Győrfi András demonstrátor SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki tanszék Zaj,- rezgés és sugárzásvédelem NGB_KM015_1 2011 – 2012 tanév tavasz 8. előadás Győrfi András demonstrátor SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki tanszék

TARTALOM Alapfogalmak Környezeti rezgés Rezgés mérése Mérések értékelése Rezgésártalmak Rezgéscsillapítás

Rezgés fogalma Minden időben ismétlődő változás: rezgés Ismétlődés: Szabályos Szabálytalan Közeg szerint: Mechanikai Elektromos Mágneses

Mechanikai rezgés Mechanikai rezgés mindig mozgás közben Periodikus mozgás: olyan mechanikai rezgés,amely ugyanazt a mozgásszakaszt folyamatosan, ugyanúgy ismételgeti. Szabályos rezgés.

Mechanikai rezgés alapfogalmak Rezgésidő: amely alatt a rezgőmozgás ismétlődő része egyszer játszódik le. Egy teljes rezgés megtételéhez szükséges idő. Jele: T Rezgésszám, frekvencia: megmutatja az egységnyi idő alatt bekövetkező ismétlődések számát. Jele: f; képlete: f=1/T mértékegysége: 1/s, Hz

Harmonikus rezgőmozgás A harmonikus rezgés szabályosan ismétlődő, de nem egyenletesen változó periodikus rezgőmozgás. Egy-egy szabályosan ismétlődő mozgásszakasz= teljes rezgés. A mozgás közben állandóan változik az egyensúlyi helyzettől mért pillanatnyi távolság a kitérés. Jele: y. A legnagyobb kitérés az amplitúdó, jele: A = y(max)

Rezgés fizikai jellemzői A rezgőmozgást végző test kitérésének időbeli változását jól szemlélteti a kitérés-idő függvény görbéje, amely szinusz függvénnyel írható le. frekvencia és szögsebesség f = 1/T =  / 2 amplitúdó: maximális kitérés az egyensúlyi helyzettől mért egyik irányban

Rezgés fizikai jellemzői 0  A0 -A0 x(t)=Rsin x Összevetve a harmonikus rezgőmozgást a körmozgással, látható, hogy az a körmozgásnak az x tengelyen vett vetülete.

Rezgés fizikai jellemzői kitérés: x (t) = A · sin (t + 0 ) sebesség: v (t) = A ·  · cos (t + 0 ) = v0 · cos (t + 0 ) gyorsulás: a (t) = – A · 2 · sin (t + 0 ) = – a0 · sin (t + 0 )

A mozgás fizikai jellemzése A sebesség az egyensúlyi helyzeten történő áthaladáskor maximális. Ekkor a kitérés nulla. A sebesség nulla akkor, amikor a kitérés maximális. Ez az a helyzet amikor a rugón rezgőtest a szélsőhelyzetből visszafordul.

A rezgőmozgást befolyásoló külső hatások Csillapított rezgések: A rezgést végző test amplitúdója folyamatosan csökken. Speciális esetben ez a csökkenés lehet exponenciális. A csillapítatlan rezgés fenntartásához megfelelő ütemben pótolni kell az elveszett energiát.

Szabadrezgés Amikor egy rezgésre képes rendszert egyetlen erőlökéssel hozunk mozgásba, és utána szabadon hagyjuk, akkor az szabadrezgést végez. A szabadrezgés más néven sajátrezgés. A sajátrezgést végző test rezgésszáma a sajátfrekvencia, vagy sajátrezgésszám

Csillapított szabadrezgés x = x0 · e –t sin t, ahol  a csillapítási állandó

Csatolt rezgés, kényszerrezgés Azt a jelenséget, amikor két vagy több rezgőrendszer kölcsönösen befolyásolja egymás rezgését csatolt rezgésnek nevezzük. Az olyan csatolt rezgést, amikor az egyik test tömege sokkal nagyobb a másiknál, így a kisebb tömegű test a másik test hatásának megfelelően kénytelen mozogni kényszerrezgésnek nevezzük. A gyakorlatban a rezgések különböző frekvenciájú szinuszos jelek eredőjeként jönnek létre!

Rezonanciakatasztrófa Ha a kényszerrezgést létrehozó rendszer frekvenciája megegyezik a kényszerrezgést végző rendszer sajátfrekvenciájával, akkor a kényszerrezgést végző test amplitúdója maximális lesz, ezt a jelenséget rezonanciának nevezzük. A rezonancia annál élesebb minél kisebb a rendszer csillapítása. Ha az amplitúdó nagyon nagyra nő, bekövetkezhet a rezonanciakatasztrófa.

