Акустические испытания

Определение Глоссария качества: Испытания на воздействие акустической вибрации (акустического шума)

‍

Испытание на воздействие акустической вибрации (акустического шума) проводят с целью определения способности образца работать или сохранять работоспособность при воздействии нормированного высокоинтенсивного акустического шума.

‍

Цели и задачи

Основная цель проведения акустических испытаний – выявление акустических параметров материалов, изделий, объектов, чтобы оценить степень их стойкости (устойчивости) в условиях повышенного воздействия шумов, возможность сохранения работоспособности в этих условиях, а также степень их влияния на иные материалы в общей конструкции объекта.

Акустические испытания востребованы в ряде сфер:

• В строительстве и архитектуре;
• Транспортной отрасли;
• Производстве товаров массового потребления (от детских игрушек до пиротехнических приспособлений);
• Выпуске оборудования и бытовой техники;
• При обеспечении безопасных условий труда в производственных цехах (работа холодильных камер, вентиляций, двигателей и пр.);
• В ракето- и самолётостроении;
• Проектировании специальных строений (помещений): концертных и театральных залов, студий звукозаписи и т. п.

При проведении акустических испытаниях широко используют аэродинамические трубы и безэховые камеры: это позволяет обеспечить бесшумную уникальную среду, в которой можно сохранить «чистоту эксперимента».

‍

Как создается акустическая среда?

Для этого важны акустические параметры ее материалов. В архитектуре и проектировании уделяется большое внимание влиянию материалов на свойства среды (поглощаемость, отражение, снижение интенсивности при передаче и пр.) Главное требование к исследованию – стабильность и точность, с возможностью обновления прогнозных схем с учетом полученных данных.

Устранение нежелательного звукового эффекта

С этой целью подбирают акустический материал применительно к конкретным параметрам звука. Это непросто: материалы неодинаково воздействуют на составляющие звука (к примеру, на высокие частоты). Второй важный аспект – взаимодействие материала с другими, а также итоговая конфигурация и реакция на акустическое воздействие, которые тоже влияют на акустические параметры материалов (например, обшивки двигателя). При этом систематизируются акустические параметры материала не только до окончательного оформления конструкции, но и после него.

Оснащение для акустических испытаний

В лабораторных исследованиях чаще всего фигурируют безэховые либо реверберационные камеры (хотя это не единственные способы выявления акустических параметров).

Первые – это помещения, где заглушаются отраженные от стен шумы за счет уникального звукопоглотителя (такой материал сделан на волокнисто-пористой основе, обернутой чехлом).

Камеры второго типа – помещения со звуко- и виброизоляцией, нередко просторные, в них проводят исследования и отдельно взятых образцов, и целостных объектов. Равномерное распределение звука возможно за счет неоднократного повторного отражения от внутренних непараллельных стенок.

Техническая комплектация

Стандартная комплектация акустической камеры включает в себя типичные элементы:

• источник акустического воздействия (громкоговорители, рупоры);
• блок управления;
• блок систематизации и обработки сведений;
• датчики.
  

Рассмотрим более подробно каждый пункт.

Источники акустического воздействия – чаще всего генераторы, работающие по таким принципам:

• трансформация энергии компрессии воздуха в акустическую (с разорванным или широкополосным спектром частот);
• модуляция воздуха методом электропневматического возбуждения;
• электродинамическое воздействие.
  

Электродинамические громкоговорители имеют разные методы излучения (диффузорное либо рупорное). У них может быть узкий диапазон либо широкий (это разные виды приборов).

Рупоры – обычно применяются для активизации звукового давления, повышения эффективности и формирования вектора излучения источников шумов.

Блок управления – позволяет координировать работу акустических систем, синхронизировать управление разными излучателями согласно фазе, снять контрольные показатели датчиков и уравновесить работу каналов. Иногда на испытаниях задействованы сотни датчиков. ПО должно предусматривать настройки источников акустического воздействия и моделировать заданный режим исследований (спектры, полоса частот, специфика сигнала на выходе, нагрузка исходя из распределения звукового воздействия).

Блок систематизации и обработки сведений – имеет вид отдельной системы либо входит в общую систему управления. При большом потоке сведений измерительных датчиков важно, чтобы блок мог сохранять синхронизацию множества каналов.

В ПО следует предусмотреть потенциал изучения сигналов в режиме реального времени (автоспектр мощности, октавный, третьоктавный, дробьоктавный анализ, специфика и интенсивность звукового воздействия, вектор направленности) и также для операций, которые последуют после эксперимента.

Датчики – это микрофоны, приспособления фиксации звукового давления, измерители шума и пр.

Какие параметры важны в ходе акустических исследований?

1. Порог звукового давления (до 170 дБ).
2. Погрешность его реализации (в пределах 5%).
3. Реализация случайного акустического шума в диапазоне 125 – 10 000 Гц.
4. Спектр акустического воздействия.
5. Акустический тон в пределах 125 – 10 000 Гц.
6. Длительность звукового воздействия (минимум, 5 минут).
7. Диаграмма направленности.

