Thiết bị ghi đo tiếng ồn phục vụ quá trình kiểm tra tàu biển

Với Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển (SOLAS) và Quy định II-1/3-12 thông qua yêu cầu bắt buộc về bảo vệ chống tiếng ồn trên tàu biển tại khóa họp thứ 91 (tháng 11 năm 2012), nhóm nghiên cứu đã thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo tiếng ồn phục vụ quá trình kiểm tra tàu với khả năng lưu trữ dữ liệu, kết cấu nhỏ gọn và kết nối máy tính tạo thuận lợi cho việc kiểm tra tiếng ồn trong các môi trường làm việc trên tàu. Với thiết bị này, chúng tôi hướng tới đáp ứng những yêu cầu cơ bản nhất của SOLAS và hỗ trợ tiện ích cho quá trình kiểm tra trên tàu.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 23 THIẾT BỊ GHI ĐO TIẾNG ỒN PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH KIỂM TRA TÀU BIỂN NOISE LEVEL METER EQUIPMENT FOR SHIP TESTING PROCESS Đặng Xuân Kiên1, Đỗ Việt Dũng2 Đại học Giao thông vận tải Tp.Hồ Chí Minh Cao đẳng nghề Cơng nghệ cao Đồng An Tóm tắt: Ơ nhiễm tiếng ồn là mối nguy hiểm lớn ảnh hưởng trực tiếp đến người lao đợng Với Cơng ước quốc tế về an tồn sinh mạng người biển (SOLAS) Quy định II-1/3-12 thông qua yêu cầu bắt buộc về bảo vệ chống tiếng ồn tàu biển khóa họp thứ 91 (tháng 11 năm 2012), nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo tiếng ồn phục vụ trình kiểm tra tàu với khả lưu trữ dữ liệu, kết cấu nhỏ gọn và kết nối máy tính tạo thuận lợi cho việc kiểm tra tiếng ồn môi trường làm việc tàu Với thiết bị này, hướng tới đáp ứng những yêu cầu nhất SOLAS hỗ trợ tiện ích cho q trình kiểm tra tàu Từ khóa: Tàu biển, máy đo tiếng ồn, ô nhiễm, hàng hải Abstract: The impact of noise pollution is a direct threat influencing to laborers health The International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS), gives Provisions II-1/3-12 "Protection against noise" at the 91st session (November,2012) Based on this provision, we design and manufacture the compact structure noise level meter equipment with a data storage capacity, easy connecting to the computer We aim to meet the most basic requirements of SOLAS and utility supporting for the inspection process on board Keyworks: Ship, noise level meter, pollution, maritime Giới thiệu Tiếng ờn chủ ́u tàu biển có ng̀n gớc học phát sinh từ sự chuyển động va đập của chi tiết máy Ngoài việc sinh hoạt hay chuyển động chính của tàu mặt biển cũng là nguyên nhân dẫn đến tiềng ồn Việc kiểm soát và thực hiện các biện pháp bảo vệ nhằm làm giảm thiểu nguy hại của chúng đến sức khỏe là việc đáng quan tâm hiện Công tác quản lý và kiểm soát tiếng ồn hiện tại Việt Nam còn nhiều bất cập và tốn nhiều công sức, kiểm tra tàu có trọng tải lớn sẽ có nhiều