Környezeti rezgés Környezeti rezgés: lakó-, üdülő- vagy középületek emberi tartózkodásra szolgáló helyiségeiben a külső környezetből származó rezgésgerjesztés hatására (pl. ipari üzem, közlekedés) az emberre nézve kellemetlen (káros) ún. „egésztest-rezgések” jönnek létre Egésztest-rezgések: az egész emberi testben terjedve fejtenek ki kellemetlen rezgésérzetet, vagy komfortérzet-csökkenést. Általában alacsony frekvenciájú: max. 100 Hz Ha f  100 Hz  helyi problémát okozhat a test azon környékén, ahol azt a rezgés éri (pl. végtagrezgések) munkahelyi rezgés

Környezeti rezgésforrások Közlekedéstől származó rezgés Talajban terjedő rezgés: kerekek és az útburkolat/sín érintkezési felületének változásai  feszültséghullámok keletkeznek az útfelületben, amelyek a talajban továbbterjednek földalatti vasút  talajrezgések Levegőben terjedő rezgés: motorból, kipufogóból származó infrahangok megremegtetik az épületek ablakait, ajtajait

Környezeti rezgésforrások Gépek, berendezések üzemeltetéséből származó rezgés ipari üzemben, építkezésnél használt gépek rezgése a talajon és az épület alapozásán keresztül testhangként terjed az épületben Környezeti rezgés frekvenciája: általában 1-90 Hz (épületekben leggyakrabban 1-45 Hz, hidakban 1-20 Hz)

A rezgés terjedése Rezgésterjedés a talajban: longitudinális transzverzális felületi hullám Csillapítás a távolság függvényében: függ a talaj anyagától, rétegződésétől, talajvíz helyzetétől a távolság kétszerezésével kb. 3-6 dB-t csökken a forrástól ált. 10-20 m távolságig terjed (max. 100 m) a közegnek csak a felületén terjed (ha a közeg vastagsága az hullámhossz többszöröse  talaj), a felülettől távolodva az amplitúdó csökken terjedési sebessége a frekvencia függvénye (magasabb frekvencia esetén nagyobb)

A környezeti rezgés erőssége Egyenértékű súlyozott rezgésgyorsulás – élő szervezetre gyakorolt hatás Súlyozott rezgésgyorsulás az érzetet jellemző mérőszám; a gyorsulást olyan súlyozó szűrővel mérik, amely az emberi szervezetre károsabb frekvenciákat kiemeli, Egyenértékű súlyozott rezgésgyorsulás: a súlyozott rezgésgyorsulás időfüggvényének a megítélési időre (T) vonatkoztatott effektív értéke Gyorsulásszint: La = 20 lg (a/a0) [dB], ahol a0 = 10 –6 m/s2

A környezeti rezgés erőssége Kitérés – gépek rezgésvédelme Kitérésszint: Lx = 20 lg (x/x0) [dB], ahol x0 = 10 –11 m Rezgéssebesség – épületekre gyakorolt hatás Sebességszint: Lv = 20 lg (v/v0) [dB], ahol v0 = 10 –9 m/s

A rezgés mérése A munkavégzés során keletkező rezgés mérése a munkaeszköz, munkafolyamat rezgésszintjének meghatározásához szükséges. A rezgésmérés eredményének az értékelése útján tudjuk meg, hogy éri-e káros expozíció a dolgozót a teljes munkaidő alatt, amíg az egyes technológiai mozzanatokban az adott gépet kezeli, vagy azon ül, illetve áll. (munkahelyi egészségvédelem) Ugyanígy ellenőrizhető, hogy a külső terhelés hatására az épületben keletkező rezgések nem okoznak-e kellemetlen érzetet, és idővel egészségi problémát az épületben tartózkodóknak. (környezeti rezgések)

Rezgésmérő műszerek, érzékelők A környezeti rezgésvizsgálatokban általában a gyorsulás–idő függvények ismerete szükséges, a mérések gyorsulásérzékelőkkel történnek a testre ható gyorsulás egyenesen arányos azzal a testre ható tehetetlenségi erővel, amelyik kiváltja a kellemetlen rezgésérzetet. Ennek megfelelően egyenértékű rezgésgyorsulást, illetve súlyozott egyenértékű rezgésgyorsulást mérünk

Az egyenértékű rezgésgyorsulás Ahol a T az integrálási időt jelenti.

