Hałas maszyn - znormalizowane metody wyznaczania poziomu mocy akustycznej (2)

Praca wykonana w ramach Strategicznego Programu Rządowego pn. "Bezpieczeństwo i ochrona zdrowia człowieka w środowisku pracy" dofinansowanego przez Komitet Badań Naukowych

METODY POMIARU NATĘŻENIA DŹWIĘKU

Metody określone w normach EN ISO 9614-1 EN ISO 9614-2 polegają na .wyznaczeniu poziomu mocy akustycznej nie na podstawie pomiarów poziomów ciśnienia akustycznego, ale pomiarów natężenia dźwięku. Pomiary te są wykonywane na powierzchni otaczającej maszynę, w jej bezpośrednim polu akustycznym. Pomiar może być wykonywany albo punkt po punkcie, albo przez ciągle przemieszczanie sondy po powierzchni pomiarowej.

Oryginalność tych metod: w pewnych warunkach poziom natężenia dźwięku na powierzchni pomiarowej nie jest zakłócony ani przez pole pogłosowe pomieszczenia, ani przez pole bezpośrednie innych obecnych źródeł, ewentualnie bardziej hałaśliwych niż maszyna, której moc akustyczną chcemy wyznaczyć. Gdy brak jest powierzchni pochłaniających wewnątrz objętości ograniczonej przez pomiarową powierzchnię otaczającą, energia dźwiękowa, która wpływa do tej objętości, wypływa z niej w całości. Jeśli energia ta jest stała w czasie, jej wpływ na pole natężenia na powierzchni pomiarowej jest zerowy. Poprawki środowiskowe ze względu na hałas tła nie są potrzebne.

Wśród wszystkich metod pozwalających wyznaczyć moc akustyczną, metody pomiarowe natężenia dźwięku zajmują szczególne miejsce. Jest to związane:

• ze specyfiką tych metod, odpowiednio do umiejętności pomiarowych i aparatury akustycznej, wymaganej do ich wdrażania (sonda natężeniowa o dwóch mikrofonach z określonym systemem obróbki sygnału),
  
• z wielką wrażliwością na czynniki środowiska sondy natężeniowej,
  
• z trudniejszym podejściem niż metody klasyczne, ponieważ odwołują się do rozważań fizycznych, bardziej złożonych,
  
• z faktem, że normatywna formalizacja miała niedawno miejsce.

Metody pomiaru natężenia dźwięku zdecydowanie przekroczyły dzisiaj stadium rozwoju. Z powodu komercjalizacji pomiarowych programów komputerowych opracowywanych do ułatwienia ich wdrażania stały się one dostępne również dla osób spoza branży akustycznej. Metody pomiaru natężenia dźwięku są tak oryginalne i interesujące, że mogą być stosowane do prawie każdej sytuacji praktycznej. Ich zastosowanie jest niemożliwe tylko w dwóch następujących sytuacjach:

• hałas tła jest wysoki (w stosunku do hałasu emitowanego przez badane źródło) i zmienia się w czasie,
  
• maszyna charakteryzuje się znacznym pochłanianiem dźwięku i energia dźwiękowa wnikająca do objętości ograniczonej powierzchnią pomiarową nie wychodzi z niej w całości.

Jednakże istnieją niesłuszne tendencje do używania tych metod tylko w sytuacjach przemysłowych, w których metody klasyczne są nieskuteczne. Kiedy uzyska się aparaturę i niezbędną wiedzę na temat tych metod, metody pomiaru natężenia dźwięku, a przede wszystkim określone w normie EN ISO 9614-2 Gęśli klasa 1 nie jest wymagana), powinny być przedkładane nad metody klasyczne. Ich jedyną prawdziwą niedogodnością jest złożoność procedury związana z faktem, że osiągnięta klasa precyzji jest znana dopiero po zakończeniu badania. Jeśli wymagana klasa nie została osiągnięta, należy ponownie rozpocząć badania.


