К

К.т.н. Колыхалин В.М., к.т.н. Давыдов В.В., А.А. Новоселова

Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения Санкт-Петербург, Россия

Сравнительная оценка инфразвуковых составляющих шума электродвигателей

Современный прогресс техники акустических измерений связан с расширением частотного диапазона и повышением точности для очень малых и больших измеряемых величин. Подобная тенденция наблюдается и сейчас, но для области низких звуковых и инфразвуковых частот (ИЧ) при возрастающей роли на транспорте, производстве и быту силовой электроники. Такие измерения имеют особое значение при разработке методов и средств защиты человека от воздействия интенсивных малозатухающих (≈ 10^-2 дБ/м) колебаний.

По исследованиям Г. Бекеши [1] монауральный порог слышимости колебаний с частотой 1 Гц совпадает с болевым порогом при уровнях переменного давления около 140 дБ. Такая низкая слуховая чувствительность к подобным колебаниям приводит к их маскировке за счет большей чувствительности слуха в области средних частот, хотя первые могут оказывать заметное как эмоциональное, так и биологическое воздействие на человека. Тем более, что инфразвуковые колебания (ИК) с большими длинами волн воздействуют на все поверхности человека посредством воздушной, телесной и костной проводимости с потерей естественной локализации на источник ИК. В условиях же ближнего поля уровень воздействия на человека определяется не только уровнем давления, но и уровнем колебательной скорости частиц воздуха и, соответственно, интенсивности.

Задачи измерений и нормирования ИК к настоящему времени полностью не решены [2-4]. Существующие методы оценки шума источников в широком диапазоне частот базируются, главным образом, на измерениях в звукомерных реверберационных и заглушенных камерах [5, 6, 7 и др.], начиная с нижних частот от 31,5 Гц и даже 63 Гц. При этом регламентируются измеряемые параметры ИК уровнями звукового давления (УЗД) Lp, дБ в октавных полосах 2,4,8,16 Гц, УЗД (УЗ) в широкой полосе Lp_лин, дБ_лин и даже уровень звука (УЗ) с коррекцией по кривой А (слухового восприятия) Lp_.А, дБА. При этом часто не принимается во внимание, что при аттестации звукомерных камер уже нормируется частотный диапазон измерений. Так, например, минимальный объем V_m реверберационных камер (с диффузным полем) должен значительно превышать длину волны λ_н на нижней граничной частоте f_н из условия

или f_н, (1)

где c – скорость звука в воздухе.

Более жесткие требования предъявляются к условиям «свободного» поля в заглушенных камерах. Здесь, кроме требований по объему, частота f_н обеспечивается выбором длины l_кл звукопоглощающих «клиньев», размещаемых на всех или, кроме пола, поверхностях камер. Примерный расчет длины l_кл находится из соотношения

f_н. (2)

Как показали проводимые нами исследования, к подобным источникам шума с повышенным уровнем ИК относятся асинхронные электродвигатели даже малой мощности. Для оценки их шума наиболее эффективным оказывается способ акустической связи электродвигателей и микрофонов посредством камеры малого объема (КМО) в виде короткой трубы. Это определяется большей отдачей «по давлению» и известным характером звукопередачи при минимальных стоимости и трудоемкости с определенной ориентацией на существующий ГОСТ 31326-2008.

По известной классификации шума электродвигателей (ЭД) обычно выделяются составляющие магнитного, механического и аэродинамического происхождения. Интенсивность последних в области средних частот (СЧ) растет с увеличением размеров элементов и скоростью их вращения. Механическая составляющая шума ЭД менее эффективна из-за малых «точечных» площадей излучения, разницы волновых сопротивлений воздуха и вибрирующих элементов, экранирования статором и внешним корпусом.

Отмеченные составляющие являются производными совокупности магнитных сил, формирующей исходное силовое электромагнитное поле и, соответственно, полную мощность ЭД. Так электродинамические силы F_ЭДдействуют тангенциально на проводники с общей длиной l обмотки, равномерно распределенной по всей окружности ротора, в которой протекает аксиально направленный ток с амплитудой

F_ЭД (3)

Аксиальные электромагнитные силы (Максвелла) действуют перпендикулярно на торцевые поверхности статора и ротора ЭД. Их амплитудные значения можно найти по следующей формуле

F_эм, (4)

где μ₀ = [Гн/м] – магнитная проницаемость вакуума (воздуха); S – общая площадь сечения статора и ротора, разделенных воздушным зазором.

