3.3 Вимірювання рівня шуму та вібрації під час випробувань електричних машин і трансформаторів

Звукові хвилі являють собою повздовжні механічні хвилі, які розповсюджуються у вигляді коливань тиску. Під шумом розуміють нерегулярні коливання тиску з різними частотами. Реальні рівні шуму та вібрації, які створюються електричними машинами й трансформаторами, обмежені вимогами безпечного ведення робіт і фактором продуктивності праці.

В загальному шумі електричної машини можна виділити складові.

Аеродинамічний шум (aerodynamic noise) з’являється в результаті руху газоподібного охолоджувального середовища при обертанні різних деталей та вузлів електричної машини (ротор, вентилятор, колектор тощо). Чим сильніша турбулентність руху газу, тим вищий рівень шуму.

Шум вентиляторів (blower noise, fan noise) в основному залежить від його швидкості обертання. Так, у електричних машин зі швидкостями більше 60 м/с загальний рівень шуму визначається тільки аеродинамічним вихором вентилятора.

Магнітний шум (magnetic noise) з’являється внаслідок виникнення примусових коливань статора й ротора електричної машини під дією знакозмінних електромагнітних сил, які мають періодичний характер. Він в основному обумовлений радіальними силами, які пропорційні квадрату магнітної індукції у повітряному зазорі машини.

Шум підшипників (bearing noise) обумовлений небалансом та неточністю виготовлення елементів підшипників кочення. Інтенсивність шуму зростає зі збільшенням діаметра підшипника, швидкості обертання вала, сил одностороннього магнітного тяжіння та неврівноваженості ротора.

Шум щіток (brush noise) виникає під час їхнього ковзання по колектору та контактним кільцям і залежить від якості їх поверхонь, стану щіток та ступеня їх тиску на колектор та контактні кільця.

Шум, який створюється механічними факторами, виникає внаслідок розповсюдження вібрацій підшипників або внутрішніх частин машин на величину площі фундаментів або кожухів. Цей структурний шум перетворюється в аеродинамічний.

Шум трансформаторів обумовлений, головним чином, явищем магнітострикції (magnetostriction) (зміна форми та розмірів феромагнітного тіла, яке розташоване у змінному магнітному полі). До інших джерел шуму, які характерні для трансформаторів з форсованими системами охолодження, належать вентилятори й масляні насоси. Крім того, шум створюється електродинамічними зусиллями в обмотках та електромеханічними пристроями регулювання напруги під навантаженням (РПН). Рівень шуму трансформаторів значною мірою визначається величиною навантажень та габаритними розмірами.

Головною причиною шуму є вібрація (vibration) осердя, яка виникає внаслідок магнітострикції. Вібрація передається баку через масло й безпосередньо через кріплення магнітопроводу. У цілому можна сказати, що в трансформаторів переважає магнітний шум.

Осердя трансформаторів під дією магнітострикції деформуються. Магнітопроводи трансформаторів можуть попасти в резонанс як з коливаннями, які викликаються магнітострикцією, так і з різними гармоніками сил, які виникають в осерді.

У трансформаторах важлива складова шуму генерується попередніми вібраціями листів магнітопроводу. Вібрації є наслідком різниці в довжині та товщині листів, з яких складається  осердя, та різниці значень коефіцієнтів подовження листів пакета, що веде до зміни зазору з’єднань у функції миттєвих значень індукції. Ці відхилення викликають перерозподіл у часі магнітних потоків від одного листа до іншого і, таким чином, до поперечної вібрації листів.

Досвід показує, що поздовжні та поперечні вібрації листів сталі магнітопроводу є джерелом шуму приблизно однакової потужності. З цієї причини навіть при повному знищенні одного з джерел рівень шуму трансформатора не зменшиться більше ніж на 3 дБ. При зростанні індукції в трансформаторі з осердям з холоднокатаної сталі з 1,55 до 1,65 Тл рівень шуму зростає приблизно на 8 дБ.

Шум, який викликається електродинамічними зусиллями в обмотках трансформатора за його роботи з навантаженням, зазвичай малий. Однак характер та величина навантаження трансформатора впливають на індикацію в сталі і, таким чином, на рівень магнітного шуму.

Для вимірювання рівня акустичного тиску в газовому середовищі використовується апарат, який називається шумомір. Він складається з вимірювального мікрофона, підсилювача, коригуючих кіл, детектора та індикатора, шкала якого проградуйована в децибелах відносно граничного значення акустичного тиску. У шумомірах передбачається декілька часових характеристик, які дозволяють вимірювати стабільні, стаціонарні та імпульсні шуми.

За точністю вимірювання шумоміри поділяються на чотири класи: 0; 1; 2 і 3. Прилади класу 0 використовуються як зразковий засіб вимірювань, класу 1 – для точних лабораторних та натурних вимірювань, класу 2 – для вимірювання нормальної точності, класу 3 – для приблизних вимірювань. Шумоміри класів 0 та 1 мають стандартний діапазон частот 12,5 Гц¸20 кГц, класу 2 – 8 Гц¸20 кГц, класу 3 – 31,5 Гц¸8 кГц. Деякі шумоміри мають октавні та третиноктавні фільтри, які дозволяють більш краще аналізувати шум у потрібному частотному діапазоні. Динамічний діапазон рівня шуму складає: мінімальний – 15¸35, максимальний – 140¸160 дБ.

У шумомірі використовується вимірювальний мікрофон ненаправленого типу з діапазоном частот від 31,5 до 12500 Гц. Чутливість мікрофону не повинна змінюватись більше ніж на ±0,5 дБ під час зміни тиску навколишнього середовища на ±10%.

У залежності від рівня та частоти шуму, а також від умов проведення вимірювань використовуються такі типи мікрофонів: конденсаторний, п’єзоелектричний та електродинамічний. Найбільше розповсюдження для вимірювання шуму (audio measurement; noise measurement; noise-power measurement) електричних машин отримали конденсаторні мікрофони, які мають високу чутливість та добру частотну характеристику до 10¸40 кГц. Крім того, мікрофони цього типу нечутливі до зовнішніх електромагнітних полів. Недоліком конденсаторних мікрофонів є відносно високий рівень власних шумів (35¸50 дБ). Це, однак, є цілком допустимою величиною для більшості електричних машин, оскільки нижній допустимий рівень шуму електричних машин на відстані 1 м складає 49¸64 дБ. Для трансформаторів на відстані 0,3 м допустимий рівень шуму складає 47¸66 дБ. Більшість шумомірів класу 1 мають конденсаторні мікрофони. Конденсаторний мікрофон для нормальної роботи потребує поляризації ємності від спеціального джерела живлення, яке вбудовується в шумомір, та використання передпідсилювача.

П’єзоелектричний мікрофон не потребує джерела поляризації для нормальної роботи й має значну ємність. Однак його чутливість нижче, ніж у конденсаторного мікрофона, у зв’язку з чим їх використовують у шумомірах класу 2.

Електродинамічні мікрофони використовують у шумомірах класу 2. Вони мають низький рівень власного шуму (10¸15 дБ). Однак на їхню роботу сильно впливають зовнішні електромагнітні поля, що обмежує їх використання як давача шуму електричних машин та трансформаторів.