Krótka analiza porównawcza norm EN ISO 9614-1 i 9614-2

Metody oferowane przez te dwie normy są zbieżne w następujących punktach:

• ta sama zasada fizyczna wyznaczania poziomu mocy akustycznej (na podstawie pomiaru na powierzchni otaczającej badane źródło składowej normalnej natężenia dźwięku oraz ciśnienia akustycznego),
  
• to samo wymaganie dotyczące stabilności czasowej zarówno emisji dźwiękowej badanego źródła, jak i hałasu tła, które narzucają szczególne środki ostrożności,
  
• ten sam zakres częstotliwości, w którym poziom mocy akustycznej może być wyznaczony (od pasma tercjowego 50 Hz do pasma 6,3 kHz),
  
• poziomy natężenia i ciśnienia akustycznego są mierzone w pasmach tercjowo-oktawowych lub oktawowych (brak pomiarów bezpośrednich poziomów skorygowanych charakterystyką A jak dopuszczają normy EN ISO 3744 i 3746, które również wykorzystują powierzchnię pomiarową otaczającą badane źródło),
  
• ta sama procedura polegająca na powtarzaniu badań tak, aby zapewnić spełnienie kryteriów wynikających z wartości wskaźników i umożliwić osiągnięcie danej klasy dokładności.

Tabela prezentuje porównanie dwóch metod ze wskazaniem punktów, które je odróżniają [8].

Wybór metody pomiaru natężenia dźwięku

W momencie, gdy podejmie się już decyzję o wyborze metody pomiaru natężenia dźwięku (albo kiedy dysponuje się odpowiednią aparaturą i wiedzą, albo kiedy w praktyce żadna metoda klasyczna nie może być zastosowana), wybór między dwiema znormalizowanymi dostępnymi metodami zależy od charakteru emitowanego hałasu i postawionego celu.

Jeśli hałas emitowany przez badane źródło jest ustalony podczas skanowania sondą jednego segmentu powierzchni pomiarowej, wtedy norma EN ISO 9614-2 ma zastosowanie i będzie miała pierwszeństwo wobec normy EN ISO 9614-1, której stosowanie jest bardziej uciążliwe. Jeśli badane źródło pracuje w cyklu, podczas którego emitowany hałas jest ewentualnie ustalony tylko dla okresów zbyt krótkich, aby umożliwić dokonanie skanowania, wówczas wybiera się normę EN ISO 9614-1. Jeśli czas, jaki zabierze wykonanie badania jest parametrem decydującym, wtedy powinno się wybrać normę EN ISO 9614-2. Jeżeli celem jest wyznaczenie mocy akustycznej z bardzo dużą dokładnością, wtedy wybiera się normę EN ISO 9614-1, która pozwala uzyskiwać wynik klasy 1. Równowartością jest wymagany wysiłek metrologiczny i czas, jaki należy poświęcić badaniu.

Jeśli moc akustyczna jest wyznaczona dla prototypu maszyny, na przykład w ramach prac projektowych rozwiązań o ograniczonym hałasie, wtedy trud związany ze stosowaniem normy EN ISO 9614-1 może zostać oceniony jako znośny. Wybiera się również tę normę wtedy, gdy chodzi o wyznaczenie cząstkowej mocy akustycznej pochodzącej z określonej strefy emisyjnej badanego źródła.

Jeśli przedmiotem badania jest deklaracja emisji hałasu w ramach przepisów lub umowy klient-dostawca, wtedy z ewidentnych powodów prostoty, szybkosci zastosowania i względów oszczędnościowych wybiera się normę EN ISO 9614-2 starając się uzyskać wynik klasy 2, klasy zalecanej do celów deklaracji.


CHARAKTERYSTYKA NORM EN ISO 9614-1 I EN ISO 9614-2 [8]

