HÁZTARTÁSI PORSZÍVÓ KÉSZÜLÉK RÉSZEGYSÉGEINEK ZAJ- ÉS REZGÉSTANI ELEMZÉSE

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszék HÁZTARTÁSI PORSZÍVÓ KÉSZÜLÉK RÉSZEGYSÉGEINEK ZAJ- ÉS REZGÉSTANI ELEMZÉSE DIPLOMAMUNKA Energetikai mérnöki mesterszak, Épületenergetikai szakirány Készítette: MATISZ NORBERT Neptun kód: L134A8 MISKOLC EGYETEMVÁROS 2016

2 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK INTÉZETI TANSZÉK 3515 Miskolc Egyetemváros Iktató szám: EV/353-1/2016 MSC TERVEZÉSI FELADAT MATISZ NORBERT II. éves, energetikai mérnöki mesterszakos hallgató részére Neptun kód: L134A8 A tervezés tárgyköre: A tervezési feladat címe: A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: Műszaki akusztika, rezgésvizsgálat Háztartási porszívó készülék részegységeinek zaj- és rezgéstani elemzése 1. Röviden ismertesse a háztartási gépek zajméréséhez alkalmazott szabvány előírásait! Részletezze a porszívókra vonatkozó részeket. 2. Méréssel vizsgálja meg három önkényesen kiválasztott típusú porszívófej akusztikai magatartását három különböző szívási teljesítményen, szőnyegen, ill. padlón! 3. A mérési eredményeket felhasználva határozza meg minden esetben a fej által kibocsátott zajteljesítmény-szinteket és értékelje azokat! 4. Határozza meg a tercsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomásszinteket maximális teljesítmény esetén, ábrázolja a mérési eredményeket diagram formájában. Elemezze az ábrákat és vonjon le következtetéseket a porszívófejek zajkibocsátására vonatkozóan! 5. Hasonlítsa össze a vizsgált Ultra Silencer porszívó zajmagatartását egy hagyományos konstrukciójú készülékkel. A vizsgálatok eredményét lehetőség szerint egyadatos mérőszámmal adja meg. 6. Tekintse át a forgó mozgás létrehozásához alkalmazott elektromos motorokat, csoportosítsa működési elv szerint. Térjen ki részletesen a háztartási berendezésekben alkalmazott univerzális motorokra. 7. Vegyen fel rezgésmérést a porszívó készülékekben alkalmazott elektromos motor különböző fordulatszámain. Vizsgálja meg a kapott diagramokat, végezzen spektrumelemzést. Próbáljon következtetéseket levonni az egyes gerjesztések okaira vonatkozóan. Készítsen jegyzőkönyvet a mérésről. Tervezésvezető: Konzulens: Dr. Bolló Betti, egyetemi docens Dr. Bihari Zoltán, egyetemi docens A diplomamunka feladat kiadásának időpontja: szeptember 14. A diplomamunka beadási határideje: december 09. Miskolc, 20 év hó nap Ph Dr. Bencs Péter tanszékvezető egyetemi adjunktus II

3 1. A zárógyakorlat helye: 2. Instruktor: 3. A záródolgozat módosítása 1 : szükséges (módosítás külön lapon) nem szükséges dátum 4. A tervezést ellenőriztem: tervezésvezető dátum tervezésvezető 5. A záródolgozat beadható: igen/nem dátum tervezésvezetők konzulens 6. A záródolgozat szövegoldalt, és az alábbi mellékleteket tartalmazza: db rajz tervnyomtatvány egyéb melléklet (CD, stb.) 7. A záródolgozat bírálatra 1 : bocsátható nem bocsátható A bíráló neve: dátum tanszékvezető 8. A záródolgozat osztályzata betüvel (és számmal): A bíráló javaslata: A tanszék javaslata: A ZVB döntése: Kelt: Miskolc, Záróvizsga Bizottság elnöke 1 Megfelelő rész aláhúzandó III

4 Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Matisz Norbert (Neptun kód: L134A8) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Energetikai mérnöki mesterszakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Háztartási porszívó készülék részegységeinek zaj- és rezgéstani elemzése című komplex feladatom/szakdolgozatom/diplomamunkám 2 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszavonásra kerül. Miskolc, 2016 év december hó 09. nap.. Hallgató 2 Megfelelő rész aláhúzandó IV

5 ÖSSZEFOGLALÁS Diplomamunkám egyik fő célja három darab önkényesen kiválasztott porszívófej zajteljesítmény-szintjének meghatározása, három különböző szívási teljesítmény mellett. Ehhez az MSZ EN :2011 sz. szabvány szerint végzem el a méréseket, amelyekhez a szívófejeket az Electrolux Kft. biztosítja. A Brüel&Kjaer Observer 2260-as típusú integráló zajmérő műszerrel hangnyomásszinteket mérek, amelyekből a szabványban szereplő összefüggésekkel meghatározom az akusztikai teljesítményeket, valamint a zajteljesítmény-szinteket. A mérést az erre a célra előírt szabványos szőnyegen, ill. padlón is elvégzem, a szőnyeg zajcsillapításnak meghatározására. Ezt követően a szívófejeken még egy vizsgálatot végzek, melynek célja a porszívófejek tercsávonkénti A-hangnyomásszintjeinek meghatározása, ábrázolása. Dolgozatom másik nagy célja egy Ultra Silencer típusú porszívó készülék zajkibocsátásának jellemzése. Ezért a Pulse Labshop nevű akusztikai mérőszoftver segítségével valós idejű spektrumokat veszek fel. Ezenfelül a mérési eredményekből kiszámítom az oktávsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomásszinteket, melyeket az ún. NR görbékre ráillesztve, megkapom a készülék NR jellemzőjét. Amennyiben lehetőségem lesz rá más cég által gyártott készüléken is elvégzem a vizsgálatot, ami remélhetőleg összehasonlítási alapot adhat. Végezetül a porszívó készülékből kiszerelt motoron végzek zaj- és rezgésvizsgálatot. Az elkészített vízesés diagramok segítségével szeretném azonosítani az egyes elemek rezonanciáját, illetve meghatározni a motor gerjesztési frekvenciáit különböző esetekben. Bízom benne, hogy az elvégzett kutatások alapján használható eredményeket kapok, hiszen a háztartási gépek zajterhelése napjaink egyik nagy problémája. V

6 SUMMARY One of the main aims of my thesis is determining the noise performance levels of three arbitrarily selected vacuum heads on three different suction levels. For this I perform the measurements according to the MSZ EN :2011 standard. For the examinations the vacuum cleaner heads is ensured by Electrolux Ltd. With the help of the Brüel&Kjaer Observer 2260 type integrating noise metering device I measure the noise pressure levels, from which I define the acoustical performances and noise performance levels according to the correlations in the standard. I perform the measurements on the standard prescribed carpet and also on the floor because I try to determine the noise reduction of the carpet. Following this I perform another measurement in which my goal was the determination and the depiction of the A-sound pressure levels per third octave band of the vacuum heads. The other important objective of my thesis is the characterisation of noise emission in case of an Ultra Silencer type vacuum cleaner. With the help of a measurement software called Pulse Labshop I am able to get real time spectrums. Furthermore using the results of the measurements, I compute the noise pressure levels of the center frequencies, which I apply to so called NR curves to determine the NR traits of the device. If I have the opportunity, I plan on conducting the experiments on devices of other brands, which will hopefully give the basis for serious comparisons. Lastly I perform noise and vibration measurements on the motor removed from the vacuum cleaner. With the help of waterfall charts I would like to identify the resonance of the individual elements and determine the rotational frequency in each distinctive case. I hope that the research will yield usable results, considering that the noise pollution of household appliances is one of today's big issues. VI

7 TARTALOMJEGYZÉK ÖSSZEFOGLALÁS...V SUMMARY...VI TARTALOMJEGYZÉK... 1 JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE... 3 BEVEZETÉS SZAKIRODALMI FELDOLGOZÁS TUDNIVALÓK A PORSZÍVÓ KÉSZÜLÉKEKRŐL Porszívók fejlődése - történeti áttekintés Főbb porszívó típusok Electrolux Ultra Silencer VILLAMOS MOTOROK FŐBB SAJÁTOSSÁGAI, TÍPUSAI Villamos motortípusok Egyenáramú motorok VÁLTÓÁRAMÚ MOTOROK Szinkron motorok Aszinkron motorok Univerzális motorok KÖRNYEZETI ZAJFORRÁSOK Aerodinamikus zajforrások Villamos forgógépek zaja ZAJRA VONATKOZÓ ELŐÍRÁSOK ÉS AJÁNLÁSOK ZAJSZINT MÉRÉSRE VONATKOZÓ SZABVÁNY RÖVID ÖSSZEFOGLALÁSA A REZGÉSMÉRÉSRE VONATKOZÓ FŐBB ELŐÍRÁSOK ZAJMÉRÉSEK KIVITELEZÉSE ZAJTELJESÍTMÉNY-SZINT MEGHATÁROZÁSÁRA FÓKUSZÁLÓ MÉRÉSI EREDMÉNYEK ELEMZÉSE MÉRÉSI EREDMÉNY EK KIÉRTÉKELÉSE Mérési eredmények kiértékelése az 1. porszívófej esetén Mérési eredmények kiértékelése a 2. porszívófej esetén Mérési eredmények kiértékelése a 3. porszívófej esetén MÉRÉSI EREDMÉNY EK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Zajteljesítmény-szintek összehasonlítása szőnyegen végzett mérés során Zajteljesítmény-szintek összehasonlítása festett acél felületen végzett mérés során TERCSÁVOS ZAJMÉRÉS KIÉRTÉKELÉSE ALAPZAJ KIÉRTÉKELÉSE PORSZÍVÓFEJEK TERCSÁVONKÉNTI A-HANGNYOMÁSSZINTJE SZŐNYEGEN VÉGZETT MÉRÉS ESETÉN PORSZÍVÓFEJEK TERCSÁVONKÉNTI A-HANGNYOMÁSSZINTJE FESTETT ACÉL FELÜLETEN VÉGZETT MÉRÉS SORÁN NR GÖRBÉK FELVÉTELE ÉS A PORSZÍVÓ KÉSZÜLÉKEK NR JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSA PORSZÍVÓK ZAJSPEKTRUMA NR GÖRBÉK SZERKESZTÉSE ÉS AZ NR JELLEMZŐK MEGHATÁROZÁSA SPEKTRUMANALÍZIS PORSZÍVÓBÓL KISZERELT MOTORON ZAJVIZSGÁLAT REZGÉSVIZSGÁLAT

8 A motor fordulatszámának fokozatos növelése toroid transzformátorral A motor felfutásának vizsgálata A motor leállásának vizsgálata ÖSSZEGZÉS KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS IRODALOMJEGYZÉK PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE ÁBRAJEGYZÉK TÁBLÁZATJEGYZÉK M1. SZABVÁNYOS SZŐNYEG FONTOSABB ADATAI M2. BRÜEL&KJAER ÁLTAL GYÁRTOTT SOROZATSZÁMÚ GYORSULÁSÉRZÉKELŐ FONTOSABB GYÁRI ADATAI 2

9 JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE A [m 2 ] felület B [T] mágneses indukció c [-] konstans d [m] mérési távolság f [Hz] frekvencia F [N] erő I [A] áramerősség I i [A] indítási áram I max [A] maximális áramfelvétel I [W/m 2 ] hangintenzitás I 0 [W/m 2 ] hangintenzitás referenciaérték, vonatkoztatási alap k [-] gépállandó L [m] vezető hossza L i [db] az i-edik pontban mért hangnyomásszint L I [db] intenzitásszint L m [db] átlagos hangnyomásszint L p [db] hangnyomásszint L W [db] zajteljesítmény-szint M [Nm] nyomaték n [1/s] fordulatszám NR [-] Noise Rating p [Pa] hangnyomás p 0 [Pa] hangnyomás referenciaérték, vonatkoztatási alap p a [Pa] tercsáv alsó határfrekvenciához tartozó hangnyomás p f [Pa] tercsáv felső határfrekvenciához tartozó hangnyomás p k [Pa] tercsáv középfrekvenciához tartozó hangnyomás p oktáv [Pa] oktávsáv középfrekvenciához tartozó hangnyomás p s [Pa] statikus nyomás p T [Pa] teljes nyomás P [W] hangteljesítmény P 0 [W] hangteljesítmény referenciaérték, vonatkoztatási alap R b [Ω] belső ellenállás U ie [V] ellenindukált feszültség U k [V] kapocsfeszültség v [m/s] áramlási sebesség ΔL [db] zajszint változás Δp [Pa] nyomásváltozás ρ k [kg/m 3 ] közegsűrűség ρ [-] visszaverődési tényező 3

10 BEVEZETÉS A zajjal száz év múlva több gondunk lesz, mint a fertőző betegségekkel (Robert Koch, német bakteriológus, XIX. sz.) Már BSc-s tanulmányaim alatt nagy lelkesedéssel érdeklődtem a műszaki beállítottságomhoz közel álló, zajjal kapcsolatos tudományterület iránt. Ebből kifolyólag az eltelt félévek alatt nem volt kérdés, hogy szakdolgozatomban akusztikai mérésekkel foglalkozom. Akkori munkám során bányászati szállítószalag görgők zajterhelését vizsgáltam. Később az MSc-s tanulmányaim megkezdésekor eldöntöttem, hogy szintén ebben a szakterületben szeretnék további kutatásokat végezni. A képzés során TDK dolgozatot készítettem Háztartási gép részegységeinek akusztikai vizsgálata címmel. Diplomamunkám tulajdonképpen TDK dolgozatom továbbfejlesztése, amelyben háztartási porszívó készülékek zajterhelésével foglalkozom. A porszívók zajkibocsátásával hazánkban többek között az Electrolux Kft. foglalkozik. Az általuk gyártott Ultra Silencer típust használom fel méréseimhez, amely már rendkívül csendesnek tekinthető, hiszen 68 db-es zajszintjével alacsonyabb zajt kelt, mint amikor tv-t nézünk [1]. Környezetvédelmi szempontból azonban ez az érték sem elhanyagolható, hiszen valamennyi rendelet (27/2008. (XII. 3.) KvVM-EüM rendelet) 65 db-nél húzza meg azt a zajterhelési határértéket, amely felett a folyamatos zaj az élő szervezetre már káros lehet. Dolgozatom elsődleges célja 3 db, önkényesen kiválasztott porszívófej akusztikai magatartásának értékelése. Lehetőség szerint a szívófejeken két típusú vizsgálatsorozatot végzek el. Az első kutatás során a három fejnek kilenc darab mérési pontban szabvány szerint mérem meg a hangnyomásszintjét, s a mért értékekből meghatározom a zajteljesítmény-szinteket burkolófelületes eljárással. A méréseket a Miskolci Egyetem Gép- és Terméktervezési Intézet Akusztikai Laboratóriumában végzem el, három szívási teljesítményen erre a célra előírt mérő szőnyegen, ill. szőnyeg nélkül. Ehhez a szükséges eszközöket az Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszék biztosítja. Ezután az akusztikai jelenségeket leíró egyenletek segítségével részletes számításokat és kiértékeléseket végzek. Ezt követően a porszívófejeken még egy vizsgálatot tervezek, amelynek célja tercsávonkénti A-hangnyomásszintek meghatározása maximális szívási teljesítmény mellett. 4