Магнитострикционные силы (Джоуля) вызывают радиальную деформацию пластин электротехнической стали магнитопровода статора под действием его переменного магнитного поля. Амплитудное значение этих сил, как временных функций , пропорционально квадрату приложенного напряжения к обмотке статора с числом витков n, может быть найдено из соотношения

F_мс._i (5)

где – площадь сечения магнитопровода статора ( и – соответственно наружный и внутренний радиусы, h – его длина); – магнитострикционная постоянная стали (Па/Тл или а/м); – угловая частота колебаний, кратная целым числам от частоты сети.

Радиальная деформация кольцевых пластин стали и, в целом, – статора приводит к изменениям геометрических размеров его магнитопровода как по внутреннему (), так и по наружному () контурам со следствием – вибрациями. Из (5) следует, что именно дифференциальная устанавливает взаимосвязь амплитуды колебательного смещения , например, внешнего контура окружности () цилиндрического магнитопровода статора с известным феноменологическим эффектом – зависимости модуля упругости (магнитной упругости) стали от амплитуды и направления поля индукции, т.е.

, откуда , (6)

где – относительная наружная деформация магнитопровода статора, достигающая для электрической стали 10^-4 … 10^-5 при , а – амплитуда колебательного смещения наружного контура магнитопровода.

Связь силовой вибрации со звуковым давлением возбуждаемого шума внутри замкнутого объема V камеры может быть найдена из уравнения Пуассона в дифференциальной форме

, (7)

где = 1,4 – постоянная адиабаты; – атмосферное давление; z – координата по длине камеры; – волновое (фазовое) число.

Влияние параметров ЭД и замкнутого объема воздуха удобно рассмотреть с использованием первой системы электромеханических аналогий, базирующейся на сходстве уравнения Кирхгофа последовательного электрического контура и принципом Даламбера для механического узла. Так некоторой суммарной «цилиндрической» силе ∑F (рис. 1 а), приводящей в колебательное движение магнитопровод статора, противодействуют силы реакции как собственного механического сопротивления , так и со стороны воздушной нагрузки , т.е.

, (8)

где ,, – соответственно трение, гибкость и масса статора; – гибкость воздуха в замкнутом объеме; – колебательная скорость деформации магнитопровода статора в КМО под действием приложенной силы.

Рис. 1. Схематическое представление конструкции КМО с ЭД: а) разрез КМО с ЭД, в схеме измерений: 1 – автотрансформатор; 2 – вольтметр; 3 –воздушный объем с гибкостью воздуха С; 4 – ЭД с собственными параметрами с, m , r ; 5 – микрофонный зонд с 2 микрофонами 4165 анализатора 8 типа 3360; 6 – фильтр ФНЧ; 7 – ПК; б) эквивалентная схема акустической связи ЭД с КМО

Все перечисленные элементы представлены в разрезе КМО и показаны на схеме эквивалентной модели (рисунок 1,б). Здесь учтено, что – внутреннее трение в упругом элементе 1/ пропорционально квадрату смещения , а не скорости . поэтому в схеме эквивалента составляющая трения объединена с упругой составляющей с помощью комплексного коэффициента гибкости , где – коэффициент потерь в магнитопроводе. А при параллельном соединении и общая гибкость будет , так как . При подстановке и учете наружной площади магнитопровода из (4), выражение (7) для модуля амплитуды F можно получить в виде

/ = , (9)

где – амплитуда звукового давления в КМО, а .

В (9) вторые слагаемые полностью идентичны (7) и имеют хорошее соответствие давлению, возбуждаемому магнитострикционной силой (5), особенно в области низких и инфразвуковых частот.

Измерительная установка для экспериментальной оценки рассмотренных положений состояла из камеры малого объема V = 0,028 м³ с линейными размерами 32,6×23×31,5 см. Регулировка сетевого питания асинхронного двигателя от магнитофона мощностью 35 Вт осуществлялся по автотрансформатору и вольтметру. Уровень шума в КМО измерялся калиброванными микрофонами с фиксацией результатов на мониторе анализатора 3360 и в специальной программе компьютера, выполняющей анализ спектра цифровым фильтром с постоянством абсолютной полосы пропускания 3…5 Гц. Все электрические вводы в КМО были максимально герметизированы.

Оценка уровня шума ЭД в КМО на установке (рисунок 1,а) была выполнена в полузаглушенной комнате небольших размеров 4,0×3,5×2,6 м с отражающим полом. Результаты измерений фонового шума в 1/3 октавных полосах в сравнении с шумом ЭД при среднем (70 В) напряжении питания, показаны на рисунке 2. Как видно из рисунка 2, имеющиеся акустические условия в КМО вполне удовлетворяют требованиям [6]. Уровень шума ЭД, равный 75 дБ_лин не менее, чем на 15 дБ_лин, превышает уровень фона, а в отдельных полосах разница достигает 25 дБ.