Sposób pomiaru na powierzchni otaczającej rozłożonej na segmenty	EN ISO 9614-1	EN ISO 9614-2
	punkt po punkcie w środku każdego segmentu	przez ciągłe przemieszczanie sondy po każdym segmencie (skanowanie)
Mierzone wielkości fizyczne	składowa normalna natężenia dźwięku i ciśnienie akustyczne w środku każdego segmentu	średnia wartość składowej normalnej natężenia dźwięku i ciśnienia akustycznego w czasie skanowania segmentu
Klasa dokładności wyniku	l, 2 lub 3 w zależności od wartości wskaźników konfrontowanych 7. kryteriami	2 lub 3 w zależności od wartości wskaźników konfrontowanych z, kryteriami
Wskaźniki pola na powierzchni pomiarowej	4 wskaźniki: czasowej zmienności pola akustycznego (F1) powierzchniowy (F2) ujemnej mocy cząstkowej (F3) niejednorodności pola (F4)	2 wskaźniki: powierzchniowy (Fpl) zakłócający wpływ środowiska (mocy cząstkowej ujemnej, F+/-)
Kryteria przyznawania osiągniętej klasy dokładności	niestabilność czasowa pola (oparta na F1) adekwatność aparatury (oparta na F2) adekwatność powierzchni pomiarowej i segmentowania (oparte na F2, F3, F4)	adekwatność aparatury (oparta na Fpl) granica dla mocy akustycznej ujemnej (oparta na F+/-) adekwatność powierzchni pomiarowej i   segmentowania   (przez   porównanie dwóch skanowań)
Procedura osiągnięcia danej klasy dokładności	procedura powtarzania sprawdzania powierzchni pomiarowej i segmentów wstępnych przez interakcję miedzy wynikami pomiaru, obliczaniem wskaźników i badaniem kryteriów; złożona procedura odwołująca się do 4 wskaźników	procedura powierzchni pomiarowej i segmentów wstępnych przez interakcję między wynikami pomiaru przez skanowanie, obliczaniem wskaźników i badaniem kryteriów. Procedura mniej skomplikowana, odwołująca się tylko do 2 wskaźników
Liczba pomiarów	1 punkt/m2 (z co najmniej 10 punktami równo rozłożonymi) 1 punkt 2/m2, jeśli 1 punkt/m2 prowadzi do więcej niż 50 punktów	podział powierzchni pomiarowej na co najmniej 4 segmenty odpowiadające strefom "źródła" o różnej emisji, 1 skanowanie na segment. Dla klasy 2 wykonać 2 skanowania każdego segmentu
Stopień trudności	duży, ponieważ: procedura prowadzi do liczby punktów pomiarowych, która może być bardzo duża i większa od tej wymaganej przez metody klasyczne, konieczne może okazać się powtórne rozpoczęcie pomiarów, aby zwiększyć dokładność w trudnym przypadku, nie ma możliwości zredukowania liczby punktów pomiarowych, wykorzystując ewentualną symetrię pola, jak po/walają  na to  metody  klasyczne norm EN ISO 3744 i 3746	o wiele mniejszy, ponieważ jedno skanowanie równa się wszystkim pomiarom w punktach, ale: koniecznym może okazać się powtórzenie pomiarów tak, aby zwiększyć dokładność w trudnym przypadku, nie ma możliwości badania tylko jednej części powierzchni pomiarowej, wykorzystując ewentualną symetrię pola, jak pozwalają na to metody klasyczne norm EN ISO 3744 i 3746.

* * *

Przeprowadzona analiza wskazała na istnienie wielu metod wyznaczania poziomu mocy akustycznej maszyn określonych w 10 normach EN ISO serii 3740 (metod polegających na pomiarze poziomu ciśnienia akustycznego) i serii 9614 (metod polegających na pomiarze natężenia dźwięku), różniących się przede wszystkim klasą dokładności możliwą do uzyskania w różnych dostępnych środowiskach badawczych, przy zastosowaniu dostępnej aparatury pomiarowej o różnej klasie dokładności i przy różnym stopniu złożoności i trudności metod oraz różnych kosztach badań.

Stopień trudności przy wyznaczaniu poziomu mocy akustycznej zależy od:

• wymaganej dokładności,
  
• przyjętego środowiska badawczego,
  
• wielkości źródła, która:
  
  
  
  • w metodach powierzchni otaczającej określa liczbę punktów, w których mierzony będzie poziom ciśnienia lub natężenia dźwięku;
    
  • w metodach porównawczych określa liczbę pozycji źródła dźwięku odniesienia,
    
  
  
• wymaganego wyniku - poziom mocy akustycznej skorygowany charakterystyką A, poziom mocy akustycznej w pasmach częstotliwości (tercjowych lub oktawowych),
  
• złożoności cyklu pracy maszyny, co może prowadzić do wyznaczania cząstkowej mocy akustycznej dla każdej fazy cyklu,
  
• dokładności stosowanych przyrządów (nie mylić z klasą dokładności metody):
  
  
  
  •  przyrządów klasy dokładności l dla metod klasy dokładności 2 lub l,
    
  •  przyrządów klasy dokładności 2 dla metody  klasycznej   klasy  dokładności 3 normy EN ISO 3746,
    
  •  mikrofonów (metody klasyczne) lub sondy do pomiarów natężenia dźwięku.

Przyjmując malejący stopień trudności dla metod klasycznych można wymienić:

• Metody w komorach spełniających określone wymagania: komora bezechowa lub półbezechowa (EN ISO 3745), komora pogłosowa (EN ISO 3741), specjalne pomieszczenie pogłosowe (EN ISO 3743-2).
  
  Konstruktor maszyny powinien albo wyznaczać moc akustyczną swoich wyrobów i w związku z tym zainwestować w specjalne pomieszczenia badawcze, aparaturę akustyczną i szkolenie swojego personelu technicznego albo na potrzeby badań okazjonalnych może korzystać z usług wyspecjalizowanego laboratorium, które dysponuje pomieszczeniem, aparaturą i odpowiednim personelem technicznym. W tym ostatnim przypadku powstaje problem transportu maszyny na stanowisko badawcze.
  