11 További célom még, hogy ne csak a szívófejen, hanem magán a porszívó készüléken is végezzek méréseket. A hangnyomásszint frekvencia függvényében előállított színkép segítségével meghatározom a porszívómodell NR (Noise Rating) jellemzőjét. Ezt az egyadatos mérőszámot, amely a készülék zajosságát jellemzi, összehasonlítom a szakirodalomban fellelhető NR határértékekkel. Amennyiben lehetőségem lesz rá, más cég által gyártott porszívón is elvégzem ezt a fajta vizsgálatot. Végül dolgozatomban egy kiszerelt Ultra Silencer porszívó motoron rezgésvizsgálatot veszek fel, meghatározva a gerjesztő frekvenciákat. A vízesés diagram elkészítésével, valamint spektrumanalízissel remélhetőleg fény derül a zaj okaira is. 5

12 1. SZAKIRODALMI FELDOLGOZÁS Diplomamunkámban háztartási gép, nevezetesen porszívó készülék részegységein végzek rezgés-, gyorsulás-, illetve zajvizsgálatokat, ezért ebben a fejezetben nagyvonalakban ismertetem a porszívók, villamos motorok jellegzetességeit, valamint a hozzájuk kapcsolódó zajforrásokat. Mivel dolgozatom későbbi részében célom porszívó készülékek NR jellemzőinek a meghatározása, ezért a zajra vonatkozó előírásokat és jogszabályokat is bemutatom. Továbbá még betekinthetünk a zajméréshez használt szabvány főbb pontjaiba, illetve a rezgésmérést szabályozó előírásokba Tudnivalók a porszívó készülékekről A porszívó mechanikailag finomabb anyagú szennyeződések eltávolítására szolgáló villamos gép. Főbb részei: motor, turbina, porszívócső, porzsák. A ventilátort egy villamos motor hajtja, amely a porzsák felőli részben vákuumot hoz létre. Ennek hatására a szívófejen és a szívócsövön keresztül levegő áramlik be a szívótorkolatba, amely magával ragadja a szennyeződéseket, s a porzsákba továbbítja azokat. Manapság azonban egyre inkább teret nyernek a porzsák nélküli készülékek [2] Porszívók fejlődése - történeti áttekintés A porszívó története a XIX. század elejéig nyúlik vissza, James Hume ben készítette el az első elektronikus seprűt. Kezdetlegessége miatt azonban nem volt túl népszerű, hiszen nagyobb port kavart, mint amennyit össze tudott szedni. Az első mechanikus szőnyegseprűt (1.1. ábra) Melville Bissel készítette el ben. Jóval nagyobb hatékonyságú szívási teljesítménnyel rendelkezett, mint a Hume-féle seprű, amely elsősorban a készülék belsejében forgó keféknek volt köszönhető. Ez a típus olyan nagy sikert aratott, hogy Bissel gyárat hozott létre, amely a mai napig működik [2]. E két készüléket úgymond a porszívó atyjának tekinthetjük. 6

13 1.1. ábra: Bissel-féle mechanikus seprű [2] Az első tényleges porszívó Hubert Cecil Booth nevéhez köthető, aki 1901-ben készítette el működési elvben a mai darabokhoz hasonlító gépet. Annak ellenére, hogy működtetése rendkívül zajosnak mondható, szívesen használták nagyobb középületekben, szállodákban. További hátránya a méretének volt köszönhető, hiszen nagysága miatt lovas kocsival kellett szállítani (1.2. ábra). Néhány év múlva megjelent az első elektromos működtetésű modell is, Booth azonban inkább az ipari igények kielégítésére törekedett, a Hoover cég pedig a lakossági porszívók létrehozására fókuszált [2] ábra: Lovas kocsival szállított Booth-modell [2] 7

14 Az 1920-as évektől egyre fejlettebb modellek jelentek meg a háztartásokban, az egyik legfontosabb lépcsőt az első papír porzsákos LUX készülék jelentette ban [2]. A LUX modell fontosabb állomásai [3]: LUX I (1912): az első elektromos légbeszívással működő porszívó elterjedése, amelyet az Electrolux alapítója Axel Wenner-Gren talált fel. LUX XI (1928): érintésvédelemmel, motorvédő szűrővel ellátott, légáramlás elvén működő készülék. 1956: a nem higiénikus textilzsákok használatát felváltja a papír porzsákkal működő készülék. D 725 Sanft-o-matic (1980): energiatakarékosság mellett, a zajszint és a fogyasztás csökkentését biztosító gyári szigetelés megjelenése. D 770 LUX Royal (1988): mindenre képes Turbo-Cleaner. LUX 1 S Royal (2000): 67 db-es zajszint. LUX Intelligence (2009): szívóerő szabályozás, markolaton elhelyezett elektronikus vezérlés. A fejlődés egészen a mai napig tart, már a 90-es évek vége felé megszülettek az első robotporszívók, amelyek önmaguktól működnek, s a helyiség feltérképezését követően ultrahang segítségével tájékoztatva kitakarítják azt [2] Főbb porszívó típusok A porszívókat elsősorban kialakításuk és működési elvük szerint csoportosíthatjuk. E szempontok szerint körülbelül 10 osztályba sorolhatjuk őket, amelyek az alábbiak lehetnek: függőleges porszívó, tartályos porszívó, dob-, nedves és száraz-, hátizsák-, kézi-, robot-, ciklon-, központi-, csillagkép kialakítású porszívó. A függőleges kialakítású porszívók alkalmazása leginkább az USA-ban és Angliában terjedt el. Ez a típus hasonlít legjobban a Bissel-féle seprűre. Alsó részén speciális forgókefék találhatóak, s a szívóerőt ventilátor biztosítja. A tartályos, vagy más néven hengeres porszívó a legelterjedtebb darab Európában. Ebben az esetben a szívófej cserélhető és könnyen irányítható, amely egy rugalmas csövön keresztül a motorhoz és a portalanító tartályhoz csatlakozik. A dob/hordó kialakítású készüléket nagy igénybevételű helyeken használják, 8

15 kialakítása a tartályos modellekhez hasonlít. Nedves/száraz géppel folyékony szennyeződéseket is felszívhatunk, emellett fújni is képes, valamint kül- és beltéren egyaránt alkalmazható. Üzleti, kereskedelmi környezetben egyre jobban teret hódít a hátizsák kialakítású eszközök használata, ugyanis a felhasználó könnyen tud mozogni velük. A kézi vagy morzsa porszívók kis teljesítményűek, nagyon könnyűek, hatékonyan használhatóak. Előnyük, hogy elemről vagy akkumulátorról is működtethetők. A 90-es évek végén, illetve a 2000-es évek elején terjedtek el a robotporszívók, melyek maguktól működnek, önállóan képesek a portartályuk kiürítésére, s általában háztartási használatra alkalmasak. A ciklon porszívó ciklonikus szétválasztás elvén működik, azaz a beszívott por szétválasztása szűrő nélkül, a levegő forgatásával történik. A központi készülékek használata a legelőnyösebb, hiszen ritkábban kell üríteni, a szívó ereje lényegesen nagyobb, működése kisebb zajjal jár, mint azt a szimpla porszívóknál megszokhattuk. A Hoover cég mutatta be elsőként a csillagkép kialakítású modellt (1.3. ábra), amelynek nincsenek kerekei, illetve tartálya a kiáramló levegő hatására lebeg. A szippantó kocsi is a porszívók családjába tartozik, amely nagyteljesítményű szívómotorral felszerelt jármű. Általában önkormányzatok, nagyobb cégek használják szilárd és folyékony szennyeződések, valamint iszap eltávolítására [2] ábra: Csillagkép típusú porszívó készülék [2] Electrolux Ultra Silencer Vizsgálataimhoz az Ultra Silencer típusú modellt használom, ezért a továbbiakban erről a típusról szeretnék még néhány fontosabb információt közölni a zajkibocsátására vonatkozóan. 9

16 A porszívók zajkibocsátásával többek között az Electrolux Kft. kezdett el foglalkozni, amelynek egyik fő oka, hogy egy fogyasztói felmérés szerint az emberek többsége a háztartásokban a porszívó hangját tartja a legidegesítőbb zajforrásnak. A megkérdezettek 90%-a szeretne csendesebb porszívót. A cég által megtervezett porszívómodellek viszont már annyira csendesnek tekinthetőek, hogy használatuk mellett az ember bátran telefonálhat, vagy akár hallgathatja kedvenc zenéjét. Az Ultra Silencer TM első generációja 2002-ben jelent meg a piacon, amely a legcsendesebb porszívó készüléknek tekinthető. Az újabb generációs modellek használata mellett pedig már mindenki végezheti hétköznapi dolgait is, hiszen zajszintjük mindössze 61 db, amely egy átlagos beszélgetésnél is csendesebb. Ez a fejlesztés tulajdonképpen a Silent Air technológia alkalmazásának eredménye, amely lehetővé teszi a levegőáramlás és a teljesítmény optimalizálását, miközben alacsonyan tartja a zajszintet. A csendes működés titka az aerodinamikai szempontok szerint megtervezett és speciálisan rögzített motor, valamint az AeroPro TM tartozékrendszer. Ehhez járul még hozzá a motorszűrő és a porzsák tartó körül kialakított kiváló hangszigetelő zajpajzs, továbbá a szupercsendes csőrendszer és szívófej. Ezen kívül további előnye a készüléknek, hogy a minden irányban könnyen mozgó szívófejjel kiváló tisztítási hatékonyság érhető el, valamint motorja 50%-kal kevesebb áramot fogyaszt, mint egy átlagos 2000 wattos motor [4] Villamos motorok főbb sajátosságai, típusai Az első gépek leginkább a manufaktúra korszakában jelentek meg, azonban ezeket még emberi vagy állati erővel hajtották. A XVIII. század végén a manufaktúrát folyamatosan felváltotta az ún. gépi ipar korszaka, az első nagy áttörést a gőzgép megjelenése jelentette. A XIX. század közepére már ismertek voltak az alapvető villamos és mágneses jelenségek (többek között az Ampére törvény, Faraday indukciós törvény, Lenz törvény stb.), melyek a villamos energia gyakorlati felhasználásához nélkülözhetetlenek voltak. Az első eletromotort, amely egy forgó vezetőnek tekinthető, Michael Faraday készítette el 1821-ben. Hazákban, 1827-ben Jedlik Ányos alkotta meg az első forgógépet elektromágnessel és kommutátorral, majd később a dinamóelv (az öngerjesztés elve) is az ő nevéhez köthető. Az első igazi ténylegesen is villamos motornak tekinthető gépet Jacobi hozta létre 1834-ben. Fontos lépcsőfok volt még 1856-ban 10

17 Werner Siemens találmánya, a generátor, illetve magyar szemszögből 1885-ben a transzformátor szabadalma, amely 3 jeles tudós, Zipernowsky Károly, Déri Miksa, és Bláthy Ottó nevéhez fűződik. Még ugyanebben az évben Nikola Tesla és Galileo Ferraris készítette el az első kétfázisú aszinkron gépet [5] Villamos motortípusok A villamos motorokat többféle tulajdonság szerint csoportosíthatjuk, amelyek közül a legfontosabb osztályozási szempont az, hogy a motor milyen jellegű mozgást hoz létre. Ennek megfelelően a motorok mozgástípusa lehet lineáris és forgó, viszont kijelenthetjük azt, hogy minden motortípus egyaránt lehet lineáris és forgó mozgású, ez csupán a konstrukciós kialakítástól függ. Azonban megállapítható az a tény, hogy a legtöbb villamos gép forgó mozgású. Az alapján, hogy milyen közeg segítségével közvetítjük a mozgási energiát az állórésztől a forgórész felé, beszélhetünk piezo ultraszonikus motorokról, elektrosztatikus motorokról, valamint klasszikus villamos motorokról. A piezo motorok esetében a közvetítő közeg súrlódó felületek, elektrosztatikus motoroknál elektromos tér, illetve a klasszikus villamos motorok a mozgási energiát elektromágneses téren keresztül juttatják el az állótól a forgó részig. Az elektromágneses motorok két fő részből épülnek fel. Az egyik egy csőszerű rész, amely tulajdonképpen egy külső környezethez rögzített állórész. Ebben mozog a másik, egy hengerszerű rész, a forgó mozgást pedig csapágyazás teszi lehetővé. A villamos motorok működése szempontjából az egyik legfontosabb lépés a mágneses tér gerjesztése, amely történhet az állórészben, a forgórészben, vagy akár mindkettőben. Maga a gerjesztés megvalósítható egy tekercs segítségével, illetve egy állandó mágnes használatával. A mágneses tér szempontjából alapvetően két típus különíthető el, az axiális- és a radiális fluxusú elektromágneses motorok [6]. Az 1.4. ábra a leggyakrabban előforduló motortípusokat szemlélteti: 11

18 1.4. ábra: Motorok csoportosítása [6] Egyenáramú motorok Napjainkban az egyenáramú gépeket széles körben működtetik motorként és generátorként is, azonban a motorok szabályozása más jellegű. Minden villamos gép, így ennek megfelelően az egyenáramú gép is két fő szerkezeti egységből áll, az álló- és a forgórészből. A motor forgórészének tekercselését az U k kapocsfeszültségű hálózatra kapcsoljuk, amelynek hatására a tekercsben I áram indul meg. A B mágneses indukció az I áramerősséggel F erőt hoz létre, amelynek iránya a balkéz-szabállyal, vagy a mágneses erővonalak segítségével állapítható meg [7]. A létrehozott erő nagysága: F = B I L, (1.1.) ahol: F: erő [N]; B: mágneses indukció [T]; I: áramerősség [A]; L: vezető hossza [m]. 12

19 A vezető mágneses térben forog, az erővonalmetszés pedig feszültséget indukál a tekercsben, amelyet indukált feszültségnek nevezünk, irányát a jobbkéz-szabállyal állapíthatjuk meg. Az indukált feszültség iránya ellentétes a kapocsfeszültséggel, ezért megkülönböztetésül az egyenáramú motorban kialakuló indukált feszültséget ellenindukált feszültségnek nevezzük, amelynek nagysága [7]: U ie = c n B, (1.2.) ahol: U ie : ellenindukált feszültség [V]; n: motor fordulatszáma [1/s]; c: konstans. A hálózati áramfelvétel: I = U k U ie R b, (1.3.) ahol: I: terhelő áram [A]; U k : kapocsfeszültség [V]; U ie : ellenindukált feszültség [V]; R b : motor belső ellenállása [Ω]. Az indítási áram: I i = I max = U k R b, (1.4.) ahol: I i : indítási áram [A]; I max : motor maximális áramfelvétele [A]; U k : kapocsfeszültség [V]; R b : motor belső ellenállása [Ω]. A motor nyomatéka: ahol: M = k B I, (1.5.) M: motor nyomatéka [Nm]; 13

