DIN SPEC 40170-2013 Measurement and judgement of the cavitation noise《气穴现象测量和判断》.pdf

1、November 2013 DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 9DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 19.020Zur Ers

2、tellung einer DIN SPEC knnen verschiedene Verfahrensweisen herangezogen werden: Das vorliegende Dokument wurde nach den Verfahrensregeln einer Vornorm erstellt.!%(1“2055614www.din.deDDIN SPEC 40170Messung und Beurteilung des KavitationsrauschensMeasurement and judgement of the cavitation noiseMesure

3、 et valuation du bruit de cavitationAlleinverkauf der Spezifikationen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 9 SeitenDIN SPEC 40170:2013-11 2 Inhalt SeiteVorwort. 3 Einleitung . 4 1 Anwendungsbereich 4 2 Normative Verweisungen 4 3 Begriffe 4 4 Messgerte 5 5 Messverfahren. 5 5

4、.1 Messung mittels Fouriertransformation im Frequenzbereich 5 5.2 Messverfahren im Zeitbereich . 6 6 Durchfhrung und Protokollierung der Messungen. 7 6.1 Einschwingen der Kavitation . 7 6.2 Rumlicher und zeitlicher Mittelwert 7 6.3 Leistungsproportionalitt L 7 6.4 Maximalwert des Rauschpegels 8 6.5

5、Messgren. 8 7 Beurteilung 8 Anhang A (informativ) 9 A.1 Kavitationsschwelle in Wasser bei (40 10) C fr die Signalform Doppelhalb-welle (DH) und Halbwelle (HW). 9 Literaturhinweise 9 Bilder Bild 1 Typisches Spektrum des Schalldrucks bei Anregung mit einer Frequenz von 35 kHz bei transienter Kavitatio

6、n. 4 Bild 2 Blockschaltbild fr die Messung des Kavitationsrauschpegels im Frequenzbereich . 5 Bild 3 Wichtung des Eingangssignals (unten) mittels cos2-Funktionen (oben) 6 Bild 4 Blockschaltbild fr die Messung des Kavitationsrauschpegels im Zeitbereich 7 DIN SPEC 40170:2013-11 3 Vorwort Zur vorliegen

7、den DIN SPEC wurde kein Entwurf verffentlicht. Eine DIN SPEC nach dem Vornorm-Verfahren ist das Ergebnis einer Normungsarbeit, das wegen bestimmter Vorbehalte zum Inhalt oder wegen des gegenber einer Norm abweichenden Aufstellungsverfahrens vom DIN noch nicht als Norm herausgegeben wird. Erfahrungen

8、 mit dieser DIN SPEC sind erbeten: vorzugsweise als Datei per E-Mail an in Form einer Tabelle; die Vorlage dieser Tabelle kann im Internet unter www.din.de/stellungnahme abgerufen werden; oder in Papierform an die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE,

9、 Stresemannallee 15, 60596 Frankfurt am Main. Fr diese Vornorm ist das Arbeitsgremium GK 831 Leistungs-Ultraschallgerte“ zustndig. Anhang NA (informativ) Zusammenhang mit Europischen und Internationalen Normen Fr den Fall einer undatierten Verweisung im normativen Text (Verweisung auf eine Norm ohne

10、 Angabe des Ausgabedatums und ohne Hinweis auf eine Abschnittsnummer, eine Tabelle, ein Bild usw.) bezieht sich die Verweisung auf die jeweils neueste gltige Ausgabe der in Bezug genommenen Norm. Fr den Fall einer datierten Verweisung im normativen Text bezieht sich die Verweisung immer auf die in B

11、ezug genommene Ausgabe der Norm. Eine Information ber den Zusammenhang der zitierten Normen mit den entsprechenden Deutschen Normen ist nachstehend wiedergegeben. Tabelle NA.1 Europische Norm Internationale Norm Deutsche Norm Klassifikation im VDE-Vorschriftenwerk DIN 1320:2009-12 Anhang NB (informa

12、tiv) Literaturhinweise DIN 1320:2009-12, Akustik Begriffe DIN SPEC 40170:2013-11 4 Einleitung Bei der Tauchreinigung in Flssigkeiten wird hufig Ultraschall-induzierte Kavitation benutzt. Die Wirkung transienter Kavitation beruht dabei letztlich auf der beim einzelnen Blasenkollaps an bzw. nahe der d