T idő megválasztása Alacsony frekvenciákhoz hosszabb, magasabb frekvenciákhoz rövidebb integrálási idő tartozik A 3–4 százalékos pontosság eléréséhez legalább 10 secundumra kell választani a T időt. Környezeti rezgéseknél a frekvenciatartomány általában 0–100 Hz. Ez az egész test rezgések tartománya, ennél magasabb frekvenciák már általában a lokális rezgések tartományát jelentik. A mérések során ezért az integráló rezgésmérő műszerek lassú időállandóját kell használni.

Az emberek rezgésérzékenysége Függ: frekvencia rezgés erőssége hogy mennyi ideig kell elviselni az adott rezgést. szubjektív tényezők: elsősorban az elviselő és környezetének kapcsolata Például, más rezgés zavarja az embert munka, mint pihenés közben, és a nagyvárosi lakásban még nem zavaró, forgalomból eredő rezgés veszélyes lehet egy orvosi műtőben

Rezgésmérő műszerek összeállítása Érzékelő:gyorsulásérzékelő Rezgésérzékelő/ Előerősítő Jelfeldolgozó Kijelző rögzítő jelátalakító

Rezgésérzékelő: piezoelektromos ill. ferroelektromos gyorsulásérzékelő, amelyikben mechanikai erő hatására a kristály felületei között elektromos feszültség keletkezik, és a gerjesztő rezgéssel arányos elektromos jelet ad. Ha a rezgésgyorsulást mérő rendszerbe olyan szűrőt iktatunk be, amelynek a frekvencia-átviteli jelleggörbéje arányos az emberi szervezet rezgésérzékenységével, akkor a kapott mérési eredmény azt az értéket adja, amit a kapott terhelésre az ember érez (a zajszintmérés A szűrőjéhez hasonlóan). Az érzékenységünk függ a frekvenciától, ezért a súlyozó szűrőt is ennek megfelelően kell meghatározni. Ezt szabványok adják meg.

A súlyozószűrő frekvencia jelleggörbéje a tűrésmezővel Hz

A súlyozószűrő frekvencia jelleggörbéje a tűrésmezővel Az ábrából látható, hogy a környezeti rezgésmérésre használt súlyzószűrő olyan készülék, amely a bejövő rezgésekből az alacsony frekvenciájúakat (1–8 Hz közöttieket) szinte változatlanul hagyja, de a magasabb és ennél alacsonyabb frekvencia-összetevőket arányosan kiszűri, az emberi szervezethez hasonlóan. A gyakorlatban általánosan használatos integráló rezgésmérő a súlyozott egyenértékű rezgésgyorsulást közvetlenül határozza meg.

érzékelési görbék emberi érzékenység megmutatására érzékelési küszöb alapgörbe: minimális rezgésintenzitásnak felel meg, amit az ember teljesen zaj- és rezgésmentes környezetben erősen odafigyelve éppen megérez. Ez a küszöbérték más a gerincoszlopra merőleges, és más az azzal párhuzamos rezgések esetén

érzékelési görbék Ezért ha nem lehet előre tudni, hogy melyik irányú rezgés várható például egy épületben, illetve, ha az ember helyzete változik, akkor mindegyik rezgésirány görbéjének határvonalából szerkesztett úgynevezett kombinált alapgörbével dolgozunk. A következő ábra a gyorsulás kombinált (X–Y–Z irányú) alapgörbéjét mutatja épületrezgésre.

A gyorsulás kombinált alapgörbéje épületrezgésre

Egészségre káros rezgések Egésztest rezgés: Az egész testre ható rezgés olyan mechanikai rezgés, amit az egész test átvesz a munkavállaló munka közbeni helyzetéből adódóan. kockázatot jelenthet: érrendszeri, csont és izületi, idegrendszeri elváltozások formájában. Ilyen, munkavégzés során keletkező egész testre ható rezgés lehet például a villamos mozdony vezető-ülésében átadott rezgés, vagy a kőtörő berendezés irányítófülkéjében ülő emberre ható rezgés

Egészségre káros rezgések lokális rezgés: A kézre ható rezgéseket azért nevezzük lokális rezgésnek, mert mindig az adott szerszám vagy gép határozza meg, hogy milyen módon, és milyen helyen adódik át a működő szerszám rezgése attól függően, hogy a gépet teljes súlyával együtt a kézben tartják, vagy a földön vezetik stb. A mérőeszközök érzékelői is attól függenek, hogy milyen típusú mérésre kell használni azokat.