20 k: gépállandó; B: mágneses indukció [T]; I: áramerősség [A] Váltóáramú motorok A váltakozó áramú motorok csoportjába a szinkron, illetve az aszinkron motorok tartoznak, amelyek főbb jellemvonásait az alábbi részfejezetekben ismertetek Szinkron motorok A szinkron gépek motorként (1.5. ábra) és generátorként is egyaránt működtethetőek, elnevezésük arra utal, hogy csak a frekvencia és a póluspárszám által meghatározott szinkron fordulatszámon üzemelnek [8]. Egy motor csak akkor működik szinkron motorként, ha az indítást megelőzően szinkron fordulatszámra állítjuk, azaz magától nem indul. Ez a motortípus is egy álló- és egy forgórészből épül fel. A működtetés során az állórész tekercselését háromfázisú hálózatra kapcsoljuk, miközben a forgórészt egyenárammal gerjesztjük. A motor terhelőnyomatéka, amelyet a terhelő áram és a mágneses tér hoz létre, alkalmas a forgórész szinkron fordulatszámon tartására, valamint munkagépek hajtására [7] ábra: A szinkron motor elvi felépítése [8] Az indítás kétféle módon történhet, beszélhetünk generátoros és motoros indításról. A generátoros indításhoz szükség van egy egyenáramú motorra, mint 14

21 külső hajtógépre. Első lépésben a szinkron motort szinkron fordulatszámra állítjuk, majd felgerjesztjük a hálózat feszültségére, végül pedig a szinkronizálást követően csatlakoztatjuk a hálózatra. Ezt követően már leválasztható a hajtógép, így a generátoros állapot átalakul motoros üzemmé. A motoros indítás azokon a szinkron gépeken valósítható meg, melyek forgórésze csillapító tekercseléssel van burkolva. Amikor az állórészt hálózatra kapcsoljuk a forgó mágneses tér feszültséget indukál a csillapító rudakban. Az ezekben kialakuló, elég nagy indukált áram a forgó mágneses térrel indító nyomatékot hoz létre, azaz a motor üresjáratban szinkron fordulatra gyorsul fel. Biztonságtechnikai okokból az állórész és a hálózat közé célszerű transzformátort vagy fojtótekercset kapcsolni, így csökkentve az indításkor kialakuló nagy áramlökést [7] Aszinkron motorok A szinkron motorokhoz hasonlóan ennél a motortípusnál is két fő szerkezeti egységet különíthetünk el, az álló- és forgórészt (1.6. ábra). Azonban az aszinkron motorok esetében a forgórész fordulatszáma nem egyezik meg a forgó mágneses tér fordulatszámával, hanem attól elmarad. Ezeket a motortípusokat szokás még indukciós motoroknak is nevezni, hiszen a feszültség a forgórészben elektromágneses indukció útján jön létre [7] ábra: Háromfázisú aszinkron motor felépítése [9] 15

22 Az állórésznek a forgó mágneses tér előállításában van nagy szerepe, emellett tartja a lemezeket, vezeti a pajzsokat, illetve védi a motor belső részeit. Általában öntött vasból vagy acélból készítik, külső köpenyhűtésű, zárt motorok. Fő részei az állórész-ház, a lemeztest és a tekercselés. A mechanikai nyomaték átvitelét a forgórész biztosítja, amelyet a tengelyre, vagy a tengelyen elhelyezett forgórész-agyra erősítenek fel. Manapság a forgórészre már szellőztetetőt is felszerelnek, így biztosítva a jobb hűtést. A tekercselés szempontjából a forgórész két típusra bontható, a csúszógyűrűs- (tekercselt) és a rövidrezárt (kalickás) forgórészre [7] Univerzális motorok Az univerzális motorok csoportjába olyan motorok tartoznak, amelyek egyaránt képesek egyenfeszültségről, és váltakozó feszültségről működni. Ebben az esetben a motornak az álló- és a forgórésze is tekercselve van, így amikor a hálózati áram polaritása megfordul, egyszerre változik mind az álló- és a forgórész mágneses tere. Ennek köszönhetően a tekercsek közötti kölcsönhatás iránya ugyanolyan marad. Univerzális motorokat találhatunk számos háztartási gépekben, fúrógépekben. többek között porszívó készülékekben, mixerekben, elektromos Ha működés közben az említett háztartási gép valamelyikébe belenézünk, akkor azt láthatjuk, hogy két kékesen szikrázó szénkefe a kommutátoron keresztül a forgórész tekercselésébe vezeti az áramot. Mágneses tér keletkezik az áramjárta vezetők körül, amely kölcsönhatásba lép az állórész tekercselése által keltett mágneses térrel (1.7. ábra). A létrejött interakció a motor forgórészét elfordítja, amelynek hatására a kommutátor szeletek is elfordulnak, így egy másik mágneses mezőbe belépő tekercspárra kapcsolják rá a feszültséget. Az állórész tekercseinek gerjesztése kelti az álló mágneses teret a forgórész számára. A gerjesztés tulajdonképpen a forgó- és állórész tekercsei közötti kötésmódot jelenti, amely lehet soros, párhuzamos és vegyes kialakítású. A háztartási gépek többségébe soros gerjesztésű motorok vannak beépítve, amely azt jelenti, hogy az állórész tekercsek sorba kapcsolódnak a forgórész tekercseivel. Ennek előnye az, hogy a motoron belüli áramút nem ágazik el, így amikor az váltakozó feszültségű táplálást kap, hatásfoka nem romlik le. A soros gerjesztésű motorokra jellemző a nagy indítónyomaték, álló helyzetből történő indulás során a névleges áram akár 16

23 hússzorosát is felvehetik. Ezek a motorok jelentős karbantartási munkálatot igényelnek, főként a csapágyazás, illetve a kommutátor és szénkefék tekintetében. Célszerű olvadóbiztosítóval védeni a motort, ezzel akadályozva meg azt a károsodástól [10] ábra: Univerzális motor szerkezete [10] 1.4. Környezeti zajforrások Mikor környezetszennyezésről hallunk, elsősorban a levegő, a víz, vagy pedig a talaj szennyezése jut eszünkbe. Azonban e három környezeti elem veszélyeztetése mellett a környezetünkben kialakuló zajnak is lehet káros hatása, amely ugyanúgy hozzájárul a környezetszennyezéshez. A környezeti zajforrásokat két nagy csoportra bonthatjuk: az ipari és a közlekedési eredetűekre. Az iparból származókat üzemi zajforrásoknak is nevezhetjük, amelynek jelentős csoportját a gépi berendezések által keltett zajok alkotják, gondolhatunk itt többek között kereskedelmi és lakossági szellőző- és klímaberendezésekre, transzformátorokra. Ezek mellett ebbe a csoportba tartoznak az ún. szabadidős zajforrások is. A közlekedésből származó zajok csoportját, ahogy azt a megnevezésből is sejthetjük a közlekedési területen mozgó gépjárművek alkotják. 17

24 A porszívó készülékek használatából származó zajok a motor mellett a csőben kialakuló közeg áramlásából származnak, így ezeket áramlási eredetű zajoknak tekinthetjük, amelyek az üzemi zajforrások közé tartoznak. Az aerodinamikai zajhatások, folyadékok és gázok áramlásakor alakulnak ki, amelyek a legelterjedtebb és egyben a legnagyobb intenzitású zajforrásoknak tekinthetők [11]. A villamos berendezések esetében a legfőbb zajforrások közé a transzformátorok, villamos forgógépek, egyenirányítók, kapcsoló berendezések tartoznak [12]. Mivel a porszívó készülékben található motor a villamos forgógépek csoportját alkotja, ezért majd az alábbi részfejezetben ezt a zajforrási osztályt ismertetem bővebben Aerodinamikus zajforrások Az aerodinamikai zajhatások kialakulásának az oka tulajdonképpen az áramlási kép megzavarása. Osztályozása a keletkezés jellege szerint történik, amelyek az alábbiak [13]: árnyékzaj: egy akadályt helyezünk az áramlás útjába, amely mögött változó sebességeloszlás alakul ki. Ez a jelenség pedig az áramlási irányra merőlegesen mozgatott testeken nyomásingadozást hoz létre, így alakul ki az árnyékhatás. örvényzaj: az áramlás útjába helyezett akadályról leváló örvények szintén okozhatnak zajt. szabadsugár zaj: más néven fúvókazaj, amelynek oka, hogy a nyugalmi térbe belépő gázsugár szétesik, miközben a kinetikus energia hő- és hangenergiává alakul át. Az áramlástechnikai gépek forgó részéből származó hatások, valamint maguk az áramlási elemek, mint például a könyökök, elágazások, keresztmetszet változások a dipólforrások közé tartoznak. Tehát ezek általában akkor alakulnak ki, ha az áramlásra kívülről, időben változó erők hatnak, vagy maga az áramlás hat az őt határoló szilárd közegre [13] Villamos forgógépek zaja A villamos forgógépek zaja alapvetően mechanikai, áramlási és mágneses zajokból származik. Egy villamos forgógép esetében 20 kw teljesítménynél húzható meg egy határ az adott zajforrás erősségére vonatkozóan. Ezt mutatja az 18

25 1.8. ábra, miszerint 20 kw teljesítmény alatt a mechanikai, felette viszont az áramlási eredetű zajok a dominálóak [12] ábra: Villamos forgógépek zajforrásai a teljesítmény függvényében [12] A mechanikai zajok elsődleges oka a csapágyak futási pontatlansága, a helytelen csapágybeépítés, a forgórész kiegyensúlyozatlansága, a nem megfelelő felállítás. Még ide tartozik a kefezaj is, azonban ez csak kommutátoros motornál számottevő. Ezek zajcsökkentése általában csapágyazási és alapozási feladat. Az áramlási zajok a forgórész mozgása mellett a forgógép hűtési rendszerének működéséből erednek. Alapvetően két részből tevődnek össze, egy szélessávú zajból, valamint egy vagy több tisztahangból. A szabványos villamos motorokba kb. 400 kw teljesítményig egyenes állású lapátozással ellátott ventilátorokat építenek be. Ennek fő oka, hogy a ventilátorok mindkét forgásirányra egyaránt alkalmasak legyenek. Ez azonban akusztikailag meglehetősen hátrányos megoldásnak tekinthető. Az áramlási zajok általában csak konstrukciós úton csökkenthetők, amely egy utólagos beavatkozás során fokozott költséget jelent. A mágneses zajok a légrés indukció periodikus változásából fakadnak, amely az álló- és forgórész között mechanikai feszültséget hoz létre, ezzel testhangokat gerjesztve. A két elem között fellépő erőhatások komponensei a Lorentz-féle erők, a Maxwell-féle erők és a magnetostrikciós erők. A Lorentz-féle erők a mágneses térbe helyezett vezetőre, a Maxwell-féle erők pedig a mágneses mezőben lévő mágneses test felületén hatnak. A magnetostrikciós erők szinték az indukció 19

26 következtében alakulnak ki, amelyek a vasmag rezgését okozzák. A jelenség során a mágneses térbe helyezett ferromágneses anyagok periodikus alakváltozást rezgést szenvednek, amely a környezetben zaj formájában jelentkezik. A mágneses eredetű zajok csökkentése szinte csak tervezői feladat. A legelterjedtebb módszerek a horonyszámok összehangolása, a horonyferdítés, a horonyalak módosítás, a lépésrövidítés, valamint a légrés változtatása [12] Zajra vonatkozó előírások és ajánlások A különböző tevékenységből származó zajterhelések megengedett határértékeit jogszabályok és rendeletek rögzítik. A korlátozó jogszabályokban találhatunk határértékeket az üzemi létesítményekben folytatott tevékenységből származó zajra, az építkezésekből származó zajra, a közlekedési eredetű zajokra, a munkahelyi zajterhelésre, valamint a lakó- és középületek helyiségeire vonatkozóan. A zavaró zaj színképét nem szabad elhanyagolni, ezért a megfelelő munkafeltételek biztosításához csak részben lehet figyelembe venni a megengedett határértékeket. Beranek dolgozta ki először a beszédzavarási szint alapján az NC (Noise Criteria) és a PNC (Preferred Noise Criteria) görbesorozatot. Ezek felhasználásával Kosten javaslatára fogadták el az ún. NR (Noise Rating) görbéket (1.9. ábra). A görbékre az jellemző, hogy oktávsávonként adnak meg egy határértéket, s azzal a határgörbét jelző értékkel jellemezhető az adott zaj, amely teljes egészében burkolja annak színképét. Az alábbi táblázat az NR határgörbéket szemlélteti különböző eredetű és helyű környezeti zajokra a korrekciós tényezőkkel együtt [14]. 20

27 1.1. táblázat: Javasolt NR határértékek korrekciós tényezőkkel [14] Helyiség NR rádióstúdió 15 kis színház 20 iskolaterem 25 hálószoba 25 konferenciaterem, könyvtár, mozi 30 nappali szoba 30 hivatalvezetői iroda 40 vendéglő 45 tornaterem 55 műhely 65 Korrekciós ok Korrekciós tényező tisztahang összetevők -5 szakaszos vagy impulzus zaj -5 csak a munkaidő alatti terhelés +5 terhelés a munkaidő 6%-ában +10 terhelés a munkaidő 1,5%-ában +15 terhelés a munkaidő 0,5%-ában +20 terhelés a munkaidő 0,1%-ában +25 csendes vidék -5 vidék 0 lakóterület +5 ipari terület +10 nehézipari terület

28 1.9. ábra: Ajánlási határértékek görbéi (NR görbék) [15] 1.6. Zajszint mérésre vonatkozó szabvány rövid összefoglalása A különböző gépek zajteljesítmény-szintjének meghatározására irányuló mérési módszerek az előírt szabványok pontossága szerint lehetnek tájékoztató, pontos, műszaki pontosságúak. A porszívófejek akusztikai vizsgálatához az utóbbi módszert alkalmaztam e célra felszerelt zajlaborban. E szabvány 15 m-nél nem nagyobb gépek, technológiai berendezések teljesítményszintjének és irányítottsági mutatójának meghatározására alkalmazható. Maga a mérés elvégezhető az erre a célra felszerelt laboratóriumban (amely lehet: süket szoba, fél-süket szoba, zengőtér), üzemi helyiségben és próbapadon, vagy a szabadban hangvisszaverő sík felett. A meteorológiai körülményekre vonatkozóan, amit érdemes kiemelni, hogy a levegő hőmérsékletét, ill. relatív páratartamát célszerű állandó értéken tartani, de a maximális ingadozás az előbbinél ± 10 K, utóbbinál ±15 % lehet. 22

