Акустический шум - беспорядочные акустические (звуковые) колебания со сложной временной и спектральной структурой, источником которого могут быть любые механические колебания в твердых, жидких и газообразных средах.
Шум и звук как таковой – это механические колебания, которые по своей физической сути схожи с вибрацией. Именно в контексте разрушительного вибрационного воздействия на материалы, механизмы, приборы и строительные конструкции проводятся акустические испытания.
Чем опасно длительное воздействие интенсивного акустического шума?
Вибрационное воздействие акустического шума – один из основных негативных факторов, приводящих к разрушению целостной структуры приборов, техники, строительных конструкций и иных изделий.
Опасны как сами звуковые волны, оказывающие вибрационное воздействие, так и их резонанс с собственными колебаниями изделия или с вибрацией от работающего двигателя, подвижных органов оборудования, трансформаторов и т. п.
Такое резонансное усиление амплитуды колебаний способно привести к ускоренному старению материалов, ослаблению креплений и полному разрушению всего изделия или конструкции. Учитывать деструктивное воздействие акустического шума необходимо практически во всех отраслях промышленности:
- строительство и архитектура;
- машино-, станко- и приборостроение;
- судо-, авиа- и ракетостроение;
- производство бытовой техники и промышленного оборудования.
Испытаниям на воздействие акустического шума подвергаются практически все изделия – от игрушек до элементов самолетов и ракет.
Для чего нужны акустические испытания на воздействие шума?
В отличие от звуковибрационного, механическое воздействие характеризуется точечным приложением энергии, что позволяет теоретически рассчитать критические перегрузки и спрогнозировать их последствия. Акустическое воздействие распределяется по всей поверхности изделия или конструкции, что создает общую вибрационную нагрузку. Теоретически рассчитать и подтвердить экспериментально распределенную звуковибрационную нагрузку крайне сложно из-за большого количества переменных. Именно поэтому для определения устойчивости изделия к воздействию акустического шума проводят специфические испытания по стандартизированным методикам.
Акустические испытания на механическое старение под воздействием шума проводят с целью определения ключевых акустических параметров изделий, конструкционных материалов, приборов и т.п. для анализа их стойкости к интенсивному звуковому полю. Подобные тесты имеют две основные практические цели.
- Продление срока службы изделия за счет улучшения его эксплуатационных характеристик. Полученные результаты акустических испытаний помогут скорректировать технологический процесс производства с целью повышения стойкости к вибрационной нагрузке звукового шума.
- Определение соответствия нормам отраслевых стандартов и научно-технической документации (НТД). Наземный, водный и воздушный транспорт, промышленное оборудование и самоходная техника, приборы научно-исследовательского и бытового применения, строительные конструкции и прочая промышленная продукция должны соответствовать нормам стойкости к воздействию акустического шума. Такие параметры указаны в соответствующих ГОСТах, ТУ или иной НТД, включая международную.
Другими словами, такие испытания нужны для оценки рабочего ресурса и интенсивности механического старения изделий в условиях акустического шума. Это позволяет подтвердить их достаточную вибрационную стойкость или внести корректировки в технологию изготовления для повышения устойчивости к звуковым вибрациям.
Стандарты и технический регламент проведения тестов
- Методика акустических испытаний – российский ГОСТ 30630.1.5-2013 и международные стандарты ISO: 1680-2012, 3741:2010, 3743-1:2010, 3743-2:1994, 3744:2010, 3745:2012, 3746:2010, 3747:2010, 4871:1996, 7574-1:1985, 7574-4:1985, 7779:2010, 9614-1:1993, 9614-2:1996, 11203:1995.
- Методики Международной электротехнической комиссии – стандарты МЭК (IEC): 60034-1:2004, 61672-1:2002, 61672-2:2003.
Виды и методы акустических испытаний на звуковибрационное воздействие шума
Согласно ГОСТу 30630.1.5-2013 акустические испытания проводятся по одной из четырех методик. Выбор методики зависит от полученных при реальных испытаниях параметров звуковибрационного воздействия или от уровня акустического шума в конкретных условиях эксплуатации испытуемого оборудования, прибора или иного изделия.
- Испытания в реверберационной камере, в которой звук максимально отражается от стенок, создавая равномерное акустическое давление. Данная методика имеет два подвида в зависимости от частотных показателей звука.
- Равномерная плотность спектра по всему диапазону частот.
- Изменяющиеся частоты в определенном диапазоне.
- Испытания бегущей волной (с переносом энергии).
- Испытания стоячей волной (колебания без переноса энергии).
- Тестирование объемным резонансом.
Испытания в реверберационной испытательной камере
Такое акустическое тестирование на звуковибрационное воздействие применяют в большинстве случаев для изделий, эксплуатируемых в помещениях или в иных объемных средах закрытого типа. В таких условиях акустическое давление распределяется равномерно. Кроме того, такой метод звуковибрационного тестирования подходит для оболочек изделий, например, для ракетных обтекателей.
Бегущая волна
Такое акустическое тестирование проводят для изделий, на поверхность которых в процессе эксплуатации воздействует звуковибрационная энергия. Примеры таких конструкций – хвостовое оперение и панели самолетов, дронов и прочих мелких БПЛА. Кроме того, таким методом проводят тестирование на виброустойчивость.
Стоячая волна
Данные испытания проводятся в акустическом резонаторе для оценки работоспособности изделий в условиях воздействия интенсивного шума.