nơi cần đo mức tiếng ồn, các nhân viên đo kiểm phải đến từng phòng tiến hành kiểm tra, ghi lại số liệu, sau đó tiến hành thẩm định xem có đạt chuẩn hay không [1-2], việc này rất lãng phí thời gian và dễ dẫn đến sai sót Thiết bị ghi đo tiếng ồn phục vụ quá trình kiểm tra tàu nhóm nghiên cứu đề xuất chế tạo với chức lưu trữ dữ liệu trực tiếp máy đo nên việc đo kiểm diễn liên tục, vậy sẽ rút ngắn thời gian, đồng thời truy xuất kết quả kiểm định máy tính làm tăng tính tiện lợi và giảm sai sót, hướng tới thị trường khu vực Việt Nam và Đông Nam Á Bài báo gồm năm phần: Đặt vấn đề trình bày phần 1, phần nêu tổng quan về tiếng ồn và thiết bị cấu thành, khối chức Thi công máy đo ghi tiếng ồn sẽ trình bày phần Trong phần đưa kết quả phần V kết luận Tổng quan 2.1 Tiếng ồn Đơn vị âm phổ biến Decibel, bội số 10 của Bel (1dB = B/10) Mức dB = là ngưỡng tai người nghe được, tăng 10dB âm (cảm giác) tăng gấp đơi 2.1.1 Tần số, bước sóng, biên độ, chu kỳ  Bước sóng (Wavelenght, 𝜆): Khoảng cách giữa đỉnh sóng đơn (1) 𝜆 = 𝑐 ∕ 𝑓 = 𝑐 𝑇  Tần số (Frequency, 𝑓): Số lần lặp lại sóng điều 1s Đơn vị tần số 𝐻𝑧 𝑓 = 1⁄𝑇 (2) 𝑓 = 𝑐 ⁄1 𝑘 = 2𝜋 ∕ 𝜆 Trong đó: + 𝑐: Vận tớc trùn sóng (m/s) + 𝑓: Tần sớ (1/s) + 𝜆: Bước sóng (m) + 𝑘: Sớ lượng sóng một khoảng cách nhất định 24 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016  Biên độ (Amplitude): Là biên độ áp suất lớn nhất (𝑃𝑀 ), biên đợ áp śt bậc hai trung bình 𝑃𝑟𝑚𝑠 , đơn vị (𝑃𝑎) (3) 𝑃𝑟𝑚𝑠 = 0.707 𝑃𝑀  Chu kì (Period, 𝑇): Thời gian cần thiết truyền mợt khoảng cách bằng mợt bước sóng (chu kì sóng) (4) 𝑇 = 1⁄𝑓 2.1.2 Mức áp suất âm, mức cường độ âm - Mức áp suất âm: Áp suất âm (Acoustic Pressure) chênh lệch giữa áp suất âm khí qủn Hình Biểu đồ áp śt âm Yên tĩnh, Nghe thấy, Khí quyển, Tức thời Cơ sở của đơn vị đánh giá âm theo thang Logarit gọi mức âm 𝐿𝑝 = 10 lg(𝑃𝑟𝑚𝑠 ⁄𝑃𝑟𝑒𝑓 ) (5) = 20lg𝑃𝑟𝑚𝑠 − 20lg𝑃𝑟𝑒𝑓 Trong đó: + 𝑃𝑟𝑚𝑠 : Áp suất trung bình (𝑃𝑎) + 𝑃𝑟𝑒𝑓 (𝑃0 ): Áp suất âm đối, 𝑃𝑟𝑒𝑓 = 10−5 𝑁⁄𝑚2 = 10−5 𝑃𝑎 [9] Mức áp suất âm tương đương liên tục theo đặc tính A (dB): 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇 lượng âm qua một đơn vị diện tích bề mặt S vng góc với phương truyền âm, tại điểm đó một đơn vị thời gian Hình Mơ tả cường đợ âm mợt đơn vị diện tích Đới với sóng phẳng: 𝑃 𝑃𝑟𝑚𝑠 𝐼= (𝐼 = ) 𝑊 ∕ 𝑚2 (𝐽⁄𝑚2 𝑠) (7) 𝜌𝐶 𝜌𝐶 Đới với sóng cầu: (8) 𝐼 = 𝑊 ∕ 4𝜋𝑟 (𝑊 ⁄𝑚2 ) Sóng truyền qua qua khơng gian chủ ́u sóng hình cầu - Công suất âm: Công suất âm tổng lượng âm phát từ một nguồn một khoảng thời gian, đơn vị Watt (9) 𝑃 = 𝐼 𝐴 (𝐴 diện tích) 2.2 Thiết bị đo tiếng ồn Tiến hành thiết kế thiết bị đo tiếng ồn [3-4], nhóm tác giả chia thành phần hình 𝑡2 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇 𝑃𝐴2 (𝑡) = 