29 Magát a vizsgált gépet üzemjáratban célszerű működtetni. Üresjárat üzemeltetése akkor megengedett a zajkibocsátás meghatározására, ha a terhelés alatti üzem mellett a reprodukálhatóság nem biztosítható. Mindemellett a zajkibocsátásnak állandónak kell lennie. A mérőfelületnek a hangvisszaverő síkra kell támaszkodnia, amely nem lehet kisebb, mint a mérőfelület vetülete erre a síkra, és körül kell vennie a gépet. Ez a felület a vizsgált gépet magába foglaló derékszögű hasábtól egyenlő d mérési távolságra helyezkedik el, amelyet célszerű 1 m-nek választani. Bizonyos körülmények esetén, ez a távolság akár 0,25 m-ig csökkenthető (pl.: visszavert hangok, alapzaj). Ugyanakkor 1 m-nél nagyobb mérési távolság is választható, ha azt életbiztonsági okok megkövetelik, vagy irányítottsági mutató mérésekor, ill. szabadban történő méréskor. A méréshez használt zajmérőt (mikrofonokat) a mérés előtt és után kalibrálni szükséges, s alkalmasnak kell lenniük szabad hangtérben történő mérésre. A mikrofonok és a zajforrás között nem lehet olyan tárgy, amely a hangteret torzítja. Mivel a zajforrás irányított sugárzással bír, ezért nem elegendő egyetlen pontban mérni, legalább 8 mérési pontot célszerű megválasztani. Minden mérési pontban mérni kell az A-hangnyomásszintet, s ha ezen értékek közötti különbség meghaladja a 8 db-t, akkor a mérési pontok számának megkétszerezése szükséges [16]. Mérésemhez félgömb alakú mérőfelületet választottam d=1 m-es mérési távolsággal n=9 db mérési ponttal, amelyet az ábra szemléltet. A mérés során az alapzajt ugyanazokban a mérési pontokban meg kell mérni, mint a vizsgált gép zaját. Az alapzaj oka lehet légáramlás, elektrosztatikus vagy mágneses tér hatása, vagy esetleg más zajforrás. Ha az alapzaj szintje 10 db-el kisebb, mint a vizsgált gép hangnyomásszintje, akkor figyelmen kívül hagyható. Ellenkező esetben a zajteljesítmény-szint az adott mérési módszerrel nem határozható meg. Ha az alapzaj értéke 6-10 db érték között van, akkor pedig a korrekciós értékeket figyelembe kell venni a számításoknál. A mérési eredményeket természetesen fel kell tüntetni a mérési jegyzőkönyvben, amely még a továbbiakat is tartalmazza: a vizsgált gép megnevezése, típusa, jellemzői, üzemeltetési módja a mérés alatt, a mérés módszere, mérőeszközökre 23

30 jellemző fontosabb adatok, mért mennyiségek, valamint a mérési eredményekből kiszámított értékek [16] ábra: Alkalmazott burkoló mérési felület [16] 1.7. A rezgésmérésre vonatkozó főbb előírások A mindennapi életben használatos gépek, berendezések állapot-felügyelete többféleképpen történhet. Egy forgógép alapvetően három mozgás-egységből tevődik össze, amelyek nevezetesen az állórész, a forgórész, valamint a közöttük beépített csapágyazás. Egy adott készülék meghibásodása többek között a csapágyak elhasználódásából is származhat. A csapágyak elhasználódásának következménye a fokozódó súrlódási veszteség miatt bekövetkező nagyobb hőtermelés. Ezért kézenfekvő megoldás, hogy az állapotfelmérésre a XXI. század egyik legkorszerűbb eszközét, a kőkamerát használják. A csapágyak felületéről készített hőképet régebbi mérési eredményekkel összehasonlítva, a várható karbantartás ideje prognasztizálható. Az állapotfelmérés egyik legelterjedtebb módszere, a zajmérés mellett mégis a rezgésgyorsulás mérése. Ennek az eljárásnak az a lényege, hogy a vizsgálandó szerkezetet szétszerelés nélkül, üzem közben diagnosztizáljuk. A vizsgálat során első lépésben a rezgésérzékelőt a házra, illetve annak csapágykörnyezetére kell illeszteni. Ezt követően a csapágy által a házra átadódó rezgésgyorsulás vízszintes, függőleges és axiális irányú mérésére kerül sor. Összességében megállapítható, hogy a gépállapot 24

31 felmérésére a csapágyak hibafrekvenciája miatt a rezgésgyorsulást célszerű figyelembe venni. A mérési pontokat a készüléken mindig a csapágy környezetében kell kiválasztani (1.11. ábra). A mérést radiális vízszintes, radiális függőleges és axiális irányban kell elvégezni. Abban az esetben, ha legalább 3 csatornás mérőeszköz és 3 gyorsulásérzékelő áll rendelkezésre, célszerű a három irányban egyidejűleg mérni. Egycsatornás mérőeszköz esetében az egyes irányokban külön-külön kell a vizsgálatot elvégezni [16] ábra: Mérési pontok felvétele rezgésméréshez [16] A mérési pontok kiválasztása után a következő lépés az érzékelő felerősítése az adott gép felületére. Több felerősítési megoldás közül választhatunk, amelyek egyaránt rendelkeznek előnnyel és hátránnyal. Az egyik legfontosabb irányelv, hogy úgy válasszunk rögzítési módszert, hogy az adott mérés értékelhető legyen, a valós rezgésnek megfelelő végeredmény szülessen. Az első szempont az, hogy a kívánt mérési irány az érzékelő érzékenységi tengelyével egybeessen. A következő lépés az érzékelő felerősítése a vizsgálati helyre úgy, hogy a legjobb mérési eredményt érjük el [16]. Az alábbi megoldások közül választhatunk: tapintó csúcs; méhviaszos ragasztás; mágneses rögzítés; műgyantás ragasztás; 25

32 menetes rögzítés; szegecsanya. Gazdasági szempontból a legegyszerűbb megoldás a tapintó csúcs alkalmazása, mivel rendkívül olcsó, gyorsan áthelyezhető, valamint nem eredményez maradandó károsodást. Hátránya az, hogy trendet nem szabad készíteni vele, hiszen az érzékelő és a mérendő felület közötti összeszorító erő befolyásolja a mérést. Legnagyobb szerepe a mérési hely kiválasztásánál, próbaméréseknél van. A méhviaszos ragasztás már jobb megoldásnak tűnhet, de figyelni kell arra, hogy a viasz vastagsága közel állandó értéken maradjon. Előnye, hogy egyszerűen kivitelezhető, hátránya azonban, hogy a gép működtetése során a viasz könnyen megolvadhat. Tiszta felületen kb. 100 m/s 2 gyorsulásig alkalmazható. Számos előnyeinek köszönhetően a mágneses rögzítés az egyik legnépszerűbb megoldási módszer. Tiszta, egyszerű, nem okoz semmilyen károsodást az adott berendezésen, valamint akár 6-8 khz-ig is használható. Hátrányai közé tartozik, hogy ferromágneses anyagból készült csapágyház esetében nem alkalmazható, valamint a mérendő felület általában hengeres kialakítású. Másrészt a festékréteget is el kell távolítani a jó mérés érdekében. Alkalmazhatósági tartománya m/s 2. Ha hosszú távon kell diagnosztizálni egy berendezését, kiváló megoldás lehet a felragasztott talpas csap használata. Ezzel a megoldással a mérés reprodukálhatósága biztosítható, hiszen minden mérés esetén pontosan ugyanarra a helyre kerül fel. A gép felületéhez kemény ragasztóval kell rögzíteni, amelyre a műgyanta alapú ragasztók kiválóan megfelelnek. Másik nagy előnye, hogy a teljes hangfrekvenciás tartományban jól használható, akár még az ultrahang tartományban is. Viszont maradandó károsodást okoz a felület előkészítése, valamint a mérésre csak a ragasztó megkötése után kerülhet sor. A menetes rögzítés az ideális szerelési eljárás síkfelületre. A rezgés csatolása tökéletesebbé válik, ha a felületek közé összecsavarás előtt vékony zsírréteget kenünk. Így lehetővé tehető, hogy akár khz-es frekvenciatartományban mérhessünk [16]. Az egyik legtartósabb és legerősebb menethosszt a szegecsanya (1.12. ábra) garantálja. A megfelelő átmérőjű furatba helyezve, húzó szerszámmal meghúzva a hordozójába rögzítve, teste megroppan, így válik stabillá. Előnyei, hogy nehezen hozzáférhető helyeken is használható, teherbíró és megbízható anyamenetet biztosít, nem szükséges hegesztés, nem okoz kárt a munkadarabon, csupán egyoldali hozzáférést követel 26

33 meg a szerelése. Hátránya, hogy a szabványosított szegecsanyák behatárolt átfogási tartománnyal rendelkeznek [17] ábra: Szegecsanyák, mint kötőelemek [18] 27

34 2. ZAJMÉRÉSEK KIVITELEZÉSE Az akusztikai mérést a Miskolci Egyetem Gép- és Terméktervezési Intézet félsüket szobájában végeztem el november 03-án. A cél 3 db porszívófej zajteljesítmény-szintjének meghatározása volt három különböző szívási teljesítmény mellett. Ehhez az ismert burkolófelületes eljárásnak megfelelően 9 db mérési pontban 1 méteres távolságban megmértem a porszívófejek hangnyomásszintjeit. Maga a porszívó a mérési helyiségen kívül helyezkedett el, így motorjának zavaró hatását, mint mechanikai jellegű zajt kiküszöböltem. A porszívót a fejekhez egy 40 mm-es átmérőjű műanyag csővel csatlakoztattam, amelybe beépítésre került egy Prandtl-cső. A Prandtl-csőre azért volt szükség, hogy a műanyag csőben egy nyomásmérő műszer (Testo 445) segítségével regisztráljam a nyomásváltozást, amelyből számítható az áramlási sebesség. Ezen felül a műszer segítségével magukban a porszívófejekben is meghatároztam a kialakuló vákuumot. A hangnyomásszint mérés Brüel&Kjaer Observer 2260-as típusú integráló zajmérővel, valamint tercsávos elemzővel történt. A mért értékekből az alkalmazott [19] szabványban előírt összefüggésekből térbeli átlagértékeket, majd zajteljesítmény-szinteket számoltam. Maga a mérési elrendezés az 2.1. ábrán tekinthető meg. A vizsgálat-sorozatot a szabvány által erre a célra előírt mérő szőnyegen, valamint sima padló felületen is elvégeztem ábra: Mérési elrendezés fél-süket szobában [szerző saját szerkesztése] 28

35 A mérés során, a legalacsonyabb fordulatszámon nem volt probléma, viszont a porszívó szívási teljesítményének növelésével a PVC csőnek is kialakult nem elhanyagolható zaja, amely főleg a csatlakozási pontokban, ill. a könyöknél volt észlelhető a keresztmetszet változás miatt. Ezért a csövet a 2.2. ábra szerint hangszigetelő anyaggal burkoltam, hogy a csővezeték saját zaját, mint zajforrást kiküszöböljem ábra: Leszigetelt PVC cső zajkiküszöbölés céljából [szerző saját szerkesztése] A mérés megkezdése előtt megtörtént a műszerek kalibrálása, valamint a meteorológiai viszonyok rögzítése. A hőmérséklet 23,9 0 C; a nyomás 1051,6 hpa; a levegő páratartalma pedig 61 % volt. Ezeket a mennyiségeket Drahtlose Touch- Screen Interactive Wetterstation műszerről olvastam le. Ezt követően elvégeztem a mérést, amelyhez a porszívót a fejekkel együtt az Electrolux Kft. biztosította. Az alkalmazott porszívó Electrolux Vol.1 Type, sorozatszáma: , maximális teljesítménye 2200 W. A porszívófejeket a következő ábrák szemléltetik (továbbiakban használatos elnevezések 1. porszívófej (2.3. ábra), 2. porszívófej (2.4. ábra), 3. porszívófej (2.5. ábra)): 29

36 2.3. ábra: Az Electrolux Kft. által biztosított 1. porszívófej [szerző saját szerkesztése] 2.4. ábra: 2. porszívófej [szerző saját szerkesztése] 2.5. ábra: A legösszetettebb geometriájú 3. porszívófej [szerző saját szerkesztése] A mérés elrendezését, valamint a kalibrálást követően megmértem az alapzajt, amely 17,7 db volt. Mivel az alapzaj minden mért értéknél több mint 10 db-el kisebb volt, ezért hatásától a mérés kiértékelésénél eltekinthetünk. Az alapzaj mérését követően a kiválasztott 9 db mérési pontban a porszívó készülék üzemmeleg állapotában, másodperces időintervallumokban egyenértékű A- hangnyomásszinteket mértem. 30

37 Mint ahogy már fentebb említettem, a zajmérés a Brüel&Kjaer Observer 2260-as integráló típusú zajmérő műszerrel történt (2.6. ábra), amelyeket az alábbiak jellemeznek: Az Observer 2260-as típusú műszer egy hangnyomásszint-mérő és zajelemző eszköz, amely megfelel az új IEC zajszintmérő szabványnak, továbbá a régebbi IEC szabványoknak és a legújabb ANSI szabványoknak is. Ez a típus akár tovább bővíthető korszerű alkalmazásokkal, főleg a 2260-as típusú termékcsaládból, s így alkalmas lehet hangintenzitás mérésére, épületek akusztikai mérésére és FFT elemzésre [20]. A műszer alkalmas [20]: környezeti zajok értékelésére; 1 oktávos vagy 1/3 oktávsávos elemzésekre; zajmonitorozásra; hang csökkentésére irányuló tevékenységek értékelésére; összegyűjtött adatok további elemzésére; kutatásra és fejlesztésre; utózengési idő mérésére (csak BZ 7220-as bővítménnyel). Tulajdonságai [20]: megfelel a fentebb említett szabványoknak (IEC, ANSI stb.); 1/3-ad oktávsávos elemzés esetén 6,3 Hz 20 khz frekvenciatartomány; online feliratozás és adatkizárás; hangfelvételek ellenőrzése PC-n; modemes kapcsolattal távvezérlés; BZ 7220-as bővítménnyel szélessávú átlagos utózengési idő számítása, illetve a hanyatlási görbék és utózengési idő megjelenítése. A mérés alapvetően rendkívül egyszerű ezzel a műszerrel, hiszen a 4 alapgombbal irányítható (kezdés, szünetel, megállít, tárol gombok). A műszer rengeteg paraméter beállítását biztosítja, azonban mi adhatjuk meg, milyen név alatt tárolja el az általunk beállított paramétereket, amely hasznos lehet visszatérő, speciális feladatok esetében. Ha sok mérést végzünk egy helyszínen, akkor dokumentálni kell a mérési feltételeket, fontos, hogy a mérés reprodukálható legyen, amely akár magába foglalja a hangforrások vizuális azonosítását is. 31

38 Előnye még ennek a típusnak, hogy képes online adat feliratozásra, és a tényleges hang átvihető számítógépre [20]. Testo 445 típusú nyomásmérő műszer (2.7. ábra): Ez egy klímatechnikai mérőműszer, amelynek segítségével regisztráltam a porszívót és a fejet összekapcsoló PVC csőben kialakuló nyomásváltozást, valamint a fejben kialakuló vákuumot. Tulajdonképpen ezzel a műszerrel hőmérséklet, relatív páratartalom, harmatpont, abszolút páratartalom, páratartam, entalpia, térfogatáram, nyomás és beltéri levegő minősége mérhető. Az eszköz egyik előnye, hogy párhuzamosan akár 6 mérési paramétert is mérhetünk vele [21]. A mérés előtt a műszert természetesen kalibrálni kellett, amely a porszívó bekapcsolása előtt megtörtént. Az így kapott nyomásváltozás és a vákuum értéke 15 másodperces időintervallumra vonatkozó átlagérték ábra: Brüel&Kjaer Observer 2260 [szerző saját szerkesztése] 2.7. ábra: Testo 445 [szerző saját szerkesztése] A zajteljesítmény-szint meghatározására fókuszáló mérésen kívül egy másik vizsgálatot is végeztem, melynek célja a hangnyomásszinteknek a frekvenciatartományban történő kiértékelése volt. Ebben az esetben az egyszerűség kedvéért csak egyetlen pontban mértem a porszívófejtől 1 méteres távolságban, s leolvastam a műszerről a tercsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomásszinteket. A vizsgálatot mindhárom porszívófej esetén elvégeztem a fordulatszám maximális állásában. A méréshatár 10,8 db és 90,8 db értékek között került beállításra. A mérési elrendezést a 2.8. ábra szemlélteti. 32

39 2.8. ábra: Tercsávos mérési elrendezés [szerző saját szerkesztése] A méréshez használt szabványos szőnyeg jellemzőit az M1-es mellékletben olvashatjuk. 33

40 3. ZAJTELJESÍTMÉNY-SZINT MEGHATÁROZÁSÁRA FÓKUSZÁLÓ MÉRÉSI EREDMÉNYEK ELEMZÉSE 3.1. táblázat: Mérési eredmények hangnyomásszintekre [szerző saját szerkesztése] L p [db] porsz.fej n fej +szőnyeg 1. fej -szőnyeg Kis 54,3 47,9 49,1 48,2 51,5 51,2 51,1 50,4 56,1 Közép 61,1 59,4 57,4 59,0 59,9 59,8 60,1 59,9 61,3 Nagy 65,7 63,8 62,0 63,6 65,6 65,4 65,1 64,9 65,8 Kis 51,7 55,4 57,9 55,4 52,1 52,5 54,1 50,8 52,6 Közép 63,3 59,9 58,6 59,0 62,2 61,8 61,1 60,9 65,5 2. fej +szőnyeg Nagy 69,9 64,2 63,1 63,3 66,7 66,4 65,8 65,4 69,8 Kis 48,3 45,1 49,2 44,3 46,5 45,7 46,7 47,1 48,3 Közép 60,1 57,8 62,5 55,8 59,7 59,8 60,4 60,3 61,4 Nagy 64,4 61,7 66,0 60,0 63,3 62,7 63,7 63,3 65,3 2. fej -szőnyeg Kis 52,0 49,7 53,9 48,4 51,3 50,8 50,1 50,4 53,5 Közép 63,8 60,9 65,0 59,4 62,3 61,8 62,0 62,2 64,5 Nagy 66,6 63,7 69,0 62,6 65,1 65,0 65,5 65,5 68,1 3. fej +szőnyeg Kis 47,7 46,1 49,4 46,0 45,4 46,3 43,6 42,8 41,5 Közép 58,7 58,2 60,8 58,1 56,7 58,4 55,3 53,8 53,2 Nagy 61,9 62,5 65,7 61,9 59,9 61,0 59,4 56,8 56,9 3. fej -szőnyeg Kis 48,8 47,1 51,3 46,6 47,3 48,1 46,2 46,4 46,7 Közép 60,2 57,8 62,9 57,5 59,4 59,6 57,4 57,4 56,1 Nagy 64,8 63,2 68,0 62,9 63,2 63,7 62,1 61,8 61,4 34

41 A mérési eredményeket a hangnyomásszintekre vonatkoztatva a fenti táblázat tartalmazza, a regisztrált nyomásváltozásokat, valamint a vákuumban kialakuló nyomásértékeket a 3.2. táblázatban olvashatjuk. A mért alapzaj 17,7 db volt táblázat: Mérési eredmények nyomásokra [szerző saját szerkesztése] porszívófej n [1/s] Dp [hpa] p v [hpa] 1. fej szőnyeggel 1. fej szőnyeg nélkül 2. fej szőnyeggel 2. fej szőnyeg nélkül 3. fej szőnyeggel 3. fej szőnyeg nélkül kis 0,06 0,21 közepes 0,15 0,70 nagy 0,24 1,16 kis 0,04 0,19 közepes 0,14 0,65 nagy 0,23 1,11 kis 0,04 0,14 közepes 0,12 0,48 nagy 0,22 0,80 kis 0,04 0,13 közepes 0,12 0,43 nagy 0,21 0,74 kis 0,04 0,22 közepes 0,12 0,75 nagy 0,21 1,22 kis 0,04 0,14 közepes 0,13 0,48 nagy 0,22 0, Mérési eredmények kiértékelése A Testo 445 nyomásmérő műszer segítségével a műanyag csőben mért nyomásváltozásból az alábbi képlettel kiszámítható az áramlási sebesség: v = 2 (p T p s ) ρ k = 2 p ρ k, (3.1.) ahol: v: áramlási sebesség [m/s]; p T : teljes nyomás [Pa]; p S : statikus nyomás [Pa]; 35

42 ρ k : a közeg sűrűsége [kg/m 3 ]. Ezzel az összefüggéssel a kis, közepes és nagy fordulatszámokhoz tartozó áramlási sebességek (A képletbe Dp helyére a 3.2. táblázatban szereplő értékek matematikai átlagát helyettesítettem be): 2 4,3 Pa v 1 = 1,2 kg m 3 = 2,7 m s ; 2 13 Pa v 2 = 1,2 kg m 3 = 4,7 m s ; 2 22 Pa v 3 = 1,2 kg m 3 = 6,1 m s. Az átlagos hangnyomásszintek a szabványban szereplő összefüggéssel határozhatók meg: L m = 10 lg ( 1 n 100,1 L i), n i=1 (3.2.) ahol: L m : az átlagos hangnyomásszint [db]; L i az i-edik mérési pontban mért hangnyomásszint [db]; n: mérési pontok száma. Az 1. porszívófej esetében (szőnyeg nélkül) a térbeli átlagérték: L m = 10 lg [ 1 9 (105, , , , , , , , ,26 )] = 54 db. Az átlagos hangnyomásszint megegyezik az intenzitásszinttel: L m = L I = 54 db. Az intenzitásszintből számítható az intenzitás: I = I ,1 L I, (3.3.) 36

43 ahol: I: a kérdéses pontban az intenzitás [W/m 2 ]; I 0 : referenciaérték [=10-12 W/m 2 ]; L I : intenzitásszint [db]. Így ez az 1. fej esetében (szőnyeg nélkül): I = ,4 = 2, W m 2. A hangintenzitásból az alábbi képletekkel számíthatjuk a hangteljesítményt, továbbá a zajteljesítmény-szintet: P = I A 1 + ρ = I 4r2 π 1 + ρ, (3.4.) L W = 10 lg P P 0, (3.5.) ahol: P: hangteljesítmény [W]; I: hangintenzitás [W/m 2 ]; P 0 : referenciaérték/viszonyítási alap [=10-12 W]; L W : zajteljesítmény-szint [db]; A: az a felület, ahol a hangteljesítmény áthalad [m 2 ]; ρ: visszaverődési tényező [-]. Tehát esetünkben: P = 2, W m 2 4 1m 2 π = 1, W, L W = 10 lg 1, W W = 62 db. Mindegyik porszívófej esetében minden esetben ezekkel az összefüggésekkel határoztam meg az átlagos hangnyomásszinteket, valamint a zajteljesítményszinteket. Mint ahogy a képletekből is kiderül, acél felületen ρ=1 visszaverődési tényezővel kalkuláltam, azonban szőnyeg esetében ez az érték csupán 0,5; így ennek megfelelően végeztem el a számításokat. 37

44 Mérési eredmények kiértékelése az 1. porszívófej esetén Az 1. porszívófej (szőnyeggel, illetve szőnyeg nélkül) fontosabb akusztikai jellemzőit az alábbi táblázatok tartalmazzák: 3.3. táblázat: 1. porszívófej akusztikai jellemzői szőnyegen [szerző saját szerkesztése] v [m/s] L m [db A ] I [W/m 2 ] P [W] L W [db A ] 2,7 52 1, , , , ,1 65 3, , táblázat: 1. porszívófej akusztikai jellemzői padlón [szerző saját szerkesztése] v [m/s] L m [db A ] I [W/m 2 ] P [W] L W [db A ] 2,7 54 2, , ,7 62 1, , ,1 67 5, , porszívófej zajteljesítmény-szintjei LW [db] ,7 4,7 6,1 v [m/s] Szőnyeg mellett Szőnyeg nélkül 3.1. ábra: 1. porszívófej zajteljesítmény-szintjei [szerző saját szerkesztése] Az akusztikai jellemzőket tartalmazó táblázatokból, valamint a zajteljesítményszinteket ábrázoló 3.1. ábrából jól látható, hogy a sebesség növekedésével fokozatosan nőttek a zajteljesítmény-szintek is. Szőnyeg mellett és padlón is 8 db és újabb 5 db növekedést tapasztaltunk a sebesség növekedésének irányában. Azt is megállapíthatjuk, hogy festett acél felületen magasabb zajteljesítményszintet hozott létre a fej, mint szőnyeg esetében (~1 db értékkel magasabb). 38

45 3.5. táblázat: Zajteljesítmény-szintek növekedési üteme az 1. fejnél [szerző saját szerkesztése] Sebesség [m/s] 2,7 4,7 6,1 szőnyeggel [db] szőnyeg nélkül [db] növekedés [db] növekedési arány 1,26 1,26 1,26 A 3.5. táblázatban szereplő értékekből láthatjuk azt, hogy a legmagasabb szívási teljesítmény esetén az 1. fej 74 db zajszinttel rendelkezik szőnyegen történt mérésnél, 75 db-el pedig festett acél felületen végzett mérés esetében. A szintképzés szabályainak megfelelően P 0 =10-12 W referenciaértékre vonatkoztatva számoljuk vissza a zajteljesítmény-szinteket (ezeket az értékeket az akusztikai jellemzőket tartalmazó táblázatok is tartalmazzák): P szőnyeg = ,4 = 2, W P padló = ,5 = 3, W A többszöröződés nagysága: P padló P szőnyeg = 3, , = 1,26 A továbbiakban vizsgáljuk meg azt, hogy festett acél felületen végzett mérés esetében milyen növekedést produkáltak az 1. fej zajszintjei a fordulatszám növelésének irányában. Láthatjuk azt, hogy a zajteljesítmény-szintek növekedési ütemei DL 1 =8 db és DL 2 =5 db értékek voltak. A szintképzés szabályainak megfelelően P 0 =10-12 W referenciaértékre vonatkoztatva az akusztikai teljesítmények: P padló1 =1, W; P padló2 =9, W; P padló3 =3, W értékek. Ennek megfelelően a DL 1 =8 db~6,3-szoros és a DL 2 =5 db~3,2-szeres növekedésnek felel meg, miközben az áramlási sebességek növekedése mindössze 2,3 és 1,3 arányt takarnak. Ezen kívül a 3.5. táblázatból azt is láthatjuk, hogy az 1. fej esetében a zajteljesítmények többszöröződése ugyanakkora arányban változott Mérési eredmények kiértékelése a 2. porszívófej esetén A 2. porszívófej (szőnyegen, illetve festett acél felületen) fontosabb akusztikai jellemzőit az alábbi táblázatok tartalmazzák: 39

46 3.6. táblázat: 2. porszívófej akusztikai jellemzői szőnyegen [szerző saját szerkesztése] v [m/s] L m [db A ] I [W/m 2 ] P [W] L W [db A ] 2,7 47 5, , , , ,1 64 2, , táblázat: 2. porszívófej akusztikai jellemzői padlón [szerző saját szerkesztése] v [m/s] L m [db A ] I [W/m 2 ] P [W] L W [db A ] 2,7 51 1, , , , ,1 66 3, , porszívófej zajteljesítmény-szintjei LW [dba] ,7 4,7 6,1 v [m/s] Szőnyeg mellett Szőnyeg nélkül 3.2. ábra: 2. porszívófej zajteljesítmény-szintjei [szerző saját szerkesztése] A 2. porszívófejnél ugyanazt tapasztaltuk, mint az 1.-nél, ugyanis a sebesség növekedésével itt is nőttek a zajteljesítmény-szintek. Festett acél felületen ez a növekedés 12 db és újabb 3 db, szőnyeg esetén pedig 13 db és újabb 4 db értékek voltak, természetesen a sebesség növelésének irányában. Viszont ezekből az értékekből azt is megállapíthatjuk, hogy a zajteljesítmény-szintek növekedési üteme magasabb volt szőnyeggel, mint anélkül. 40

47 3.8. táblázat: Zajteljesítmény-szintek növekedési üteme a 2. fejnél [szerző saját szerkesztése] Sebesség [m/s] 2,7 4,7 6,1 szőnyeggel [db] szőnyeg nélkül [db] növekedés [db] növekedési arány 2 1,58 1,26 A 3.8. táblázatban szereplő értékekből láthatjuk azt, hogy a legalacsonyabb szívási teljesítmény esetén a 2. fej 56 db zajszintet hozott létre szőnyegen történt mérésnél, 59 db-el pedig a festett acél felületen végzett mérés esetében. A szintképzés szabályainak megfelelően P 0 =10-12 W referenciaértékre vonatkoztatva számoljuk vissza a zajteljesítmény-szinteket (ezeket az értékeket az akusztikai jellemzőket tartalmazó táblázatok is tartalmazzák): P szőnyeg = ,6 = 3, W P padló = ,9 = 7, W A többszöröződés nagysága: P padló = 7, P szőnyeg 3, = 2 Vizsgáljuk meg azt, hogy szőnyegen végzett mérés esetében milyen növekedést produkáltak az 2. fej zajszintjei a fordulatszám növelésének irányában. Láthatjuk azt, hogy a zajteljesítmény-szintek növekedési ütemei DL 1 =13 db és DL 2 =4 db értékek voltak. A szintképzés szabályainak megfelelően P 0 =10-12 W referenciaértékre vonatkoztatva az akusztikai teljesítmények: P szőnyeg1 =3, W; P szőnyeg2 =8, W; P szőnyeg3 =2, W értékek. Ennek megfelelően a DL 1 =13 db~21-szeres és a DL 2 =4 db~2,5-szörös növekedésnek felel meg, miközben az áramlási sebességek növekedése mindössze 2,3 és 1,3 arányt takarnak Mérési eredmények kiértékelése a 3. porszívófej esetén A 3. porszívófej (szőnyegen, illetve festett acél felületen) fontosabb akusztikai jellemzőit az alábbi táblázatok tartalmazzák: 41

