérési pontokat igen nagy gonddal elő kell készíteni az érzékelő fogadására. Precíz mérés elvégzéséhez minden esetben javasolt a fémtiszta, sík felület képzése. Ehhez el kell távolítani a szennyeződést, a rozsdát, sőt még a festékréteget is. Ez az ipari gyakorlatban sok esetben felsőbb vezetői engedélyt igényel. 9. Érzékelő felhelyezése Az érzékelő felhelyezésének lehetőségei, valamint azok hatása a felső mérési határfrekvenciára az alábbi ábrán, illetve diagramban láthatóak (6a, 6b. ábra). Lehetőség szerint a menetes rögzítésre kell törekedni, annak ellenére, hogy ez a vizsgált darab burkolatának forgácsolással történő megmunkálását jelenti. Gyakran előfordul, hogy ebben a kérdésben is kompromisszumot kell kötni.,

7 mérőpálca kétpólusú mágnes síkmágnes adhézív pad adhézív felerősítés felerősítés csavarral a. ábra Érzékelő felszerelésének lehetőségei (Brüel & Kjaer) Relatív érzékenység (db) k 10 k 100 k 6 f [Hz] 6b. ábra Felszereléstől függő vizsgálati határfrekvencia (Brüel & Kjaer) 10. Mérés elvégzése adott műszaki paraméterek alapján Az eddig említett előkészületek után a mérés elvégzése már nem tűnik nehéz feladatnak. Ennek ellenére a legnagyobb körültekintéssel kell a mérést elvégezni a vizsgálandó eszköz üzemmeleg állapotában. Javasolt egymást követően több alkalommal elvégezni a vizsgálatot annak ellenőrzésére, hogy reprodukálható-e a mérés. Érdemes jegyzőkönyvben rögzíteni minden olyan jelenséget, amely a mérést befolyásolta, illetve befolyásolhatta. 11. Mérési eredmények kiértékelése A mérés, valamint a kiértékelés sajnos nem választható szét. Gyakori jelenség, hogy a kiértékelés során felmerül az igény újabb mérési pontok felvételére, más paraméterek beállításával ismételt vizsgálatok elvégzésére (7. ábra). Ebben a fázisban derül ki, hogy mennyi tapasztalattal rendelkezik a diagnoszta. Sok esetben fontos az intuíció, és előfordul az is, hogy megállapításaink feltételezéseken alapulnak. Ezek csak alaposabb vizsgálatokkal igazolhatóak vagy cáfolhatóak.

8 7. ábra Mérés, kiértékelés 12. Javaslattétel A mérési folyamat utolsó eleme a javaslattétel. Ez gyakran tartalmaz olyan elemet, amely nem igazán találkozik a megrendelő igényével. Sok esetben előfordul, hogy újabb vizsgálatok, vagy műtéti beavatkozás (nagyjavítás) szükséges. Nem tudunk minden esetben maximálisan megfelelni a megrendelő elvárásainak, ezen a ponton kompromisszumokat kell kötni. ÖSSZEGZÉS Ebben a tanulmányban nagy vonalakban összegyűjtöttük azokat a fő lépéseket, amelyek egy akusztikai mérés megtervezésének mérföldköveit jelentik. Az említett 12 pontról egyesével is lehetne egy-egy részletes cikket írni. Terjedelmi korlátok miatt most csak a feladatok megfogalmazására kellett szorítkozni. További terveink között szerepel, hogy a fent említett pontokat egyesével kidolgozva egy előadássorozatot építsünk fel, amelyben már konkrét esettanulmányok alapján mutatjuk be ennek a tudományterületnek a szépségeit és nehézségeit. IRODALOM [1] Bihari Z. Külső csillagkerekes görgős szabadonfutók elemzése, PhD értekezés, Miskolci Egyetem, [2] Bihari Z.: Akusztikai és rezgéstani minősítés, (elektronikai jegyzet), Miskolc, [3] Dömötör F.: Rezgésdiagnosztika I., Főiskolai Kiadó, Dunaújváros, [4] Dömötör F.: Rezgésdiagnosztika II., Főiskolai Kiadó, Dunaújváros, [5] Beranek, L. L.: Zajcsökkentés, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS "A cikkben/előadásban/tanulmányban ismertetett kutató munka az EFOP jelű Fiatalodó és Megújuló Egyetem Innovatív Tudásváros a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése projekt részeként a Széchenyi 2020 keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg."