АНАЛИЗ ШУМОВ МЕХАНИЗМОВ

Федяев Д.И.
Донецкий национальный технический университет

Слуховые ощущения

  Слуховые ощущения являются отражением воздействующих на слу-ховые рецепторы звуковых волн, порождаемых звучащим телом и представляющим переменное сгущение и разрежение воздуха [1]. Звуковые волны обладают различной амплитудой колебания. Амплитуда колебаний - наибольшее отклонение звуковой волны от среднего значения. Чем больше амплитуда колебания, тем сильнее звук, чем меньше амплитуда, тем звук слабее. Сила звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды.

  Звуковые волны различаются, по частоте или продолжительности колебаний. Длина волны обратно пропорциональна числу колебаний и прямо пропорциональна периоду колебаний источника звука. Волны различной частоты дают звуки, различные по высоте: волны с колебаниями большой частоты (и малого периода колебаний) отражаются в виде высоких звуков, волны с колебаниями малой частоты (и большого периода колебаний) отражаются в виде низких звуков.

  Все слышимые звуки разделяются на шумы и музыкальные звуки. Первые отражают непериодические колебания неустойчивой частоты и амплитуды, вторые — периодические колебания. Между музыкальными звуками и шумами нет резкой грани. Акустическая составная часть шума часто носит ярко выраженный музыкальный характер и содержит разнообразные тоны, которые легко улавливаются опытным ухом [1].

  Кривая музыкального звука может быть разложена математическим путем по методу Фурье на отдельные, наложенные друг на друга синусоиды. Любая звуковая кривая, будучи сложным колебанием, может быть представлена как результат совместного проявления синусоидальных колебаний, имеющих частоты возрастающие, как ряд целых чисел 1, 2, 3, 4. Наиболее низкий тон, соответствующий 1, называется основным. Остальные простые тоны, имеющие вдвое, втрое и более частые колебания, называются гармоническими или обертонами. Основными свойствами звука являются: громкость, высота и тембр.

  1. Громкость зависит от амплитуды колебаний звуковой волны. Сила звука и громкость — понятия неравнозначные. Сила звука объективно характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается он слушателем или нет; громкость — качество воспринимаемого звука. Для низких тонов, громкость растет быстрее, чем для высоких. Человек может оценивать изменения громкости в 2, 3, 4 раза. Оценка увеличения громкости более чем в 4 раза точно не удается.

  2. Высота звука отражает частоту колебаний звуковой волны. Нижняя граница слуха у человека составляет 15…19 Гц; верхняя – 15000…20000 Гц. Чувствительность уха имеет индивидуальные отклонения. Частоты 200…3500 Гц соответствуют спектру человеческой речи. Минимальная длительность звука, при которой оценивается его качество 20…50 мс. При меньшей длительности звук воспринимается как щелчок.

  При воздействии частот выше 15000 Гц ухо становится менее чувствительным, теряется способность различать высоту тона. При 19000 Гц предельно слышимыми оказываются звуки, в миллион раз более интенсивные, чем при 14000 Гц. При повышении интенсивности высоких звуков возникает осязание звука, а затем чувство боли. Область слухового восприятия охватывает свыше 10 октав и ограничена сверху порогом ося-зания, снизу порогом слышимости. Наиболее воспринимаемы звуки в диапазоне 1000 до 3000 Гц. В этой области ухо является наиболее чувствительным. Повышенная чувствительность уха в области 2000…3000 Гц объясняется собственным тоном барабанной перепонки [1].

  3. Под тембром понимают характер или окраску звука, зависящую от взаимоотношения его частичных тонов. Тембр отражает акустический состав сложного звука - число, порядок и относительную силу входящих в его состав частичных тонов (гармонических и негармонических). Тембр зависит от того, какие верхние гармонические тоны примешаны к основному, и от относительной силы каждого из них. В слуховых ощущениях тембр сложного звука играет значительную роль. Частичные тоны (обертоны) большое значение также и в восприятии гармонии.

Параметры звуковых колебаний

  Скорость распространения звуковых волн зависит от плотности сре-ды-проводника. Скорость звука в воздушной среде составляет 340 м/с; в воде - 1500 м/с; в стали - 5000 м/c. Уровни воспринимаемого звукового давления могут изменяться от слухового порога (порога слышимости) - 2•10^-5 Па до болевого порога - 2•10² Па. В связи с этим для измерения уровня шума используется логарифмическая шкала. Логарифмическая единица измерения - бел (Б), деся-тая часть - децибел (дБ). Децибел - двадцать логарифмов отношения из-меренного значения к начальному уровню:

где Р_из – измеренная величина; Р_нач – начальное значение (2•10^-5 Па).

  Восприятие шума и звуков зависят от частоты. При оценке интенсивности шума ось частот разбивают на отрезки (октавы) и определяют уровни шума для каждой полосы в отдельности. Октава - интервал или полоса между двумя частотами с отношением равным 2. Среднегеометрическая частота для октавной полосы, ограниченной частотами f₁ и f₂:

  Увеличение уровня звукового давления на 6 дБ равнозначно удвоению величины звукового давления. Однако, требуется увеличить уровень звука на 8…10 дБ (в 2,5…3,16 раза), чтобы звук субъективно ощущался как более громкий. Минимально различимое изменение уровня звука составляет 1 дБ (увеличение или уменьшение в 1,12 раза) [2].

  Возможности человеческого слуха заметно ухудшаются на очень низких и очень высоких частотах. Поэтому, при измерении шумов приме-няются фильтры. Наиболее часто, применяются фильтры типа А, полу-ченные результаты обозначаются дБ(A) и приближенно соответствуют чувствительности человеческого уха. Существует также весовая функция типа С, которая используется в при измерении шумов очень большой громкости или шумов слишком низкой частоты.

Шумы механизма

  Акустический шум и колебания механизмов давно используются для оценки их технического состояния. В механических устройствах, в качестве степени повреждений часто выступает зазор между деталями. Наличие зазора вызывает соударение деталей во время работы. Физическое проявление этого процесса реализуется в виде распространения упругих волн акустического диапазона, возникновения вибрации и ударных импульсов. Несмотря на единую физическую природу, каждое из этих проявлений имеет свои особенности и различным образом отображает происходящие процессы. Поэтому целесообразно контролировать совокупность этих параметров.

  Прослушивание акустических шумов, возникающих при работе механизма, наиболее распространенный метод определения состояния работающего оборудования. Упругие волны, порождающие акустические колебания имеют частотный диапазон 20...16000 Гц и легко распространяются по корпусным деталям механизма. Вследствие этого, прослушивание акустических шумов, возникающих при работе механизма, наиболее распространенный метод определения состояния работающего оборудо-вания. Для этого используется технический стетоскоп, состоящий из металлической трубки и деревянного наушника (рисунок 1). Один конец инструмента прижимается к корпусу подшипника, а наушник - к уху. Этот метод настолько доказал свою надежность, что требования по прослушиванию шумов механизмов включены во все правила технического обслуживания и инструкции по эксплуатации оборудования. Наиболее эффективным является сочетание полученной качественной картины технического состояния с количественной оценкой параметров вибрации. Это позволяет соединить субъективное мнение с объективной информацией, что обеспечивает достаточную точность при постановке диагноза.

  Как всякий инструмент, преобразующий механические колебания в звуковые, технический стетоскоп имеет свои индивидуальные звуковые особенности. Характер преобразования звука техническим стетоскопом зависит от длины, диаметра трубки, толщины стенки, материала, формы наушника. Все это влияет на частоту собственных колебаний стетоскопа. Прослушиваемые шумы, имея свои отличия, в тоже время едины в отображении звуковых картин повреждений механизма.

Рисунок 1 – Технический стетоскоп

  Сейчас, при прослушивании шумов, используют электронные стетоскопы (рисунок 2). Щуп прибора устанавливается на корпусе механизма. Электрический сигнал, снимаемый с пьезоэлектрического датчика, подаётся на усилитель звуковой частоты, а затем в наушники. По частоте и силе звука судят о наличии повреждений в контролируемом механизме и об их характере. В любом случае наиболее сложной задачей является процесс распознавания шумов и определения видов повреждений. Этот процесс трудно формализовать. Многое зависит от квалификации и опыта человека, использующего этот метод. Основные достоинства метода: получение качественной информации о техническом состоянии механизма, непосредственное включение оператора в процесс принятия решения, практическое отсутствие ошибок при обнаружении повреждений.

  Сигналы, возбуждаемые колебаниями работающих механизмов, носят импульсный характер. Увеличение зазора между сопрягаемыми деталями приводит к перераспределению энергии по частотным диапазонам, повышению уровня сигнала на более высоких частотах. Амплитуда колебаний характеризует динамику работы кинематической пары, а также размер повреждения, частота – источник колебаний. Решение задачи распознавания шумов и видов повреждений осно-вывается на знании характерных шумов элементов механизма.