48 3.9. táblázat: 3. porszívófej akusztikai jellemzői szőnyegen [szerző saját szerkesztése] v [m/s] L m [db A ] I [W/m2] P [W] L W [db A ] 2,7 46 3, , ,7 58 6, , ,1 61 1, , táblázat: 3. porszívófej akusztikai jellemzői padlón [szerző saját szerkesztése] v [m/s] L m [db A ] I [W/m2] P [W] L W [db A ] 2,7 48 6, , ,7 59 7, , ,1 64 2, , porszívófej zajteljesítmény-szintjei LW [dba] ,7 4,7 6,1 v [m/s] Szőnyeg mellett Szőnyeg nélkül 3.3. ábra: 3. porszívófej zajteljesítmény-szintjei [szerző saját szerkesztése] Ennél a porszívófejnél is ugyanazt tapasztaltuk, mint az előző kettőnél, vagyis a sebesség növekedésével a zajteljesítmény-szintek is növekedtek egyaránt szőnyegen (12 db és újabb 3 db), és festett acél felületen történt mérés során (11 db és újabb 5 db). Szőnyeg nélkül itt is nagyobb zajteljesítmény-szinteket tapasztaltunk, mint szőnyeg esetében. Ez azzal magyarázható, hogy a szőnyeg elnyeli a magasabb frekvenciájú hangokat, és vastagabb felület esetén ez az elnyelés még nagyobb lenne. Azonban a szívófej ettől eltérően viselkedett a közepes szívási teljesítmény esetében, hiszen ugyanakkora zajszintet mutatott szőnyegen, mint az acél felületen. Ez a visszaverődési tényezőnek köszönhető, 42

49 hiszen szőnyegen csak ρ=0,5-ös értékkel számoltam. Ezt az értéket nagymértékben befolyásolja a gerjesztés, illetve a szőnyeg vastagsága is táblázat: Zajteljesítmény-szintek növekedési üteme a 3. fejnél [szerző saját szerkesztése] Sebesség [m/s] 2,7 4,7 6,1 szőnyeggel [db] szőnyeg nélkül [db] növekedés [db] növekedési arány 1,26 0 1,58 A táblázatban szereplő értékekből láthatjuk azt, hogy a legmagasabb szívási teljesítmény esetén az 3. fej 70 db zajszinttel rendelkezik szőnyegen történt mérésnél, 72 db-el pedig festett acél felületen végzett mérés esetében. A szintképzés szabályainak megfelelően P 0 =10-12 W referenciaértékre vonatkoztatva számoljuk vissza a zajteljesítmény-szinteket (ezeket az értékeket az akusztikai jellemzőket tartalmazó táblázatok is tartalmazzák): P szőnyeg = ,0 = 10 5 W P padló = ,2 = 1, W A többszöröződés nagysága: P 5 padló 1,58 10 = = 1, 58 P szőnyeg 10 5 Vizsgáljuk meg azt, hogy szőnyegen végzett mérés esetében milyen növekedést produkáltak az 3. fej zajszintjei a fordulatszám növelésének irányában. Láthatjuk azt, hogy a zajteljesítmény-szintek növekedési ütemei DL 1 =12 db és DL 2 =3 db értékek voltak. A szintképzés szabályainak megfelelően P 0 =10-12 W referenciaértékre vonatkoztatva az akusztikai teljesítmények: P szőnyeg1 =3, W; P szőnyeg2 =5, W; P szőnyeg3 =1, W értékek. Ennek megfelelően a DL 1 =12 db~16-szoros és a DL 2 =3 db~2-szeres növekedésnek felel meg, miközben az áramlási sebességek növekedése mindössze 2,3 és 1,3 arányt takarnak Mérési eredmények összehasonlítása A továbbiakban a 3 db porszívófej zajteljesítmény-szintjeit hasonlítom össze szőnyegen, és festett acélfelületen végzett mérés esetében. Az összehasonlítás 43

50 során azt is vizsgálom, hogy az egyes porszívófejeknek hogyan változott az akusztikai teljesítménye Zajteljesítmény-szintek összehasonlítása szőnyegen végzett mérés során táblázat: Zajteljesítmény-szintek összehasonlítása szőnyegen [szerző saját szerkesztése] Porszívófejek v [m/s] L W [db] 2, fej 4,7 69 6,1 74 2, fej 4,7 69 6,1 73 2, fej 4,7 67 6,1 70 Porszívófejek zajteljesítmény-szintjei szőnyegen LW [dba] ,7 4,7 6,1 v [m/s] 1. fej 2. fej 3. fej 3.4. ábra: Porszívófejek zajteljesítmény-szintjei szőnyegen [szerző saját szerkesztése] 44

51 Az összesítő táblázatból, illetve a 3.4. ábrából jól látható, hogy mindhárom porszívófej zajteljesítmény-szintje növekedett az áramlási sebesség növekedésével. Ezenkívül megállapíthatjuk, hogy az 1. jelű porszívófej esetén tapasztalható a legnagyobb zajteljesítmény-szint, valamint a legösszetettebb 3. geometriájú fej terheli legkisebb zajjal a környezetet. Továbbá az akusztikai teljesítményekről az alábbiak mondhatók el: Mialatt a porszívón a legkisebb fordulatszámot a maximális állásba állítottuk, addig a zajszint DL = 13 db értékkel növekedett az 1. fej esetén. A legalacsonyabb álláson az akusztikai teljesítmény 1, W volt, s ez 2, W értékre növekedett. Tehát a többszöröződés nagysága: P max 2, = = 20,1 P min 1, Megállapíthatjuk, hogy az 1. fej esetében az akusztikai teljesítmény hozzávetőleg 20-szorosára növekedett, amely már nem elhanyagolható többszöröződésnek felel meg, s e közben az áramlási sebesség (v 3 /v 1 ) csupán 2,4-szeresére nőtt. A második fej esetében a zajszint DL=17 db értékkel növekedett, amely jelentős ~50-szeres növekedési arányt takar a zajteljesítményeket illetően (3. fej esetén DL=15 db~32-szörös arány) Zajteljesítmény-szintek összehasonlítása festett acél felületen végzett mérés során Festett acél felületen végzett mérés esetében is hasonlókat tapasztaltam, mint szőnyegen, ugyanis a porszívófejek a fordulatszám növelésének irányában szintén magasabb zajteljesítmény-szintet keltettek. Továbbá a legegyszerűbb geometriájú 1. jelű porszívófej terheli legnagyobb zajjal a környezetet. Szőnyeg nélkül, 6,1 m/s áramlási sebesség mellett 75 db-es zajszinttel rendelkezik, amely már nem elenyésző hatással bír a környezetre nézve. A mérési eredményekből számított zajteljesítmény-szint értékeket a táblázatban és a 3.5. ábrán tanulmányozhatjuk. 45

52 3.13. táblázat: Zajteljesítmény-szintek összehasonlítása padlón [szerző saját szerkesztése] Porszívófejek v [m/s] L W [db] 2, fej 4,7 70 6,1 75 2, fej 4,7 71 6,1 74 2, fej 4,7 64 6,1 72 Porszívófejek zajteljesítmény-szintjei festett acél felületen LW [dba] ,7 4,7 6,1 v [m/s] 1. fej 2. fej 3. fej 3.5. ábra: Porszívófejek zajteljesítmény-szintjei festett acél felületen [szerző saját szerkesztése] 46

53 Információk az akusztikai teljesítmények változásáról: A fordulatszám minimális és maximális állása között a zajszint az 1. jelű porszívófej esetében DL=13 db értékkel változott. Ez hozzávetőleg 20-szoros növekedésnek felel meg a teljesítményeket illetően. A 2. fej esetében DL=15 db~32-szeres, a 3. fejnél DL=16 db megközelítően 40-szeres növekedést produkált az akusztikai teljesítmény szempontjából. Tehát a legnagyobb növekedés a 3. fejnél tapasztalható. Összességében megállapítható, hogy a legegyszerűbb geometriai kialakítású, 1. jelű porszívófej terheli legnagyobb zajjal a környezetet, miközben a legösszetettebb konstrukciójú, 3. jelű szívófej a legcsendesebb. Viszont a legnagyobb növekedési ütem a 3. fejnél tapasztalható. 47

54 4. TERCSÁVOS ZAJMÉRÉS KIÉRTÉKELÉSE A zajteljesítmény-szint meghatározására fókuszáló mérésen kívül a szívófejeken egy másik vizsgálatot is végeztem, amelynek célja tercsávonkénti A- hangnyomásszintek meghatározása volt. Ebben az esetben az egyszerűség kedvéért csak egyetlen pontban mértem, mindhárom porszívófejtől 1 méteres távolságban, és leolvastam a műszerről a tercsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomásszint értékeket. A porszívó készüléket mindhárom fej esetében maximális szívási teljesítmény fokozatban, üzem-meleg állapotban működtettem. Ennek érdekében a vizsgálat előtt 15 perc időtartamig üresjáratban üzemelt a készülék. A mérés elvégzése előtt a laboratóriumban lévő alapzajt is tercsávonkénti méréssel határoztam meg. Ennek eredményeképpen megállapításra került, hogy az alapzaj minden esetben több mint 10 db-el kisebb volt a mért értékektől, így annak hatásától eltekinthetünk. A mérési tartományt 10,8 db és 90,8 db értékek között határoztam meg, továbbá a 125 Hz alatti tercsávokban a zaj mértéke nem volt számottevő. A műszert, illetve annak mikrofonját egy erre a célra alkalmas állványon helyeztem el, ezzel biztosítva mindhárom fej esetében az azonos mérési feltételeket. A vizsgálat során a humán-centrikus mérések esetén előírt A-szűrőt alkalmaztam mindhárom esetben. 48

55 4.1. Alapzaj kiértékelése A 4.1. táblázatból és az ábrából is kitűnik az, hogy az Overall érték 18,1 db, ami közel megegyezik az előző méréssorozatnál tapasztalt alapzajjal, ami 17,7 db volt, vagyis a mérés elfogadható táblázat: Tercsávos hangnyomásszintek alapzajnál [szerző saját szerkesztése] f m [Hz] Alapzaj [db A ] 315 2,2 400 <0, , , , , , , , , , , , , , , , , <0,6 Overall 18,1 49

56 Alapzaj tercsávonkénti A-hangnyomásszintjei 18,1 Lp [dba] ,2 0,6 4 1,5 4,4 4,6 5,1 5,2 6,2 6,1 6,8 7,2 7,2 7,8 6,5 5,4 3,8 2,3 0,6 0 f m [Hz] 4.1. ábra: Tercsávonkénti A-hangnyomásszintek alapzajnál [szerző saját szerkesztése] 4.2. Porszívófejek tercsávonkénti A-hangnyomásszintje szőnyegen végzett mérés esetén A mért 1 méteres tercsávonkénti A-hangnyomásszinteket a 4.2. táblázat tartalmazza. A 4.2. ábra ezen értékeket mutatja diagram formájában, amelyből tisztán látható, hogy az 1. fej terheli legnagyobb zajjal a környezetet. A különbség ugyan nem számottevő, különösen a teljes hangfrekvenciás tartományra nézve, a tercsávonkénti összetevők lefutása azonban sokkal egyenletesebb a 3. jelű fej esetén. Ez egyértelműen a gondosabb mérnöki tervezés, a megfelelőbb áramlási viszonyok biztosításának eredménye. Az f m =400 Hz középfrekvenciájú tercsáv kiemelkedő részét a porszívó készülék forgórészének forgási frekvenciája okozza. A legmagasabb hangnyomásszint értékeket az 1. jelű fej esetén tapasztaltam, az 1250 Hz középfrekvenciájú tercsávban (60,2 db). Az f m =6300 Hz középfrekvenciájú tercsáv esetén mindhárom fej vizsgálata során jól szembe tűnően egy kiemelkedő csúcs látható. Ez feltehetően a porszívó készülék meghajtó egységéből származik, nevezetesen a turbina lapátfrekvenciája okozhatja. Ezt a feltételezést egy FFT vizsgálattal lehetne igazolni. 50

57 4.2. táblázat: Porszívófejek hangnyomásszintjei tercsávos mérésnél szőnyegen [szerző saját szerkesztése] L p [db A ] f m [Hz] 1. fej 2. fej 3. fej ,7 20,1 19, ,3 23,8 22, ,2 35,0 35, ,6 34,8 34, ,8 39,0 38, ,9 43, ,9 45,7 40, ,6 54,7 47, ,0 56,7 51, ,0 53,4 51, ,2 52,7 52, ,2 54,7 51, ,9 52,3 49, ,5 45,1 41, ,1 44,1 39, ,8 37,7 35, ,3 39,3 35, ,6 45,7 40, ,9 39,6 35, ,2 27,8 28, ,2 23,3 22, ,1 19,2 17, ,5 17,5 15,5 Overall 63,5 62,7 59,0 51

58 70 Porszívófejek A-hangnyomásszintjei (szőnyeg) Lp [dba] fm [Hz] 1. fej 2. fej 3. fej 4.2. ábra: Porszívófejek A-hangnyomásszintjei tercsávonként (szőnyegen) [szerző saját szerkesztése] 4.3. Porszívófejek tercsávonkénti A-hangnyomásszintje festett acél felületen végzett mérés során A mérési eredményeket a 4.3. táblázat tartalmazza. Maga a mérési pont megválasztása közel esett a zajteljesítmény-szintek meghatározására fókuszáló mérés 1. mérési pontjához, így az ott mért értékhez közel hasonló érték szükséges a mérés elfogadhatóságához. Az Overall értékek a három fej esetében: 68,1 db; 66,8 db; valamint 63,5 db, amelyek megfelelőek, hiszen az 1. mérési pontokban a mért értékek 69,9 db; 66,6 db és 64,8 db voltak. A 4.3. ábra a porszívófejek tercsávonkénti A-hangnyomásszintjeit ábrázolja, amelyből szintén láthatjuk azt, hogy az 1. jelű porszívófej a legzajosabb, közel 70 db-es nagyságú zajjal terheli a környezetet. Erre a következtetésre az előző típusú, zajteljesítmény-szint meghatározására fókuszáló vizsgálat-sorozat is rávilágított. Ebből a mérésből is látszik, hogy a legösszetettebb geometriájú 3. porszívófej terheli legalacsonyabb zajjal a környezetet, viszont a 63,5 db overall érték szintén zavaró hatású lehet ennél a fejnél is. 52

59 4.3. táblázat: Porszívófejek hangnyomásszintjei tercsávos mérésnél padlón [szerző saját szerkesztése] L p [db A ] f m [Hz] 1. fej 2. fej 3. fej ,3 20,4 18, ,3 23,9 23, ,5 34,7 36, ,0 34,3 37, ,2 38,0 42, ,9 46,8 48, ,9 46,9 44, ,0 54,1 48, ,4 59,8 54, ,2 56,3 53, ,6 55,1 58, ,1 57,7 51, ,0 61,4 51, ,9 49,2 42, ,9 44,6 42, ,0 51,5 43, ,5 46,8 46, ,3 55,7 55, ,2 48,6 51, ,3 41,6 41, ,5 30,9 31, ,8 25,0 30, ,9 26,2 24,8 Overall 68,1 66,8 63,5 53

60 Lp [dba] Porszívófejek A-hangnyomásszintjei (festett acél felület) fm [Hz] 1. fej 2. fej 3. fej 4.3. ábra: Porszívófejek A-hangnyomásszintjei tercsávonként (festett acél felületen) [szerző saját szerkesztése] 54

