Wykorzystanie pomiarów pasma ultradźwiękowego należy do najbardziej efektywnych metod detekcji wycieków powietrza. Metoda ta bazuje na analizie widma sygnału, w zakresie powyżej 20 kHz wyszukując składowe mierzonego hałasu powstałe na skutek wycieku.

Sam proces detekcji wycieku powietrza jest kluczowym etapem projektowania wielu mechanicznych komponentów oraz ważną kwestią w utrzymywaniu układów pneumatyki. Metoda ta podczas pomiarów napotyka wiele przeszkód, spośród których największym jest hałas w bezpośrednim pobliżu źródła wycieku. Z tego względu dzielę się pomiarami przedstawiającymi rezultaty wykorzystania metody ultradźwiękowej w warunkach wysokiego tła akustycznego.

Zachęcamy również do zapoznaniam się z artykułem opisującym użycie kamery akustycznej przy pomiarach szczelności instalacji pneumatycznej.

Tło akustyczne

Największym problemem podczas wykonywania jakichkolwiek pomiarów dźwięku jest tło akustyczne. Kluczowe są tutaj dwa aspekty: po pierwsze widmo sygnału, czyli udział konkretnych częstotliwości w hałasie tła oraz jego całkowity poziom ciśnienia akustycznego.

Podczas detekcji wycieków powietrza, np. w silnikach lub innych mechanicznych konstrukcjach, poziom tła akustycznego może przekraczać nawet 100 dB, uniemożliwiając użycie przenośnych detektorów oraz bardzo utrudnia obecność osoby wykonującej taki pomiar.

Wymagania dla systemu pomiarowego

Przyjrzyjmy się poszczególnym wymaganiom jakie powinny zostać spełnione przez system pomiarowy, by mógł on przeprowadzić pomiary w hałaśliwych pomieszczeniach.

Rejestracja wartości ciśnienia akustycznego w określonym paśmie częstotliwości:

Wyciek powietrza powoduje powstawanie hałasu wysokoczęstotliwościowego. W konsekwencji jego wykrycie polega na zarejestrowaniu skoku poziomu hałasu. Jeżeli system ma możliwość rejestracji ciśnienia w konkretnym paśmie, pozwoli nam to odfiltrować hałas nisko i średnio częstotliwościowy, dzięki czemu łatwiej wykryjemy wyciek.

Rejestracja widma sygnału:

Pracy takich urządzeń jak silniki towarzyszy hałas występujący w szerokim zakresie pasma, wraz z różnymi turbulencjami powstałymi w jego najbliższym pobliżu. Możliwość przedstawiania generowanego hałasu w dziedzinie częstotliwości pozwoli nam zapobiec błędnemu wykryciu wycieku.

Odpowiedni mikrofon pomiarowy:

Mikrofon pomiarowy będzie kluczowym zagadnieniem w przypadku pomiarów wycieków. Z jednej strony powinien pozwalać na rejestrację jak najwyższego pasma częstotliwości, a dodatkowo móc rejestrować wysokie poziomy ciśnienia akustycznego.

Aparatura użyta podczas pomiaru

Analizator audio: Audio Precision APx517B 

Analizator pozwolił nam na zarejestrowanie widma sygnały w zakresie do 90 kHz. Dodatkowo analizator wyposażony jest w zasilacz mikrofonowy CCP i Phantom, przez co nie było potrzeby wykorzystania zewnętrznego zasilacza dla mikrofonów.

Rysunek 1. – Analizator APx517B

Oprogramowanie: APx500

Oprogramowanie umożliwia ciągłą rejestrację sygnału z FFT 1,2 miliona punktów oraz graficznym i cyfrowym eksportem danych.

Rysunek 2. – Oprogramowanie Audio Precision APx500

Mikrofon: GRAS 46BE

Zastosowanie w mikrofonie membrany o średnicy ¼’ pozwoliło zarówno zwiększyć jego zakres pomiarowy w dziedzinie wysokich częstotliwości oraz zarejestrować wartości ciśnienia akustyczne do 160 dB.

