Измерване на шум и вибрации

Шумът и шумовото замърсяване на околната среда представляват един от големите екологични проблеми на нашето време. Статистиката сочи, че около 20% от населението в ЕС страда от нива на шум, които се считат за неприемливи.

Това може да повлияе на качеството на живот и да предизвика в значителна степен стрес, нарушения на съня и неблагоприятни последици за здравето. Шумът оказва неблагоприятно въздействие и върху дивата природа. Поради тази причина се налага осъществяване на контрол върху нивата на шум в населените места, основните пътища, летища и жп линии.

Мониторингът на шума в урбанизираните територии у нас е подчинен на национална система, която провежда системни наблюдения за определяне състоянието на шумовото натоварване и анализира информацията. На нейна база се изготвят стратегически карти за шум и се предоставя информация за разработване на планове за действие за намаляване на шумовото натоварване и вредните ефекти върху здравето на населението.

Стратегическите карти за шум представляват цялостна оценка за излъчването на шум в дадена територия, причинен от различни източници. Картите и плановете за действие се изготвят и одобряват за агломерации, основни пътища, основни летища и основни жп линии.

Те съдържат текстова и графична информация за предходна, настояща и очаквана шумова ситуация, надвишаване граничните нива на шум, броя на жилища, училища, болници и други в района, брой на хората в него. Стратегическите карти на шум определят местата с превишаване на шумовото натоварване. Изработват се планове за действие за намаляване нивата на шум, за да не се превишават граничните нива и да се опазва здравето на хората.

Измерване на шум
Измерванията на шум се извършват от акредитирани лаборатории. В процеса се определят шумовите и акустични характеристики на полето, създадени от един или повече реални източници на шум. Най-общо казано измерването на шум е измерване на нивото на звуково налягане в конкретна точка от пространството в даден момент от време.

В качеството на първични преобразуватели при измерване на шум и звук се използват измервателни микрофони. Основно изискване към тях е да притежават равномерна амплитудно-честотна характеристика в зададения честотен обхват, а също така и равномерна характеристика на насоченост (т. нар. диаграма на чувствителност), за да се гарантира независимост на измерването от посоката на падане на звуковите вълни.

На тези условия отговарят кондензаторните микрофони. Те притежават равномерна амплитудно-честотна характеристика и сравнително висока чувствителност. При невъзможност за използване на кондензаторни микрофони (при тежки експлоатационни условия) се препоръчва използването на електродинамични микрофони. Те притежават сравнително равномерна амплитудно-честотна характеристика, която при необходимост лесно се коригира с пасивни или активни коригиращи вериги и сравнително добра чувствителност.

Основно изискване към шумомерите е правилното калибриране на чувствителността им непосредствено преди всяко измерване. В комплекта на съвременните шумомери е включен генератор на еталонен звуков сигнал – т. нар. пистофон.

Крайният резултат при измерването на нивото на звуковото налягане е построяването на шумова диаграма. Тя дава разпределението на нивото на звуковото налягане в обема на помещението или обекта. Измерването се извършва в предварително установени точки, отстоящи на строго диференцирани разстояния спрямо основния звукоизточник, образуващи полусферична повърхнина.

Измерване на вибрации
В днешно време редица механизирани инструменти с въртящи се детайли и инструменти създават вибрации с широк диапазон параметри. Вибрацията може да бъде източник на дискомфорт дори на ниски нива и може да представлява риск за безопасността на хората при по-високи нива.

Вибрациите оказват голямо влияние върху човешкия организъм и степента на действието им зависи от вида на колебанията, от начина на възбуждането им и от тяхната амплитуда. Под действие на вибрациите в организма настъпват органични и функционални изменения в системата на кръвообращението, в централната и вегетативната нервна система, в костно-ставната система и в мускулатурата.

Развива се така наречената вибрационна болест, която представлява своеобразна невроза. Поради тези причини е нужен мониторинг върху вибрациите. Приборите, които се използват за измерване на механични трептения, се наричат вибромери, а приборите служещи за запис на част или на целия измерван спектър на процеса са познати като вибрографи.