61 5. NR GÖRBÉK FELVÉTELE ÉS A PORSZÍVÓ KÉSZÜLÉKEK NR JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSA Az NR görbe felvételéhez szükséges méréseket én végeztem el az erre a célra alkalmas laboratóriumban. Ennél a mérési sorozatnál a porszívó is benn volt a helyiségben, hiszen a felhasználót nem csak a szívófejekben kialakuló zaj zavarja, hanem a motorból származó kellemetlen hanghatás is. A vizsgálathoz két különböző típusú porszívót alkalmaztam, az egyik az Electrolux Kft. által gyártott Ultra Silencer, a másik pedig egy LG készülék volt. Az Ultra Silencer fontosabb adatai: US2 típus, sorozatszám, maximális teljesítménye pedig 1800 W. A méréshez használt LG modell: V-C2940ND, maximális szívási teljesítménye 1400 W, zajszintje 80 db A. A felhasznált készülékeket az alábbi, 5.1. és 5.2. ábrán láthatjuk ábra: Ultra Silencer modell [szerző saját szerkesztése] 5.2. ábra: LG típusú készülék [szerző saját szerkesztése] A mérést a Pulse Labshop laboratóriumi mérőszoftver segítségével és egy darab Brüel&Kjaer által gyártott 4189 típusú mikrofonnal végeztem el. A vizsgálat előtt megtörtént a mikrofon kalibrálása, illetve a meteorológiai viszonyok rögzítése. A hőmérséklet 24,3 0 C; a nyomás 989,8 hpa, a levegő nedvességtartalma pedig 56 % volt. Ezeket az értékeket az akusztikai szobában telepített meteorológiai adatokat szolgáltató műszerről olvastam le. A kalibrálást követően mintegy 1,5 méteres magasságba helyeztem el a mikrofont a felszíntől. Ez kb. az emberi fül magasságával egyezik meg, s ezzel a távolsággal a valóság is idealizálható, hiszen porszívózás közben a kellemetlen zajt a hallószervünkkel érzékeljük. Mindemellett a vonatkozó előírások is az 1,5 m-es mérési távolságot szabják meg. Maga a mikrofon a géptől szintén 1,5 m-re helyezkedett el. A mérést az erre a célra előírt szabványos szőnyegen végeztem el, az Ultra Silencer porszívó 55

62 esetében a legkisebb és a legnagyobb szívási teljesítmény mellett is. Az LG készülék viszont nem volt teljesítmény szabályozható, ezért ebben az esetben csak egyetlen mérés történt. A laboratóriumi mérési elrendezést az 5.3. ábra szemlélteti: 5.3. ábra: Laboratóriumi mérési elrendezés NR görbe felvételéhez [szerző saját szerkesztése] Az eredményeket a Pulse Labshop szoftveren tekinthettük meg, ahol egy valós idejű színképet láthattunk a frekvencia és a hangnyomás függvényében. A mérési tartományt 0 Hz - 6,4 khz között állítottam be. A szoftver a spektrumot 6400 vonalból hozta létre. Ezeket a valós idejű spektrumokat a Microsoft Excelben jelenítettem meg. A szoftverből exportált adatfájl a hangnyomás négyzetét tartalmazta, ezért az MS Excelben az értékekből gyökvonással kaptam meg az effektív értékeket, amelyekből a jól ismert (5.1.) összefüggéssel kiszámítottam a hangnyomásszinteket. L p = 20 lg p, (5.1.) p 0 ahol: L p : hangnyomásszint [db]; p: hangnyomás [Pa]; 56

63 p 0 : referenciaérték, melynek értéke 20 µpa az emberi fül 1 khz-es hallásküszöbére vonatkoztatva Porszívók zajspektruma Az alábbi, 5.4. és 5.5. ábrákon az Ultra Silencer modell valós idejű színképeit láthatjuk. 60 Valós idejű spektrum minimális szívási teljesítményen Lp [db] f [1/s] 5.4. ábra: Ultra Silencer valós idejű spektruma minimális teljesítményen [szerző saját szerkesztése] Lp [db] Valós idejű spektrum maximális szívási teljesítményen f [1/s] 5.5. ábra: Ultra Silencer modell valós idejű spektruma maximális teljesítményen [szerző saját szerkesztése] 57

64 A legalacsonyabb szívási teljesítményen, 422 Hz-en alakult ki a legnagyobb hangnyomásszint, amelynek értéke 44 db volt. Integráló típusú zajmérő műszerrel megmértem az Overall értéket, amely 63,2 db A volt. Az ábrából láthatjuk, hogy a keletkező zaj az 500 Hz Hz terjedő frekvenciasávban a legjelentősebb, amely zavarhatja a beszédértést. Az emberi beszéd összetett hangokból tevődik össze, alaphangok és felharmonikusok alkotják. Az alaphangok frekvenciatartománya 100 Hz 1 khz terjed, amely beleesik a fentebb említett sávba. Maximális szívás esetén, az 573 Hz-es frekvencia eredményezte a legnagyobb hangnyomásszintet, amely 51 db volt. Az integráló típusú zajmérő műszerrel 69 db A értéket mértem, itt is az 500 Hz 2000 Hz terjedő frekvenciasávban a legjelentősebb a zaj. Azt is megállapíthatjuk, hogy a két teljesítményen a kialakuló hangnyomásszintek között 7 db-es különbség alakult ki. Az 51 db alacsony hangnyomásszint valószínűleg a dolgozatom elején említett Silent Air technológiának köszönhető. Továbbá a spektrumokból még azt is láthatjuk, hogy a keletkező zaj viszonylag folytonos színképet mutat, nem tapasztalunk éles kiugrásokat. A következő diagram (5.6. ábra) az LG készülék valós idejű spektrumát ábrázolja, amelyből jól láthatjuk azt, hogy ez a modell jóval nagyobb zajjal terheli a környezetet, mint az Ultra Silencer. A legnagyobb hangnyomásszintet a 601 Hz-es frekvencia eredményezte, amelynek értéke 94 db. A mért Overall érték 92,7 db A volt, ezek az értékek már károsak az emberi szervezetre nézve, hiszen 90 db felett károsodnak a hallószerveink. Megállapíthatjuk, hogy az Ultra Silencer 51 dbes alacsony hangnyomásszintje a gondosabb mérnöki tervezés eredménye, elsősorban az aerodinamikai szempontok szerint megtervezett és üzembe helyezett motornak köszönhető. Ehhez járul még hozzá a motor szűrő, és a porzsák körül kialakított hangszigetelő zajpajzs, valamint a szupercsendes csőrendszer, ill. a speciális szívófej. Az 5.6. ábrán azt is láthatjuk, hogy az LG modell esetében több kiemelkedő csúcs is tapasztalható, amely feltehetően a forgási frekvenciának, kiegyensúlyozatlan forgásának köszönhető. A zaj 500 Hz Hz között a legjelentősebb, azonban még 5400 Hz környékén is magas hangnyomásszintet tapasztalunk (63 db). A nagyobb zajszint még esetleg az 58

65 Lp [db] Matisz Norbert: Háztartási porszívó készülék részegységeinek zaj- és rezgéstani elemzése elhasználódásnak is köszönhető, hiszen több, mint 10 éves készülékről beszélünk. 120 LG készülék valós idejű spektruma f [1/s] 5.6. ábra: LG készülék valós idejű spektruma [szerző saját szerkesztése] 5.2. NR görbék szerkesztése és az NR jellemzők meghatározása A porszívók NR jellemzőinek meghatározásához először is szükségünk van magukra, az NR görbékre. Szakirodalomban találtam bizonyos frekvenciaértékekhez zajszint értékeket. Az f=31,5-; 62,5-; 125-; 250-; 500-; 1000-; 2000-; 4000-; és a 8000 Hz-nél ismertek a hangnyomásszint értékek. A Microsoft Excelben ebből a kilenc pontból készítettem egy pontdiagramot, még pedig úgy, hogy az abszcissza tengelyen szereplő frekvenciaértékeket logaritmikusan skáláztam. Ezt követően a kilenc pontra egy 6-periódusú mozgó átlag trendvonalat illesztettem, s így megkaptam az NR görbéket. (5.7. ábra) Az ordináta tengelyen pedig a sáv hangnyomásszintek találhatók db-ben. 59

66 sáv hangnyomásszint [db] Matisz Norbert: Háztartási porszívó készülék részegységeinek zaj- és rezgéstani elemzése Ajánlási határértékekhez tartozó NR görbék , oktávsáv frekvencia [Hz] NR-0 NR-10 NR-20 NR-30 NR-40 NR-50 NR-60 NR-70 NR-80 NR-90 NR-100 NR-110 NR-120 NR ábra: Ajánlási határértékekhez tartozó NR görbék [szerző saját szerkesztése] A Pulse Labshop szoftver segítségével a valós idejű spektrumokon kívül az egyes tercsávokhoz tartozó hangnyomás értékeket is megjelenítettem (5.1. táblázat). Az NR jellemzők meghatározásához viszont az oktávsáv középfrekvenciákhoz tartozó energiaértékek szükségesek, ezért ezeket a tercsávokhoz tartozó értékekből határoztam meg. A számítás első lépése az egyes oktávsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomás meghatározása, amely az alábbi összefüggéssel történik: p oktáv = p a 2 + p k 2 + p f 2, (5.2.) ahol: p oktáv : oktávsáv középfrekvenciához tartozó hangnyomás [Pa]; p a : tercsáv alsó határfrekvenciához tartozó hangnyomás [Pa]; p k : tercsáv középfrekvenciához tartozó hangnyomás [Pa]; p f : tercsáv felső határfrekvenciához tartozó hangnyomás [Pa]. Tehát esetünkben (Ultra Silencer alacsony szíváson): f m = 25 Hz; p oktáv = (1, Pa) 2 + (5, Pa) 2 + (4, Pa) 2 = 7, Pa. 60

67 5.1. táblázat: Tercsávokhoz tartozó hangnyomás értékek [szerző saját szerkesztése] p [Pa] f m [Hz] Ultra Silencer kicsi Ultra Silencer nagy LG 20 1, , , , , , ,5 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , A hangnyomás értékekből az (5.1.) összefüggés segítségével számoltam ki az oktávsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomásszinteket, amelyeket az 5.2. táblázat tartalmaz. Vagyis a példánk szerint: f m = 25 Hz L p = 20 lg 7, = 9 db. 61

68 5.2. táblázat: Az oktávsáv középfrekvenciákhoz tartozó hangnyomásszintek [szerző saját szerkesztése] L p [db] f m [Hz] Ultra Silencer alacsony szívás Ultra Silencer magas szívás LG Először nézzük meg, melyik NR görbe jellemzi az Ultra Silencer készüléket! (5.8. és 5.9. ábra) Jól látható, hogy minimális szívás esetén az Ultra Silencer oktávsávos hangnyomásszint energiatartama alulról, a 6. görbét metszi el. Ez azt jelenti, hogy a zaj burkoló görbéje az NR-60-as érték. Viszont az 1.1. táblázatban láthattuk a javasolt NR határgörbéket, valamint, hogy milyen korrekciós tényezővel kell számolni egyes esetekben. Tehát pl. hivatalvezetői irodában (NR-40 a határérték), amely lakóterületen helyezkedik el (+5 a korrekció), s a munkaidő 0,1%-át eltöltve (+25 a korrekció), a határérték NR-70. Mivel szakaszos zajról van szó, így a határérték NR-65-re csökken, vagyis a porszívó készülék nem haladja meg az előírás szerinti javasolt NR határértéket. Maximális szívás esetén, az 5.9. ábrán láthatjuk, hogy a 7. görbét metszi el az Ultra Silencer oktávsávos hangnyomásszint energiatartama, vagyis ebben az esetben a zaj burkoló görbéje az NR-70-es érték. Hivatalvezetői irodában, lakóterülettel (+5 korrekció) kalkulálva, s a munkaidő 1,5%-át eltöltve (+15 a korrekció) NR-60 a határérték. Tehát maximális szívásnál a készülék NR jellemzője túllépi az előírás szerinti javasolt határértéket. Viszont mivel ezek csak javasolt ( szubjektív ) határértékek, amelyeket a korrekciós tényezők is befolyásolnak, az NR-70-es jellemző elfogadható érték a készülékre vonatkozóan. 62

69 sáv hangnyomásszint [db] sáv hangnyomásszint [db] Matisz Norbert: Háztartási porszívó készülék részegységeinek zaj- és rezgéstani elemzése Ultra Silencer NR jellemzője legalacsonyabb szíváson oktávsáv középfrekvencia [Hz] Lp [db] NR-0 NR-10 NR-20 NR-30 NR-40 NR-50 NR-60 NR-70 NR-80 NR-90 NR-100 NR-110 NR-120 NR ábra: Ultra Silencer NR jellemzője min. szíváson [szerző saját szerkesztése] 160 Ultra Silencer NR jellemzője legnagyobb szíváson oktávsáv középfrekvencia [Hz] Lp [db] NR-0 NR-10 NR-20 NR-30 NR-40 NR-50 NR-60 NR-70 NR-80 NR-90 NR-100 NR-110 NR-120 NR ábra: Ultra Silencer NR jellemzője max. szíváson [szerző saját szerkesztése] 63

70 sáv hangnyomásszint [db] Matisz Norbert: Háztartási porszívó készülék részegységeinek zaj- és rezgéstani elemzése A következőkben vizsgáljuk meg az LG porszívót! Tisztán látszik, hogy az oktávsávos hangnyomásszint energiatartama a 10. görbét metszi (5.10. ábra), így arra az NR-100-as burkoló görbe a jellemző. A javasolt határértékektől függetlenül ez egy meglehetősen magas érték, ha a zajra, mint állandó jellegű terhelésére gondolunk az emberi szervezetre nézve LG készülék NR jellemzője oktávsáv középfrekvencia [Hz] Lp [db] NR-0 NR-10 NR-20 NR-30 NR-40 NR-50 NR-60 NR-70 NR-80 NR-90 NR-100 NR-110 NR-120 NR ábra: LG NR jellemzője [szerző saját szerkesztése] Az NR értékből is láthatjuk azt, hogy hosszú távon az LG készülék által kibocsátott 94 db A zajszint káros az emberi szervezetre. Napi 8 órán keresztül 85 db A terhelésnél már tapasztalhatók a halláskárosodás jelei. Tehát itt már valamilyen védelmi intézkedést célszerű alkalmazni! A zajcsökkentés esetleg megoldható hangszigetelő bevonattal, vagy hangtompítóval. Áramlási zajok csökkentésére a hangtompítók használata a legalkalmasabb, hiszen ezek az áramlás akadályozása nélkül gátolják a zaj terjedését, csökkentve az intenzitásukat. A másik megoldás közvetlenül a felhasználónál történő zajcsillapítás lehet. Itt gondolhatunk hallásvédő vatta, füldugó vagy esetleg zajvédő fültok használatára. 64