Объемный резонанс
Испытания объемным резонансом проводятся для анализа работоспособности изделий в условиях интенсивного звуковибрационного воздействия шума, резонирующего с собственными колебаниями системы, будь то машина или самолет, производственное оборудование или бытовая техника.
Параметры оценки акустического воздействия
В процессе акустических испытаний необходимо соблюдать выбранную методику и придерживаться основных параметров проведения тестирования и оценки его результатов.
- Предел звуковибрационного давления.
- Спектральные характеристики шума.
- Акустический тон.
- Диапазон случайного акустического шума.
- Длительность выдержки образца под звуковым воздействием.
- Диаграмма направления акустического воздействия.
- Допустимая погрешность.
Абсолютные значения и их допустимые интервалы регламентированы соответствующей научно-технической документацией к испытуемому изделию, а также отраслевыми стандартами, в т.ч. и международными.
Требования к проведению звуковибрационных испытаний
Для чистоты полученных результатов условия акустических испытаний и используемое для этого оборудование должны соответствовать стандартизированным требованиям.
Испытательные камеры
В зависимости от выбранной методики акустических испытаний на устойчивость к звуковибрационному воздействию шума для проведения лабораторного тестирования образца используют один из двух принципиально разных видов испытательных камер.
- Безэховые (БЭК). Все поверхности безэховой камеры покрыты звукопоглощающими материалами, благодаря чему направление звуковой волны сконцентрировано от источника на образец без воздействия отраженных шумов.
- Реверберационные. Поверхности покрыты материалами с минимальным звукопоглощением. В реверберационных камерах на образец воздействует равномерно распределенный шум, направленный со всех сторон за счет многократного отражения от окружающих поверхностей.
В большинстве случаев для звуковибрационных испытаний используют реверберационные камеры, поскольку только так обеспечивается равномерное распределение вибрационной и ударной составляющих акустического шума. Это важно как для оценки результатов тестирования, так и для более реалистичной имитации условий эксперимента, поскольку в реальных обстоятельствах эксплуатации практически не существует безэховых сред.
Реверберационная камера имеет неправильную форму. Это помогает избежать параллельности противоположных поверхностей и параллельного отражения звуковых волн. Одна из наиболее распространенных форм реверберационных камер – неправильный пятиугольник в плане с наклонным потолком.
Для акустических испытаний с бегущей волной используют железобетонные или металлические волноводы круглого или прямоугольного сечения с установкой источника шума с одной стороны туннеля и звукопоглотителей с другой.
Тесты со стоячей волной проводятся в акустическом резонаторе. Это закрытая труба из жесткого материала. Размер поперечного сечения трубы меньший, чем длина звуковой волны для образования стоячих волн по оси акустического резонатора.
Источники звука, КИПы и системы управления
Кроме самой испытательной камеры для проведения теста необходимо дополнительное акустическое оборудование:
- источники звука (рупоры или громкоговорители);
- датчики, контрольно-измерительные приборы и блок управления для контроля и регулировки акустических параметров;
- блок обработки полученных данных и их систематизации.
Громкоговорители, основанные на электродинамическом диффузорном принципе генерации звука, имеют широкий диапазон акустического излучения. При этом рупоры работают в меньшем диапазоне, но развивают более высокое звуковое давление. Выбор того или иного принципа генерации акустических волн зависит от целей испытаний и характеристик испытуемого образца.
В качестве датчиков используют как микрофоны, так и специальные устройства для регистрации величины звукового давления, а также шумомеры и пр.
Блоки управления и обработки полученных данных в современном оборудовании для проведения акустических испытаний представляют собой цифровую технику со специализированным программным обеспечением. Такое ПО позволяет обработать большой массив данных и скоординировать работу всех излучателей в соответствии с требуемыми параметрами проведения тестирования конкретного образца.
Этапы акустических испытаний на воздействие шума и их результаты
- Определение динамических параметров образцов. Основные из таких характеристик – критическая и резонансная частоты, которые иногда могут совпадать. Кроме того, перед началом эксперимента испытуемое изделие осматривают на предмет целостности и отсутствия дефектов, проводят геометрические и прочие замеры в соответствии с техническим регламентом НТД.
- Установка образца и начальная стабилизация. При выборе методики с использование реверберационной камеры образец устанавливают в самом ее центре так, чтобы поверхности изделия не были параллельными внутренним поверхностям испытательной камеры. Точки крепления образца указываются в НТД к испытуемому изделию.
- Имитация реальной механической нагрузки. В процессе акустических испытаний образец должен находиться в максимально приближенных условиях к реальным эксплуатационным. Если тестируется электроприбор или электротехническое оборудование, то оно должно быть подключено к питанию.
- Выдержка образца под воздействием звукового давления и спектра переменных частот в заданном диапазоне. На данном этапе важно правильно подобрать мощность генератора акустического шума. Продолжительность выдержки образца в звуковом поле определяется требованиями к методики акустических испытаний для конкретного изделия и его техническими характеристиками, включая габаритные размеры, вид материала и его звукопоглощающие параметры, вид креплений и пр.
- Осмотр образца с контрольными замерами.
Полученные в результате акустических испытаний данные обрабатываются на специальном ПО для создания визуальной инфографики и вычисления критических значений стойкости испытуемого изделия к воздействию акустического шума. Это позволяет внести корректировки в конструкцию изделия и технологию его производства или подтвердить соответствие продукции НТД и отраслевым стандартам, ускорив прохождение сертификации.