gyorsulásmérő a jelfeldolgozást és adatmentést a zajszintmérő műszer egység végzi, az érzékelő külön kapcsolható a szerkezethez. Gyorsulásmérő a zajszintmérőhöz kapcsolva

lokális rezgésmérés érzékelője az emberi tenyérre általában a megfogott eszközről átadódó rezgést (gyorsulást) kell mérnie, ezért kicsinek és a munkavégzést nem akadályozónak kell lennie. A kép mutatja a könnyen kézbe fogható, középső- és gyűrűsujj közé illeszthető elemet, amelyet akár kesztyűhasználat, akár puszta kéz esetén könnyen lehet alkalmazni, és jobb és bal kéz esetén is változtatás nélkül használható.

lokális rezgésmérés érzékelője

Egésztest rezgésmérés érzékelője Az egész testre ható rezgésmérés érzékelője egy ülőpárna, azoknak a rezgésterheléseknek az érzékelésére, amelyek a gépeken (vagy épületekben) ülő személyekre hatnak

Egésztest rezgésmérés érzékelője Az egész testre ható rezgés álló, vagy fekvő helyzetben is érheti az embereket, ilyenkor arra a gépre (padlóra) kell helyezni az érzékelőt, ahol az ember áll, illetve fekszik. Ennek a három csatornás (X–Y–Z) érzékelő eszközét mutatja a kép. Az érzékelőt saját jelentős (~7–8 kg) súlyánál fogva nem szükséges fúrással, ragasztással rögzíteni, a helyzetét megtartja a mérés során.

Egésztest rezgésmérés érzékelője Álló, fekvő helyzetben ható egésztest rezgés érzékelője

Lokálisan ható rezgések mérése és értékelése A terhelések lehetnek: periodikus, véletlenszerű nemperiodikus rezgések valamint ütő-igénybevételek. A rezgésvédelmi szabványok az Európai Uniós jogharmonizáció során változtak, és még sok közülük ma is csak angol nyelven érhető el.

kéz/kar) rezgések biológiai súlyossága Függ: a rezgés frekvenciatartományától, a rezgés amplitúdójától, az igénybevételi idő és a napi munkaidő hányadosától, az igénybevétel időbeli eloszlásától, adott időpontig számított halmozott terheléstől, kezelő által a szerszámra gyakorolt nyomás nagyságától, irányától, kéz/kar helyzetétől az igénybevétel alatt, a rezgő gép, munkadarab típusától, a kézre ható rezgés irányától, a kezelő jártasságától, a kezelő megbetegedési hajlamától, attól, hogy a rezgés a kéz mely részeit veszi igénybe.

kéz/kar) rezgések biológiai súlyossága Minden géptípus és szerszámfajta, ami rezgést kelt, és kézzel érintkezik, egészségi kockázatot hordozhat, ezért munkaegészségügyi, vagy környezeti rezgésmérése indokolt. A rezgéseket három fő irányban el kell végezni. Az egyértelműség kedvéért a szabványok megadják az egyes tengelyeket kéz-kar, illetve egész testre ható mérések esetére.

Szabványos mérés Folyamatos vonal a kéz koordinátarendszere, szaggatott a méréshez illeszkedő koordinátarendszer A ráhelyezéses fogás esete A kéz egy szabványos fogantyúhoz illeszkedik

A kézre ható rezgések mérése MSZ ISO 5349:1991 szabvány mérőrendszer frekvenciatartománya:5–1500 Hz közötti legyen A mérésérzékelők elhelyezése:A méréseket három irányban a kezek felületén kell elvégezni, vagy azon a felületen, ahol a rezgésenergia pontosan a testbe hatol Mérendő jellemzők: A különböző tengelyek irányában, mért gyorsulást súlyozott rezgésgyorsulás vagy oktáv, illetve tercsávokban meghatározott rezgésgyorsulás formájában kell rögzíteni. Igénybevétel és terhelési idő: A terhelés nagysága és az átvitt energia frekvencia-eloszlása a munka jellegétől és módszerétől, a munkavégzés erejétől függően változik. A teljes napi terhelési idő meghatározásakor figyelembe kell venni a változó munkafeltételeket, a munkaszünetek idejét is. A rezgésmérést mind a két kézen el kell végezni akkor is, ha jobbkezes a munkavállaló, mert a rezgések, igaz, más mértékben, de a másik kézre is átadódnak.

A kézre ható rezgések mérése A rezgésérzékelő elhelyezése kézi fúróval történő munkavégzés esetén A kép a kézi fúrógép rezgésmérési műszerbeállítását mutatja. A rezgésérzékelő a jobb tenyér két ujja között helyezkedik el, és közvetlenül érzékeli a kézre ható rezgéseket.