71 6. SPEKTRUMANALÍZIS PORSZÍVÓBÓL KISZERELT MOTORON A dolgozat utolsó célja egy kiszerelt Ultra Silencer motor zaj- és rezgéstani magatartásának elemzése. A teljes analízishez a vizsgálatokat án végeztem el az akusztikai laboratóriumban. Első lépésben azon az Ultra Silencer készüléken vettem fel hangspektrumokat, amelynek az NR jellemzőjét az előző fejezetben sikerült meghatároznom. Az ún. vízesés diagram segítségével szemléltetem a készülék, mint zajforrás viselkedését minimális, illetve maximális szívási teljesítmény mellett. Ezt követően pedig egy kiszerelt Electrolux porszívó motoron végzek rezgésmérést három különböző esetben, a motor felfutása, leállása, valamint a toroid transzformátorral történő fordulatszabályozás mellett Zajvizsgálat Ez a típusú vizsgálat elsősorban a fő zajforrásra, nevezetesen a porszívó készülékben található motorra fókuszál. A méréshez itt is a Pulse Labshop mérőszoftvert, valamint a Brüel&Kjaer által gyártott 4189 típusú mikrofont használtam. A laboratóriumi mérési elrendezés nagyvonalakban megegyezik az NR jellemző meghatározásához végzett vizsgálat kialakításához, ami annyit jelent, hogy a mikrofont a felszíntől, illetve a géptől is mintegy 1,5 m-es távolságra helyeztem el. A különbség az NR vizsgálathoz képest az, hogy ebben az esetben a készüléket a cső és a szívófej nélkül működtettem. A mikrofon kalibrálása és a mérési elrendezés biztosítása után a Pulse Labshop mérőszoftverben a szükséges paramétereket beállítva, felvettem a hangspektrumokat a készülék minimális és maximális állásában. A 6.1. ábra jól szemlélteti, hogy minimális szívási teljesítményen mekkora az a frekvencia, amely a porszívó forgási frekvenciája. Az x tengelyen a frekvencia található Hz-ben, az y tengelyen pedig a hangnyomás Pa-ban. 65

72 6.1. ábra: A modell hangspektruma minimális szíváson [szerző saját szerkesztése] Mivel az első élesebb kiugrás a színképből f=380,9 Hz-nél tapasztalható, ezért ez a készülék forgási frekvenciája, amely n= /min fordulatszámot jelent. Az első felharmonikus (f=100 Hz) viszonylag egy magas csúcs, amely feltehetően tengely beállítási probléma. Ez azt jelenti, hogy a motor álló- és forgórésze nem egytengelyű, vagyis a forgó rész kiegyensúlyozatlansága okozza a spektrumból az éles kiugrást. Az f=100-; 200-; 300-; 400-; 500- és 700 Hz-en észlelhető kiugrások a dolgozatom szakirodalmi összefoglalójában leírt magnetostrikció jelenségéből származó deformációnak köszönhető. A vizsgálat lényege tulajdonképpen az, hogy meghatározzam, mekkora fordulatszámmal forog a készülék a toló potenciométer változtatásával. A nagy pontosságú fordulatszám meghatározás miatt alkalmaztam vágást a diagramokon (nagyobb felbontásban láthassuk). A következő, 6.2. ábrán annyi a különbség az előzőhöz képest, hogy ebben az esetben a frekvencia függvényében a kialakult hangnyomásszinteket jelenítettem meg, vagyis db dimenzióban érzékelhető a készülék által kibocsátott zaj mértéke. A maximális érték f=100 Hz-en alakult ki (~42 db), az overall érték pedig 52 db volt. 66

73 6.2. ábra: Hangspektrum frekvencia-hangnyomásszint függvényében [szerző saját szerkesztése] A 6.3. ábra egy kontúr diagram, amely a zaj időbeli lefolyását szemlélteti. A diagramból tisztán látszik, hogy a kialakult zaj viszonylag egyenletesnek mondható, tehát mindegy milyen időpillanatban mentem ki a spektrumot a mérőszoftverből. A színskála a zaj erősségét mutatja, amelyből az tapasztalható, hogy mialatt a készülék üzem-meleg állapotba került, a változás nem volt számottevő ábra: Kontúr diagram minimális szíváson [szerző saját szerkesztése] 67

74 A kontúr diagramon a sárga színű egyenes vonalak a színképből kiugró csúcsok. Ezek a gerjesztések jobban érzékelhetők az ún. vízesés diagramon, amely a 6.4. ábrán látható. Ez egy három-dimenziós diagram, ahol az x tengely a frekvencia [Hz], az y tengely a hangnyomás [Pa], a z tengely pedig a spektrumok száma. A kis csúcsokat esetlegesen a csapágyazás, a kefezaj, vagy az áramlás során kialakuló turbulencia okozhatja ábra: Vízesés diagram minimális szíváson [szerző saját szerkesztése] A 6.5. ábrán maximális szívási teljesítményen látható a kialakult hangnyomás a frekvencia függvényében. Ebben az esetben a forgási frekvencia f=547,5 Hz, amely n= /min fordulatot takar. A legmagasabb hangnyomásszint érték 49 db, az overall érték pedig 59 db. A magnetostrikció miatti deformációból származó élesebb kiugrás leginkább az f=100 Hz és f=300 Hz esetén észlelhető. Ez a jelenség f=200 Hz-nél meg sem jelent, amely a szabályzó elektronika eredménye. Ennek köszönhetően a hangspektrumban nem jelenik meg annyi felharmonikus, mint minimális szívási teljesítményen. A gerjesztés a sinωt függvénnyel írható le, a hálózati frekvencia pedig f=50 Hz. A szabályzó elektronika során ezt a szinusz függvényt elnégyszögesítik, így a rezgés alapfrekvenciája a hálózati frekvencia kétszerese lesz, amely f=100 Hz. A spektrumban pedig ennek felharmonikusai is megjelenhetnek, ezt tapasztaljuk pl. f=300-; 400-; 500 Hz-nél. A zaj eloszlása 68

75 maximális szívási teljesítmény mellett is viszonylag egyenletesnek tekinthető, viszont itt már jobban észlelhetők a színképből kiemelkedő csúcsok. Ebből is látszik, hogy az előző esetben (minimális szíváson) bőven voltak tisztahang összetevők a színképben. A forgási frekvenciánál kialakuló magas csúcsérték legjobban a vízesés diagramon látható ábra: A modell hangspektruma maximális szíváson [szerző saját szerkesztése] 6.6. ábra: Hangspektrum frekvencia-hangnyomásszint függvényében [szerző saját szerkesztése] 69

76 6.7. ábra: Kontúr diagram maximális szíváson [szerző saját szerkesztése] 6.8. ábra: Vízesés diagram maximális szíváson [szerző saját szerkesztése] 70

77 6.2. REZGÉSVIZSGÁLAT A vizsgálatot az Ultra Silencer típusú modellből kiszerelt motoron végeztem el, három különböző esetben. Az első esetben a motor fordulatszámát egyenletesen növeltem toroid transzformátor segítségével, majd a vizsgálatot megismételtem a motor hirtelen felfutása, illetve leállítása során. A rezgésgyorsulás mérés megkezdése előtt, biztonságtechnikai okokból a motort rögzítettem egy merev lapra. Ez azért fontos, hogy a fordulatszám fokozatos növelésével bekövetkező túlpörgés során, a motor helyileg stabil maradjon. Az alábbi ábrán a rögzített motor látható a fordulatszám szabályozáshoz használt toroid transzformátorral (6.9. ábra). A képen még az is megfigyelhető, hogy a vezetékeket az előírásoknak megfelelően a talapzathoz szigetelőanyaggal rögzítettem. A talapzat alá hangszigetelő anyagot helyeztem, ezzel küszöbölve ki azt, hogy nagyobb fordulatszám esetén az asztal ne rezegjen a rendszerrel. (A hangszigetelő anyag a talapzat és az asztal között nem látható az ábrán.) Merev lap Szigetelőanyag Motor Toroid transzformátor 6.9. ábra: A vizsgálathoz használt, falapra rögzített porszívó motor [szerző saját szerkesztése] 71

78 Ezt követően megtörtént az érzékelő kiválasztása, amely egy Brüel&Kjaer által gyártott sorozatszámú gyorsulásérzékelő volt. Érzékenysége 0,992 pc/ms -2, kb. 8 khz-ig alkalmazható rezgésmérésre. Az érzékelő fontosabb gyári adatait az M2-es melléklet szemlélteti. Az érzékelőt ezt követően rögzíteni kellett a motorhoz, amely nem volt egyszerű feladat. A dolgozat elején bemutatott 6-féle módszer közül a csavaranyás rögzítésre esett a választás. A geometria kialakítása miatt a menetes rögzítési módszer az optimális, viszont nem volt könnyű kivitelezni. A probléma abból fakadt, hogy a vékony burkolat miatt a menetet nem lehetett elkészíteni a felületre. A burkolatba 1 db furatot fúrva M5-ös mérető szegecsanyát alkalmazva, teljesen merev kapcsolatot biztosítottam a szegecsanya és a burkolat között. Ez tulajdonképpen egy különleges megoldás, hiszen esztétikus módon stabil rögzítést kiviteleztem. Ezzel a kialakítással akár 10 khz frekvenciatartományig is elvégezhető a vizsgálat. Érzékelő ábra: Az érzékelő rögzítése a burkolathoz [szerző saját szerkesztése] 72

79 A motor fordulatszámának fokozatos növelése toroid transzformátorral Ennél a vizsgálatnál tulajdonképpen gerjesztések és rezonanciák keresése volt a cél. A mérés során 200 darab spektrumot vettem fel 0,1 s időtartamonként. A motor fordulatszámát kézzel változtattam a toroid transzformátor segítségével. Az alábbi kontúr diagramon (6.11. ábra) többek között látható az, hogy mennyire sikerült egyenletesen szabályozni a vizsgált motor fordulatszámát. A diagramon felismerhető, hogy közel egyenesek mentén változik a fordulatszám, ezért ez egy elfogadható közelítés a kézi szabályozás tekintetében. Ezen kívül tisztán látszik az, hogy a 3-4 khz-es frekvenciatartományban egy állandó sáv alakult ki, amely valószínűleg az aerodinamikai zajból származó rezgés (tisztahang összetevők). A vízesés diagramon (6.12. ábra) tulajdonképpen folyamatában érzékelhető, hogy mi történik a fordulatszám változtatás körben. Ez a diagram segít azonosítani a rezonancia frekvenciákat. Alap esetben a fordulatszám növelésével a rezgés amplitúdója is növekszik. Azonban, ha a fordulatszám növelésekor csökken a rezgésamplitúdó, rezonanciáról beszélünk. Pl. 5,2 khz frekvencián is rezonancia figyelhető meg. Elegánsabb lett volna a folyamatos fordulatszám változást felvenni, azonban erre sajnos nem volt lehetőség. Az ehhez szükséges order analízis bővítményt nem tartalmazza a mérőszoftver, pedig ezzel a transzformációval egy frekvenciaértékhez (egy egyenesre esnének) tartoznának a színképekből kiugró csúcsok. 73

80 6.11. ábra: Kontúr diagram a fordulatszám egyenletes növelése során [szerző saját szerkesztése] ábra: Vízesés diagram a fordulatszám egyenletes növelése során [szerző saját szerkesztése] A ábra a motor rezgésspektrumát szemlélteti a rezgésgyorsulás és a frekvencia függvényében. Az első felharmonikus f=518,8 Hz-en észlelhető, ezért ez a motor forgási frekvenciája, amely n= /min fordulatot jelent. A 74

81 következő élesebb csúcs f=3119 Hz frekvencián jelentkezik, amely a hatodik felharmonikus. Ezt feltehetően a terelőlapátozás okozhatja. Az f=4675 Hz frekvencián érzékelhető kilencedik felharmonikus megjelenése a járókerék lapátozás eredménye, amelyet sikerült pontosan beazonosítani. A tizenegyedik felharmonikus az f=11413,6 Hz-hez tartozó kiugrás, amely a kommutátornak köszönhető (11 egyik többszöröse 22). Ugyanis a kommutátor a huszonkettedik felharmonikus lenne, viszont a jobb felbontás miatt a 10 khz feletti eredményeket nem jelenítettem meg a spektrumon. Ha a járókerék- és terelőlapátozás számát összeszorozzuk, akkor megkapjuk az egymásrahatás-zaj frekvenciáját. Ennek megfelelően valószínűleg az ötvennegyedik felharmonikushoz tartozó fordulatszám lesz az egymásrahatás-zaj frekvenciája, amely már az ultrahang tartományba tolódik ki. Mivel a 9 (járókerék lapátozás száma) és a 6 (terelőlapátozás száma) közös osztója a 3, ezért a tizennyolcadik felharmonikus is az egymásrahatás-zaj lehet. Vélhetően ez látszik f=9338,4 Hz-en (az ábrán kurzorral jelzett) ábra: Rezgésspektrum a fordulatszám egyenletes növelése során [szerző saját szerkesztése] 75

82 6.14. ábra: Vízesés diagram - egymásrahatás-zaj frekvenciája [szerző saját szerkesztése] A motor felfutásának vizsgálata A vizsgálat célja annak az időtartamnak a meghatározása, amely alatt a motor elérte az üzemi fordulatszámot. Ebben az esetben is szintén 200 spektrumot vettem fel, azonban csupán 0,01 s időtartamonként. Az alábbi kontúr diagramon (6.15. ábra) látható, hogy a 45. spektrumnál indul be a motor, s kb. a 160. színképnél éri el az üzemi fordulatszámot. Tehát a vizsgálat szempontjából számunkra ez a 115 darab spektrum a lényeges. Ezt a számértéket összeszorozva a 0,01 s-ra beállított időintervallummal, megkapjuk azt az időtartamot, amely alatt a motor elérte az üzemi fordulatát. Ez szám szerint 1,15 s, amely olyan rövid, hogy tulajdonképpen nincs idő rezonanciák kialakulására a felfutás során. Ez a jelenség a vízesés diagramon (6.16. ábra) is érzékelhető. A pillanatnyi rezgésspektrumon (6.17. ábra) pedig továbbra is tapasztalhatjuk az éles kiugrásokat. Az előző vizsgálathoz hasonlóan ezeket is a forgási frekvencia, a terelőlapátozás, a járókerék állólapátozása, valamint az egymásrahatás-zaj okozhatja. 76

83 6.15. ábra: Kontúr diagram felfutás során [szerző saját szerkesztése] ábra: Vízesés diagram felfutás során [szerző saját szerkesztése] 77

84 6.17. ábra: Rezgésspektrum felfutás során [szerző saját szerkesztése] A motor leállásának vizsgálata A vizsgálat célja megállapítani, hogy mennyi idő alatt áll le a motor. A kontúr diagramon (6.18. ábra) láthatjuk, hogy a 132 és a 192 közötti spektrumok során lassul le a motor az üzemi fordulatszámáról. Ez szám szerint 60 darab színképet jelent. Szintén 200 darab spektrumot vettem fel, de ebben az esetben 0,1 s időtartamonként. Vagyis könnyen belátható, hogy 6 s alatt áll meg a motor, tehát viszonylag gyorsan lecsökken a légáramlás ábra: Kontúr diagram leállás során [szerző saját szerkesztése] 78

85 6.19. ábra: Vízesés diagram leállás során [szerző saját szerkesztése] ábra: Rezgésspektrum leállás során [szerző saját szerkesztése] 79