Рисунок 2– Электронный стетоскоп выпускаемый фирмой SKF

Характерные шумы подшипников качения.

  1. Незначительный ровный шум низкого тона свидетельствует о нормальном состоянии подшипника качения.

  2. Глухой прерывистый шум - загрязнённость смазки.

  3. Звенящий (металлический) шум - недостаточная смазка, возникает также при повышенном радиальном зазоре.

  4. Свистящий шум указывает на взаимное трение скольжения деталей подшипникового узла.

  5. Скрежет, резкое частое постукивание возникает при повреждениях сепаратора или тел качения.

  6. Глухие периодические удары - результат ослабления посадки подшипника, дисбаланса ротора.

  7. Воющий звук, скрежетание, гремящий шум, интенсивный стук указывают на повреждение элементов подшипника.

  Граф причинно-следственных связей шумов и повреждений меха-низма приведен на рисунке 3. Виды повреждений приведены в нижней части графа, выше указаны характерные шумы, определяющие данный диагностический признак.

Рисунок 3 – Граф причинно-следственных связей шумови повреждений механизма

Шумы зубчатых передач

  1. Ровный жужжащий шум низкого тона характерен для нормальной работы зубчатой передачи. Косозубая передача в этом случае имеет ровный воющий шум низкого тона.

  2. Шум высокого тона, переходящий с увеличением частоты вращения в свист и вой, и непрерывный стук в зацеплении происходит при искажении формы работающих поверхностей зубьев или при наличии на них местных дефектов.

  3. Дребезжащий металлический шум, сопровождающийся вибрацией корпуса, возможен вследствие малого бокового зазора или несоосности, непараллельности колёс.

  4. Циклический (периодический) шум, появляющийся с каждым оборотом колеса, то ослабевающий, то усиливающийся, указывает на эксцентричное расположение зубьев относительно оси вращения. Устранить такой шум в редукторе практически невозможно.

  5. Циклические удары, грохот, глухой стук – излом зуба.

Муфты, шпоночные и шлицевые соединения

  Глухие толчки при изменении направления вращения соответствуют износу: шпоночных или шлицевых соединений, элементов муфт, повышенному зазору в зубчатой передаче. Слабые стуки низкого тона, резкий металлический звук соответствуют сколам шлицов, ослаблению шпоночного соединения, несоосносности соединительных муфт. Частые резкие удары соответствуют биениям муфты, неправильной сборке карданных валов.

Шумы, характерные для подшипников скольжения:

  1) нормальной работе соответствует монотонный и шелестящий шум;

  2) отсутствию смазки соответствует свист высокого тона, скрежет;

  3) задирам на поверхности подшипников скольжения, несоосности валов и выкрашиванию соответствуют периодические удары, резкое металлическое постукивание.

  При смазке кольцом: 1) отсутствию смазки соответствует звенящий металлический шум; 2) повышенной вязкости масла соответствуют цик-лические удары низкого тона.

Дополнительные рекомендации

  Звон металлических деталей при ударе, например, молотком, используется для определения наличия дефектов. Звук, издаваемый стальной деталью, содержащей дефект, дребезжащий, более низкий и глухой по сравнению со звуком бездефектной детали, имеющий чистый, высокий звук. Данный метод достаточно эффективен применительно к контролю затяжки резьбовых соединений, целостности деталей простой формы. В более сложных случаях его использование ограничено.

  Каждый механизм содержит две причины шумов: механического характера, электрического характера. Воющий звук, исчезающий при отключении питания электродвигателя, указывает на повреждения в электрической части мотора. Степень повреждения определяется интенсивностью шума. Шум, вызывающий болевые ощущения при прослушивании техническим стетоскопом, является пределом эксплуатации деталей. Использование электронного стетоскопа предполагает сравнение интенсивности шума однотипных элементов.

  Указанные виды шумов в истинном виде проявляются редко. Акустическая картина механизма составляется из совокупности шумов всех элементов, определяется размерами, характером смазывания, нагрузками, температурой и другими факторами. Поэтому, приведенная классификация служит исходной информацией при расшифровке конкретной акустической картины механизма. Качество расшифровки и правильность постановки диагноза зависит от квалификации,подготовленности и опыта механика.

Литература

1. Инженерная психология. Под редакцией Г.К.Середы. Издательское объе-динение «Вища школа», 1976. - 308 с.
2. Брошюра фирмы "Брюль и Къер". "Шум окружающей среды". 2000. – 60 с.