Schalltechnische Untersuchungen an Lamellenventilen durch Signalanalyse

Abstract

Lärm stellt in unserer Umwelt ein sehr ernstzunehmendes Problem dar. Der Gesetzgeber legt Grenzwerte für die Geräuschimmission am Arbeitsplatz und in der Umwelt fest. Diese Auflagen sollen gesundheitliche Schädigungen des Menschen durch Einwirkung von Lärm ausschließen oder zumindest verringern. Der steigende Maschineneinsatz im Produktionsprozess macht Lärmreduktionen an den einzelnen Maschinen erforderlich, damit die Grenzwerte in den Werkshallen eingehalten werden können. Damit wird das Maschinengeräusch oft zu einem Faktor bei der Kaufentscheidung einer neuen Anlage. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, die wichtigsten Geräuschquellen eines Kolbenverdichters zu ermitteln. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss der Kompressorventile auf das Geräuschverhalten gelegt. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Prüfstand entwickelt und in einem reflexionsarmen Raum aufgebaut. Alle wichtigen Betriebsparameter werden elektronisch gemessen und aufgezeichnet. Als Versuchsverdichter dient ein druckumlaufgeschmierter Einzylinder- Kolbenverdichter, der mit verschiedenen Lamellenventilen bestückt werden kann. Insgesamt wurden von der Firma Hörbiger sechs verschiedene Ventile zur Verfügung gestellt, die sich hinsichtlich Ansaugquerschnitt, Hubfängerbauart und Fängerhöhe unterscheiden. Zur Beurteilung des akustischen Verhaltens der verschiedenen Ventile wurden Schallleistungsmessungen nach der Intensitätsmethode durchgeführt. Dabei wurde die Intensität an definierten Punkten auf einer gedachten Hüllfläche um den Verdichter gemessen und daraus die emittierte Schallleistung errechnet. Zur Lokalisierung von Teilschallquellen wurden neben dem Schalldrucksignal oberhalb des Verdichters auch die Oberflächenbeschleunigung (Körperschall) am Zylinderkopf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel erfasst. Um eine Zuordnung der Schallsignale zur Ventilaktivität zu erhalten wurden zusätzlich die Ventilerhebungskurven von Saug- und Druckventil gemessen. Um die relativ große Anzahl von Messwerten effektiv verarbeiten zu können wurde eine Auswertesoftware erstellt. Diese erlaubt neben der zeitabhängigen Darstellung der einzelnen Signale auch die Berechnung von Hüllkurven. Aus den Schalldrucksignalen können Pegel über eingeschränkte Kurbelwinkelbereiche errechnet werden. Die Schallsignale können auch im Frequenzbereich dargestellt werden. Dazu werden die abgetasteten Zeitsignale mit Hilfe der diskreten Fouriertransformation (DFT) in den Frequenzbereich transformiert. Aus den Spektren der Schallsignale können Rückschlüsse auf die Geräuschentstehungsursachen gezogen werden. Diese Erkenntnisse werden mit berechneten Übertragungsfunktionen zwischen Luftschall- und Körperschallsignal bzw. zwischen Luftschallsignal und gemessenem Kammerdruck mathematisch untermauert. Ein Vergleich der Pegel, die über verschiedene Kurbelwinkelbereiche errechnet wurden, erlaubt die Lokalisierung von dominanten Geräuschquellen.

Noise is a very serious problem in our environment. Limits for noise nuisance at the place of work and in the environment are specified by the legislator in order to prevent or at least reduce damages to one's health through noise impacts. The use of machines in the manufacturing process has been constantly increasing. Therefore it is essential to reduce the noise of every machine in order to observe the legal limits in the workshops. As a result of the noise produced by machines, it now becomes an important factor to be decided before the purchase of a new plant. This thesis attempts to determine the most important sound sources of a piston compressor. Special attention is directed to the influence of the compressor valves on sound behaviour. In the process of experimental research a test bench was constructed and assembled in a sound absorbing test room. All important operating parameters were measured electronically and the results were stored on a computer. A single-cylinder piston compressor which can be loaded with different lamella valves was used as experimental compressor. Altogether six different valves from Hörbiger were used for the tests. The sound power was measured in order to evaluate the behaviour of sound of the different valves. The sound intensity was measured at defined points on a virtual enveloping surface around the compressor. The sound power can be calculated from these measurements. The sound pressure signal above the compressor as well as the surface acceleration (mechanical vibration) on the cylinder head in relation to these crank angles were recorded for the localization of partial sound sources. In order to assign the sound signals to the valve activity the elevation of the inlet and outlet valve was measured. To make the analysis of the measured data effective, an evaluating software was created. This software enables to show the behaviour of the signals within a certain time scale and to calculate envelopes of the signals. From the sound pressure time signals, sound levels can be calculated over limited crank angles. The sound signals can also be represented in the frequency range. For this purpose, the sampled time signals are transformed into the frequency range with the aid of the Discreet Fourier Transformation (DFT). The sound spectra allow to conclude on the origin of noise. This knowledge can be mathematically substantiated with computed transfer functions between sound pressure and structure-born noise, as well as sound pressure signal and measured chamber pressure. The comparison of sound levels which are calculated for different ranges of the crank angle allows the localization of dominant sound sources.