• Metody wykorzystujące dowolne pomieszczenie, które może być pomieszczeniem montażowym u konstruktora maszyny lub pomieszczeniem użytkownika, w którym ona zazwyczaj pracuje (EN ISO 37434, 3744, 3746 i 3747). Można osiągnąć tylko 2 lub 3 klasę dokładności. Przed zastosowaniem metody należy upewnić się, czy wszystkie wymagania normy, która je określa, zostały spełnione. Dotyczy to przede wszystkim właściwości akustycznych środowiska. Normy narzucają środowisku badawczemu precyzyjne kryteria i podają procedurę kwalifikowania. Przed przystąpieniem do wyznaczania poziomu mocy akustycznej należy wykonać badania wstępne właściwości środowiska. Są to badania o różnym charakterze w zależności od tego, czy chodzi o metodę powierzchni otaczającej (EN ISO 3744 i 3746) czy o metodę pomiaru w polu pogłosowym (EN ISO 3743-1 i 3747). W ramach metody powierzchni otaczającej należy wyznaczyć poprawkę środowiskową K₂ i porównać ją z kryteriami klas dokładności 2 i 3. W ramach metody pomiaru w polu pogłosowym należy zastosować specyficzną procedurę. Po scharakteryzowaniu środowiska i uznaniu, że dana metoda może być stosowana, można przystąpić do wyznaczania mocy akustycznej. Wymaga ono większego wysiłku w metodzie powierzchni otaczającej niż w metodzie pomiarowej w polu pogłosowym. Jest to związane z większą liczbą punktów pomiarowych, ale rozważyć należy fakt, że metody pomiarowe w polu pogłosowym (dlatego że są metodami porównawczymi) wymagają powtarzania pomiarów dla jednej lub kilku pozycji źródła dźwięku odniesienia.

Jeśli chodzi o stopień trudności, usytuowanie metod pomiaru natężenia dźwięku w stosunku do metod klasycznych nie jest proste. W momencie, gdy uczyniony zostanie wysiłek nabycia aparatury do pomiaru natężenia dźwięku i szkolenia osób ją obsługujących, metody pomiaru natężenia dźwięku są korzystne, ponieważ wymagania w zakresie środowiska badawczego są zredukowane, a w związku z tym żadna wstępna charakterystyka środowiska - poza weryfikacją stabilności hałasu tła - nie jest konieczna.

Wyznaczanie mocy akustycznej zgodnie z normą EN ISO 9614-1 trwa dłużej niż metodą klasyczną powierzchni otaczającej, ponieważ liczba punktów pomiarowych jest zdecydowanie większa; norma EN ISO 9614-1 sugeruje zwiększenie liczby punktów pomiarowych, umożliwiających np. zwiększenie dokładności lub lepsze objęcie strefy źródła o szczególnej emisji. W kategoriach czasu pomiaru, norma EN ISO 9614-2 jest bardzo korzystna, ponieważ procedura przez skanowanie jest po prostu szybsza.

Przy wyborze metody wyznaczania poziomu mocy akustycznej należy kierować się następującymi zasadami.

Jeżeli istnieje znormalizowana procedura badania hałasu wybranej rodziny maszyn, cytuje ona te metody określone w normach serii EN ISO 3740 i 9614, które są dopuszczone dla danej rodziny. Jeśli jest ich kilka, problem wyboru pozostaje, ale jest on bardziej ograniczony, ponieważ pierwsza selekcja została dokonana przez wymienioną procedurę badania.

Jeżeli znormalizowana procedura badania hałasu wybranej rodziny maszyn nie została opracowana, wyboru najwłaściwszej metody należy dokonać, jak już wspomniano, biorąc pod uwagę cel badań, środki techniczne (dostępne środowisko badawcze, aparatura) i względy ekonomiczne (koszt badań). Pomocna powinna być norma ISO 3740 (patrz rys.) [6] po jej ostatecznej rewizji i opublikowaniu.

Należałoby również odnieść się do innych (prostszych) metod określonych w serii norm EN ISO 11200, które dotyczą drugiej wielkości emisji hałasu, jaką jest poziom ciśnienia akustycznego emisji na stanowisku pracy. Istnieje korelacja między dwiema grupami znormalizowanych metod, którą trzeba wziąć pod uwagę przy wyborze do stosowania optymalnej normy (jednej z pary) zwłaszcza, gdy chodzi o stopień trudności i koszt badań.