Виды акустических испытаний

Чтобы провести исследование на влияние акустического поля, проводятся такие виды мероприятий: наземные, сразу на объекте; на специальном стенде; в закрытых боксах; в акустических камерах. Они реализуются за счет одновременного влияния бегущих волн и реверберационных акустических полей. Стоячие волны, которые образуются внутри исследуемых конфигураций и объектов пустот, могут оказаться в резонансе и создавать повышенный локальный порог звукового давления. Выбрать оптимальное испытание для объекта можно на основании реальных параметров в ходе эксплуатации либо на основании определённых общих шумовых порогов для точно обозначенных условий использования объекта.

Но наилучшим способом проверки объекта являются все же наземные испытания объекта: они часто становятся заключительным этапом проверок, определяя возможность допуска к эксплуатации. Важный аспект – высокая стоимость такого рода мероприятий, так как генераторы акустического поля должны работать на максимальном своем режиме.

Проверка, проводимая на открытом стенде, несмотря на объективные погрешности в сравнении с «полевыми» условиями работ, позволяет снизить затраты на эксперимент. Плюсы этого вида испытаний – возможность исследовать крупные изделия, а также экономия времени: полная нагрузка достигается определенным положением изделий по отношению к генераторам шума. Режим проверки задают исходя из естественных рабочих параметров звуковых нагрузок и изменений в контрольных точках поверхности объекта.

Испытания в закрытых боксах дают возможность усилить акустическое воздействие, по сравнению с предыдущим видом испытаний, что позволяет ускорить процесс изучения. Минус такого подхода – определенные искажения звукового поля, если сопоставлять с натурной средой.

Все чаще становятся востребованными испытания в специальных акустических камерах, позволяющих воспроизвести нагрузку, максимально приближенную к естественным условиям. Но в этом случае есть существенные ограничения по объему и габаритам: не все объекты могут подойти для такого рода исследований. Режим звукового воздействия определяется спецификой изделия (продукта).

Режимы активизации звука:

1. Акустическое поле в реверберационной испытательной камере.
   

а) Влияние на объект акустического шума с одинаковой плотностью спектра ускорения в полном стандартном диапазоне частот.

б) Воздействие тона изменяющейся частоты в указанном диапазоне (используется для нахождения схожих по частоте пороговых рабочих частот и для подробной проверки работоспособности образца в данных условиях, чтобы оценить его устойчивость или стойкость).

2. Метод бегущей волны предполагает распространение звуковых волн по длине волновода от генератора звука. Когда поперечное сечение волновода осталось прежним, порог звукового давления вдоль него теоретически константный, без учета поглощения энергии объектом или стенами волновода. Волновод заглушается звукопоглощающим материалом, чтобы не отражать бегущую волну снова в волновод. Этот же эффект важен и в случае присоединения волновода к реверберационной камере.
   

При равном излучении акустической энергии порог звукового давления в волноводе бегущей волны больше в сравнении с тем, что получается в реверберационной камере. Этот порог обусловлен акустической энергией источника, периметром поперечного сечения и конфигурацией волновода. Обычно получаются уровни, как минимум, на 10 дБ больше, чем в камере.

3. Метод объёмного резонанса. Обычно данный способ применяют для исследования специальных фрагментов оборудования, чаще используют синусоидальное или узкополосное случайное возбуждение. Испытания проходят на имеющихся установках, созданных согласно нормам НД.
4. Метод стоячей волны. Такие волны образуются по длине резонатора, с присоединением генератора звука с одного его конца посредством акустического рупора. Взятый на исследование образец монтируют на противоположном конце резонатора. Воздействуют звуком чистого тона на одной из частот резонатора (его длину можно менять, чтобы точнее настроить частоту стоячей волны).

Стандарты проведения акустических испытаний:

ГОСТ РВ 20.57.416-98, ГОСТ РВ 20.57.305-98, ГОСТ РВ 20.57.306-98, ГОСТ РВ 20.57.307-98, ГОСТ 30630.1.5-2013, ГОСТ Р ИСО 1680-2012, ИСО 3741:2010, ИСО 3743-1:2010, ИСО 3743-2:1994, ИСО 3744:2010, ИСО 3745:2012, ИСО 3746:2010, ИСО 3747:2010, ИСО 4871:1996, ИСО 7574-1:1985, ИСО 7574-4:1985, ИСО 7779:2010, ИСО 9614-1:1993, ИСО 9614-2:1996, ИСО 11203:1995, МЭК 60034-1:2004, МЭК 61672-1:2002, МЭК 61672-2:2003.

Этапы акустических испытаний изделий и объектов

• Внешнее изучение, замеры параметров, согласно техническому регламенту.
• Крепление изделия с учетом допустимых положений в ходе использования объекта.
• Обеспечение реальной механической нагрузки (возможно применение электрической нагрузки).
• Одновременное воздействие равномерного звукового давления и заданного спектра частот (особое внимание уделяется составу спектра мощности генератора звукового воздействия). Длительность эксперимента обусловлена требованием программы и техническими характеристиками изучаемого объекта. Важная задача – выявить резонансные частоты, где проявлена в наибольшей степени амплитуда колебаний точек крепления.

• В конце проводится осмотр объекта, делаются замеры характеристик, перечисленных в программе испытаний и ТЗ.

Суммируя сказанное, отметим, что методика и разновидности акустических испытаний зависят, прежде всего, от параметров, характеристик и даже габаритов исследуемого объекта: это может быть отдельная единица техники, механизм, прибор, образец материала либо отдельный полномасштабный объект. Следующим важным фактором являются цели заказчика, технические требования, заданные регламентом.

‍