A kézre ható rezgésmérések értékelése A kézre ható rezgésterhelés jellemzői, napi terhelés: A rezgésterhelés becslése a napi terhelésen alapul. A teljes igénybevételi idő, amíg a kezet a rezgés éri, a szokásos 8 órás munkaidőben (referencia idő) napi 4 órára becsülhető. Ezt tekintjük megítélési időnek. Ha különböző időtartamú terhelések fordulnak elő, és a teljes napi terhelés nem 4 óra, akkor a 4 óra megítélési időre vonatkozó súlyozott egyenértékű rezgésgyorsulást a következők szerint számítjuk: ah,w (t)=a súlyozott gyorsulás pillanatértéke =a napi munkaidő óra

teljes súlyozott egyenértékű rezgésgyorsulás Ha a napi terhelés olyan részidőkre bontható, amelyekben a súlyozott rezgésgyorsulás nem azonos értékű (szinte mindig ez a helyzet), akkor a teljes súlyozott egyenértékű rezgésgyorsulás: T=az összes terhelés teljes időtartama.

teljes súlyozott egyenértékű rezgésgyorsulás Ajánlatos a rezgést mindhárom koordináta irányban megvizsgálni, és a rezgésgyorsulást a legújabb (angol nyelvű) szabvány MSZ EN ISO 5349-1:2001 szerint az eredő alapján értékelni. Ha a műszer maga nem adja meg ezt az értéket, akkor számítani kell. Annak eldöntésére, hogy a kapott érték megengedhető mértékű terhelést jelent-e a dolgozó számára, a jogszabály 22/2005. (VI. 24.) EüM rendelet előírásait kell figyelembe venni.

A kézre ható rezgésmérések értékelése napi expozíciós határérték megengedett értéke 8 órás referencia időszakra vonatkoztatva négyzetes középértékben mérve: 5 m/s2 Hideg, nedves munkakörnyezetben: 2,5 m/s2 Az S (slow) időállandóval mért legnagyobb súlyozott gyorsulás az 50 m/s2-t nem lépheti túl.

Egész testre ható rezgések mérése és értékelése egész testre ható rezgés : olyan mechanikai rezgés, amelynek átvitele az egész testre a dolgozók számára gerincelváltozások formájában egészségi és biztonsági kockázatokat jelent. A vizsgált frekvenciatartomány 0,5–80 Hz között a komfortra és érzékelésre, 0,1–0,5 Hz között pedig az egyensúlyzavarokra való lehetséges hatást veszi figyelembe. Ahhoz, hogy ezeket a hatásokat értékelni lehessen, ennek megfelelő súlyzószűrőket kell alkalmazni.

Egész testre ható rezgések mérése és értékelése A rezgéserősség elsődleges mennyisége a gyorsulás, de nagyon kis erősségű rezgések esetén, mint épületekben, vagy hajókon, sebességet is lehet mérni, amelyet gyorsulásra kell átszámítani A mérés iránya: A rezgést olyan koordinátarendszerben kell mérni, amelynek a középpontja az a hely, ahol a rezgés az emberi testet gerjeszti. A mérési pontban az érzékelőnek merőlegesnek kell lenni a mérési felületre, és a különböző tengelyek irányában kell állnia az érzékelő megfelelő mérési csatorna kivezetőjének.

Egész testre ható rezgések mérése és értékelése Mérési idő: A mérés időtartama elegendő hosszúságú legyen az elfogadható statisztikai pontosság biztosítására, és a rezgés jellemző legyen az előírt hatásokra. A mérési periódus általában sokkal hosszabb, mint a tipikus rezgésterhelés.

Az egész testre ható mérések értékelése Az alapértékelési módszer a súlyozott gyorsulás négyzetes középértékének (r.m.s.) az alkalmazása. A súlyozott gyorsulás négyzetes középértékének mértékegysége lineáris rezgés esetén méter per másodpercnégyzet (m/s2), forgó rezgés esetén radián per másodpercnégyzet (rad/s2). A napi megengedett expozíciós határérték 8 órás referencia időszakra vonatkoztatva: 1,15 m/s2 A pillanatnyi rezgésgyorsulás csúcsértéke S időállandóval mérve a 10 m/s2 értéket nem haladhatja meg. Prevenciós határérték 8 órás referencia időszakra vonatkoztatva: 0,5 m/s2.