Parametry mikrofonu:

• Pasmo częstotliwości: 4 Hz - 100 kHz (+/- 3 dB)
• Zakres dynamiki: 35 dB(A) to 160 dB

Rysunek 3. – Mikrofon pomiarowy GRAS 46BE

Pomiar bez wycieku powietrza

Urządzeniem poddanym badaniu był silnik, w którym sztucznie zasymulowaliśmy wyciek powietrza. W pierwszej kolejności zarejestrowaliśmy poziom ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości silnika bez wycieku powietrza. Całkowity poziom ciśnienia akustycznego wyniósł 120,4 dB. Dodatkowo problematyczna była kwestia różnego typu turbulencji powstałym blisko silnika. Wpływały one chociażby na widoczne podbicie konkretnych składowych widma, widzianych na wykresie w formie “szpilek”. W kontekście tego pomiaru konstrukcja silnika bez wycieku powietrza stanowi nasze tło akustyczne.

Wykres 1. – Widmo hałasu generowanego przez silnik bez wycieku

Pomiar z symulowanym wyciekiem powietrza

W celu określenia czy wyciek powietrza faktycznie spowoduje zwiększenie poziomu ciśnienia akustycznego w określonym paśmie częstotliwości, sztucznie zasymulowaliśmy wyciek we wcześniej badanym silniku. Na wykresie 2, niebieska krzywa pokazuje ciśnienia akustycznego silnika z wyciekiem powietrza. Widzimy dokładnie, że wyciek pokrył w zasadzie całe pasmo częstotliwości, aż do 90 kHz, które w tym przypadku stanowiło granicę zestawu pomiarowego. Zarejestrowany całkowity poziom ciśnienia akustycznego sięgał w tym przypadku 150 dB, co stanowiło bardzo duży wzrost, względem poziomu tła. Tak wysoki poziom został oczywiście zarejestrowany po części dzięki temu, że znając lokalizację wycieku mogliśmy umieścić mikrofon w optymalnym punkcie pomiarowym. Jednak tak duża różnica wskazuje, że nawet w przypadku oddalenia mikrofonu od badanego obiektu, szczególnie dla wyższych częstotliwości, wyciek zostałby zarejestrowany.

Wykres 2. – Fioletowa krzywa – poziom ciśnienia zarejestrowany bez wycieku; Niebieska krzywa – poziom ciśnienia akustycznego zarejestrowany z symulowanym wyciekiem

Wykres 3. – Pomiary przedstawione na Wykresie 2. z zastosowaną funkcją wugładzania z filtrem pasmowym 1/24 oktawy

Wnioski pomiarowe

Zarejestrowane pomiary wykazały pojawienie się hałasu wysokoczęstotliwościowego po zasymulowaniu wycieku powietrza. Pokazuje to, że analiza widma sygnału może efektywnie ujawnić ewentualne wycieki. Zarejestrowane widma pod kątem poziomu różniły się o ok. 30 dB. Taka różnica została otrzymana dźwięki dokładnej znajomości źródła wycieku, jednak jest podstawą do tego by wnioskować, że użycie mikrofonów wysokoczęstotliwościowych pozwoli na efektywną detekcję w na określonej przestrzeni. Dodatkowo ważnym zagadnieniem jest detekcja takiego hałasu na poziomie tła akustycznego. Badany przypadek był mocno ekstremalny zarówno pod kątem poziomu tła, jak i turbulencji odbywających się w bezpośrednim polu silnika. Pomimo tak ekstremalnych warunków wykorzystanie odpowiednich mikrofonów i analizatora pozwoli zaobserwować wyciek.

Zalety wykorzystania powyższego sprzętu pomiarowego

• Możliwość wykonania pomiarów bez potrzeby fizycznego przebywania obok badanego obiektu
• Pomiar przy wysokim poziomie tła akustycznego
• Możliwość automatyzacji detekcji wycieków na linii produkcyjnej
• Szeroki obszar pomiarowy
• Mały wymiar mikrofonu pozwalający na umieszczenie w dowolnym miejscu