Powiązanie tych metod dotyczących wyznaczania dwóch wielkości emisji hałasu wynika zarówno z wymagań dyrektywy 98/37/EC (wybór wyznaczanej wielkości zależy od wartości emisji¹), jak i wymagań metodologicznych (obie wielkości muszą być mierzone przy zachowaniu tych samych warunków badań).

Metody wyznaczania poziomu mocy akustycznej maszyn wraz z metodami wyznaczania poziomu ciśnienia akustycznego emisji, zgodnie z wymaganiami dyrektywy 98/37/EC, mogą służyć: do akustycznych badań certyfikacyjnych maszyn (badanie typu), do wyznaczania i deklarowania emisji hałasu maszyn przez konstruktora/producenta, do porównania i sprawdzania przez użytkownika deklarowanych danych o emisji hałasu maszyn, jak również do badań akustycznych przy konstruowaniu maszyn o ograniczonym hałasie.

Metody te określone w nowo opracowanych polskich wersjach norm europejskich (PN-EN ISO serii 3740 i serii 9614) zastąpią dotychczasowe polskie normy serii 1330 opracowane w latach 1984-1985.


SCHEMAT BLOKOWY ILUSTRUJACY ZASADY WYBORU WŁASCIWEJ NORMY (NORM) MIEDZYNARODOWEJ DO WYZNACZANIA POZIOMU MOCY AKUSTYCZNEJ (ISO/DIS 3740:1998)


* Poziom ciśnienia akustycznego emisji na stanowiskach pracy oraz w innych wyznaczonych punktach (zobacz serię ISO 11200) może być zmierzony w tej samej sytuacji pomiarowej i z tą samą klasą dokładności

** ISO 9614 może być używana w większości środowisk badawczych, w których stosowane są normy z serii ISO 3740


PIŚMIENNICTWO

[1] Augustyńska D., Pleban D.: Program harmonizacji przepisów i norm krajowych z zakresu ochrony przed hałasem i drganiami w środowisku pracy z wymaganiami EWG. Zadanie badawcze nr 47, etap 2, PBZ 0001/S4/92, CIOP, Warszawa 1994

[2] Augustyńska D.: European directives and standards for vibroacoustic protection (Dyrektywy i normy europejskie w ochronie wibroakustycznej). Proceedings of 10 th International Conference on Noise Control NOISE CONTROL'95, CIOP, Warszawa 1995
[3] Augustyńska D.: Europejskie regulacje prawne - ochrona przed hałasem i drganiami. Bezpieczeństwo Pracy nr 10,1995

[4] Augustyńska D.: Normy europejskie - ochrona przed hałasem i drganiami. Bezpieczeństwo Pracy nr 11,1995

[5] Daniere R: Determination de la puissance acoustique par intensimetrie, a l'aide de la technique de balayage. Cahiers de Notes Documentaires - Hygiene et Securite de Travail. 164, pp. 329-342, 1996

[6] Higginson R. R, Jacques J., Lang W. W.: Directives, Standards, and European Noise Requirements. Noise/News International, vol. 2, nr 2, September, 1994

[7] Jacques J.: Panorama des normes d'acoustique industrielle elaborees dans le cadre de la nouvelle approche. Cahiers de Notes Documentaires - Hygiene et Securite du Travail, 163, pp. 133-148,1996

[8] Jacąues J.: Les series de normes EN ISO 3740 et EN ISO 9614. Determination du niveau de puissance acoustiaue de machines industrielles. Cahiers de Notes Documentaires - Hygiene et Securite du Travail, 166, pp. 91-107, 1997
[9] Jacques J.: La serie de normes EN ISO 11200. Determination du niveau de pression acoustiaue d'emission au poste de travail des machines industrielles. Cahiers de Notes Documentaires - Hygiene et Securite du Travail, 165, pp. 491-507, 1996

[10] Mikulski W., Augustyńska D., Pleban D.: Opracowanie projektów PN-EN dotyczących określania poziomu mocy akustycznej maszyn. Zadanie badawcze 02.4.6/SPR-1, CIOP, Warszawa 1999

[11] Directive 98/37/EC of the European Parliament and of the Council of 22 June 1998 on the

¹⁾ Poziom mocy akustycznej powinien być podany, gdy równoważny poziom dźwięku A (czyli wg norm serii EN ISO 11200, uśredniony w czasie poziom ciśnienia akustycznego emisji skorygowany charakterystyką A) przekracza 85 dB.