13、er zu reinigenden Oberflche erzeugten Strmung und Stowelle. Diese mechanische Wirkung der Kavitation kann allerdings nicht auf einfache Weise gemessen werden. So wurde vorgeschlagen, das beim Kollaps erzeugte Gerusch akustisch spektral auszuwerten 1. Ein typisches Spektrum des Schalldrucks ist in Bi

14、ld 1 fr ein Ultraschallgert mit 35 kHz Anregung dargestellt. Bild 1 Typisches Spektrum des Schalldrucks bei Anregung mit einer Frequenz von 35 kHz bei transienter Kavitation 1 Anwendungsbereich Diese und -anlagen, fr deren Funktion die Ul e Kavitation bestimmend ist, vorausge-setzt, sie knnen mit Wa

15、sser oder wssrigen Lsungen betrieben werden. essung und Beurteilung der Kavitation, nicht aber deren sekundre Wir-ilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments genden Begriffe. 3.1 oDIN SPEC dient der Messung und Beurte

16、ilung des Ultraschalls in Flssigkeiten in Reinigungsgertentraschall-induzierte transientDiese DIN SPEC behandelt die Mkungen (z. B. Abreinigungsergebnis, Sonochemie usw.). Diese DIN SPEC behandelt eine momentane Schallpegelmessung der Kavitation Messungen ber Zeitin-tervalle dienen nur der Mittelung

17、 und nicht Dosismessungen der Kavitation. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen g(einschlielich aller nderungen). DIN 1320:2009-12, Akustik Beg

18、riffe 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folArbeitsfrequenz f Frequenz des Ultraschalls in Hertz (Hz) DIN SPEC 40170:2013-11 5 zahl Z zogen auf die Quadratwurzel der Bandbreite des Rauschens mpedanz Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit der Flssigkeit schpegel Pegel, in d

19、B, gegeben durch den zwanzigfachen dekadischen Logarithmus der Kavitationsrauschzahl bei von 1 Hz und einer Impedanz 1 Ns/m3im Verhltnis zu 1 W/m2indestens 200 kHz, das fr rakteristik aufweist. -An 200 Hz und einer Dynamik z 0 kHz umfassen. w. einen Antialiasingfilter auf atisch dargestellt. 3.2 Kav

20、itationsrauschKRPa/Hz Schalldruck des Kavitationsrauschens be3.3 KenniZ kg/(s m2) oder Ns/m33.4 RauLKRZdB rel. 1 W/m2 1 Hz, 1 Ns/m3einer Bandbreite4 Messgerte Kalibriertes Hydrophon mit einem nutzbaren Frequenzbereich von 20 kHz bis meinen Schalldruck von 300 kPa geeignet ist und eine annhernd kugel

21、frmige RichtchaSchmalband- oder FFTvon mindestens 70 dB balysator mit einer Frequenzauflsung von mindestensw. 12 Bit. Der nutzbare Frequenzbereich soll mindestens 20aufgenommene Signal wird ber einen Tiefpass bzben. In Bild 2 ist dieses Messverfahren schem5 Messverfahren 5.1 Messung mittels Fouriert

22、ransformation im Frequenzbereich Das von einem Hydrophoneinen Frequenzanalysator gegeBild 2 Blockschaltbild fr die Messung des Kavitationsrauschpegels im Frequenzbereich Das digitale Signal wird mittels FFT blockweise verarbeitet. Um das Rauschen zwischen den Spektrallinien nach einer FFT messen zu

23、knnen, ist eine zeitliche Fensterfunktion mit hoher Dmpfung der Nebenmaxima notwendig. Fr eine hohe Dynamik bietet sich eine Blackman-Funktion an, whrend eine zeitlich gleichm-ige Wichtung bei Verwendung der Von-Hann-Funktion (Raised-Cosinus) mit einer berlappung der Fenster von 50 % entsteht (Bild