Точност на измерването
Върху точността на измерване на вибрациите и шума влияят редица външни и вътрешни за измервателната система фактори. Вътрешните за системата фактори са свързани с грешката на първичните преобразуватели (акселерометри и измервателни микрофони), измервателните прибори (виброметри, шумомери, звукомери), както и с допълнителния шум, който свързващите кабели внасят в измервателния сигнал.

Външни за системата фактори са закрепването и масата на акселерометрите, разполагането на измервателните микрофони в звуковото поле, както и калиброването на шумомерите (звукомерите) и виброметрите.

Тъй като в повечето случаи съвременните акселерометри са механо-електрически преобразуватели, то на техния изход може да се получи електрическо напрежение, което не е причинено от вибрации. Това е външно напрежение, индуцирано от разсеяни електромагнитни или електростатични полета направо в акселерометъра или най-често в свързващия кабел.

Това се явява систематична грешка, която се открива и отстранява сравнително лесно. Поради факта, че акселерометърът има голям електрически импеданс (съпротивление) и малък вътрешен капацитет, свързващите кабели са с много ограничена дължина и задължително екранирани (но имат голям вътрешен капацитет по отношение на акселерометъра).

Ако съединителният кабел е подложен на вибрации (особено в местата където има прегъване), ще се измени и вътрешният му капацитет. Тази промяна на капацитета води до промяна на изходното напрежение. При необходимост от по-дълъг свързващ кабел акселерометърът се свързва чрез нискошумящ предусилвател с малък изходящ импеданс, което позволява използването на по-дълъг съединителен кабел.

Към външните фактори спада закрепването на акселерометъра към измерваната повърхнина и масата му. Препоръчва се масата на акселерометъра да не превишава 1/10 от трептящата маса на изследвания обект. Различните начини на закрепване на акселерометъра към изследвания обект могат да доведат до промяна на свойствата на резултантната механична система (най-често резонансната й честота).

Най-добрият начин за закрепване, даващ възможност за пълно използване на свойствата на акселерометъра, е твърдото закрепване с помощта на винт. Най-неблагоприятният вариант е този, при който акселерометърът се държи с ръка. Много добри резултати се получават при леки акселерометри, закрепени към повърхнината със специален восък. Закрепването с други лепила увеличава грешката на измерването. До увеличаване на систематичната грешка води и недостатъчно прецизното калибриране на виброметъра преди началото на измерването.

Нивото на външните смущаващи напрежения зависи от фактори, несвързани със самия звукомер. Такива фактори са: външно магнитно поле; външни вибрации, на които е изложен микрофонът; твърде силно звуково поле (причиняващо микрофония във веригите на звукомера); влияние на движението на въздуха и нестандартния удължителен кабел на микрофона.

Един от най-често срещаните случаи на смущаващо външно влияние върху микрофоните е движението на въздуха. Тук трябва да се имат предвид посоката, скоростта и видът на въздушните движения, които в условията на измерванията трудно могат да се преценят. По тази причина е необходимо да се спазва правилото: най-малкото ниво на измерения шум да бъде с 5 dB по-високо от нивото на смущаващите напрежения (това на практика е най-ниското ниво, което може да се счете за валидно при измерванията).

Не бива да се пренебрегва и фактът, че звуковото поле се деформира както от наличието в него на измервателния микрофон и шумомера (звукомера), така и от тялото на оператора. Тогава според спецификата на конкретното измерване (вида на шума, желаната точност на измерването и вида на звуковото поле) трябва да се прецени дали операторът може да остане в звуковото поле или да се използва удължителен кабел към микрофона.

Освен това е необходимо посоката на попадане на звука върху микрофона да е съобразена с неговата диаграма на насоченост. Правилното електрическо и звуково калибриране преди всяко измерване са необходимата гаранция за повишаване на точността на измерването.