24、3). Die darauf folgende FFT soll mindestens eine Frequenzauflsung von 200 Hz entsprechend einer Lnge von mindestens 5 ms haben. Bei einer Abtastrate von 1 MS/s bietet sich z. B. eine Lnge von 8 192 s fr die FFT an. Die Frequenzauflsung betrgt in diesem Fall ca. 122 Hz. DIN SPEC 40170:2013-11 6 Da di

25、e spektralen Amplituden des Rauschens stark schwanken, ist es sinnvoll, ber mehrere Spektren zu mitteln. Um die Rauschleistung richtig zu ermitteln, werden die Quadrate der spektralen Amplituden gemittelt und auf die Frequenzauflsung bezogen. Dies entspricht einem gemittelten Leistungsdichtespektrum

26、. Bei der Ultraschallfrequenz fotritt hufig die hchste Amplitude auf. Diese Arbeitsfrequenz fowird nun im Spektrum gesucht. Da die Oberwellen in der Regel bei einem Vielfachen von fo/2 liegen, wird vorgeschlagen, das Rauschen zwischen der 2- und 2,5-fachen Oberwelle zu bestimmen. Dies entspricht ein

27、em Schmalband-filter mit der Bandbreite f = (2,35 2,15) fo= 0,2 f . o2KRZ BIZ=r(1) Da immer wi Spektrallinien mit hoher Amplitude in diesen Frequenzbereich fallen knnen, wird der Median d berechnet. Der daraus resultierende Messwert ist die Kavitationsrauschzahl KRZ mit der Einheit eder einzelneer W

28、erte PA / HZ . Die Intensitt des Rauschens Irin einer ebenen Welle ergibt sich mit einer Bandbreite B Hz des Rauschens und der Impedanz des Mediums Z kg/sec/m2 nach Gleichung (1). Da Bandbreite des Rauschens und Impedanz von Wasser mit den genannten Maeinheiten ungefhr von gleicher GBezugsintensitt

29、von 1 W/m gewhlt. renordnung sind, wird der Rauschpegel LKRZals 20 log KRZ berechnet und eine 2Die Messung kann in gleicher Weise auch mit einem geeigneten Schmalbandanalysator durchgefhrt wer-den. In diesem Fall wird allerdings der Mittelwert und nicht der Median des Rauschens im Frequenzbereich er

30、mittelt. Aus dem digitalisierten Schalldrucksignal p(t) wird die Frequenz fodes Ultraschalls ber eine digitale PLL hase Locked Loop) oder eine FFT gewonnen. Das Signfachen Frequenz fomultipliziert: y(t) = p(t) sin(2 2,25 fo). r gleichgerichteten Netzfrequenz moduliert und kann auch halbwellen-moduli

31、ert sein). Die Effektivwertberechnung reagiert allerdings empfindlich auf einzelne Frequenzen mit ho-Bild 3 Wichtung des Eingangssignals (unten) mittels cos2-Funktionen (oben) 5.2 Messverfahren im Zeitbereich (P al wird dann mit einer Sinusfunktion der 2,25-Das Produkt der Winkelfunktionen fhrt zur

32、Summe und Differenz der Frequenzen. Das Rauschsignal bei einer Frequenz 2,25 foliegt nach der Modulation somit bei 0 Hz und kann mittels eines hinreichend steil-flankigen Tiefpasses gefiltert werden. Als Tiefpass wird ein 6-poliges Chebyshev-Filter mit einer Bandbreite f von 3 kHz vorgeschlagen. Die

33、 Einschwingzeit des Filters muss bei der Messung bercksichtigt werden. Danach wird ber eine quadratische Mittelung der Effektivwert berechnet. Die Lnge der Mittelung sollte min-destens 100 ms betragen, damit eine Amplitudenmodulation des Ultraschallsignals bercksichtigt wird (das Ultraschallsignal i

34、st in der Regel mit dehen Amplituden innerhalb des Durchlassbereichs des Tiefpasses. DIN SPEC 40170:2013-11 7 Bild 4 Blockschaltbild fr die Messung des Kavitationsrauschpegels im Zeitbereich 6 Durchdie Me raschallbad mit reinem entsalztem (Leitwert 26 23 35 27 24 45 28 25 Literaturhinweise 1 Ch. Jung, R. Sobotta: Fortschritte der Akustik, DAGA 2005, S. 581