10𝑙𝑔 [ ∫ 𝑑𝑡] 𝑡2 − 𝑡1 𝑃02 (6) 𝑡1 Trong đó: + 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇 : Mức áp suất âm tương đương theo đặc tính A (dBA), bắt đầu từ t1 kết thúc t2 (𝑇 = 𝑡2 − 𝑡1 ) + 𝑃 𝐴 (𝑡): Mức áp suất âm tức thời theo đặc tính A của mợt tín hiệu âm + 𝑃0 (𝑃𝑟𝑚𝑠 ) : Áp suất âm đối chiếu + 𝐿𝐴𝑒𝑞,𝑇 : Được dùng đánh giá tiếng ồn môi trường - Mức cường độ âm công suất âm: Cường độ âm một điểm nào đó phương đã cho trường âm tổng Hình Sơ đồ khối cấu tạo thiết bị đo tiếng ồn  Khối thu nhận tín hiệu: Micro  Khối xử lý: Khuyếch đại, hiệu chỉnh  Khối hiển thị: Màn hình cảm ứng 2.2.1 Khối thu nhận tín hiệu Yêu cầu đặt tín hiệu thu phải ch̉n, khơng dao động lớn tạp âm nhiễu gây [5] Cảm biến âm bao gồm mạch xử lý ngõ điện áp tuyến tính mạch xử lý ngõ tín hiệu sớ - Mạch xử lý ngõ điện áp tuyến tính: Tín hiệu từ Micro thơng qua mạch đệm sẽ có TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 đầu điện áp DC tuyến tính (Audio), tín hiệu đã ch̉n hóa nên giảm sai sớ Vi điều khiển sẽ lấy tín hiệu ch̉n hóa qua kênh chuyển đổi ADC để tiến hành việc kiểm tra, hiệu chỉnh hay xử lý theo mong ḿn người lập trình Mạch ngõ điện áp thiết kế hình Hình Mạch ngõ điện áp - Mạch xử lý ngõ tín hiệu số: Song song với đầu điện áp, tín hiệu sẽ cấp cho đầu vào mạch xử lý tín hiệu sớ (hình 5) Qua bợ đệm nhận thêm hai thông số của tiếng ồn tần số (Envelope) trạng thái On/Off (Gate) 25 Với h[k , l ] là các giá trị trọng số và cũng là các giá trị của mặt lạ bộ lọc Điểm trung tâm của bộ lọc ứng với k   và điểm này áp vào tọa độ [m,n] Với việc lấy trung bình thì lượng của nhiễu cũng giảm một lần bằng với trọng sớ của bợ lọc Nhóm nghiên cứu ứng dụng trực tiếp giải thuật bộ lọc trung bình thực hiện nền vi điều khiển, từ đó tăng đợ linh hoạt cho lập trình - Khối hiệu chỉnh: Tiếng ồn tập hợp những âm có cường độ tần số khác nhau, sắp xếp không trật tự Tiếng ồn một khái niệm tương đối, tuỳ tḥc từng người mà có cảm nhận tiếng ờn khác nhau, mức ảnh hưởng sẽ khác nên việc hiệu chỉnh tín hiệu từ bợ lọc tún tính thành mức đợ áp śt âm khơng xác, mà phải đánh giá bằng thang đo Logarit theo đặc tính A(5) với đơn vị Decibel (dB) - Bộ xử lý trung tâm Adruno: Để thực hiện hai chức trên, nhóm nghiên cứu đã khảo sát chọn Adruno (hình 7) làm bộ xử lý trung tâm với kết cấu nhỏ gọn và tích hợp thành Kit thuận tiện cho việc liên kết thực hiện chức ngoại vi giao tiếp máy tính hay hiển thị thơng sớ điều khiển bằng hình cảm ứng Hình Mạch ngõ tín hiệu số Hai dữ liệu về tiếng ờn tần số sở để so sánh tạo điều kiện cho việc lập trình đơn giản và chính xác Hình Kit lập trình Adruno Hình Mô đun cảm biến âm 2.2.2 Khối xử lý tín hiệu Đây là khới chức trung tâm của máy đo [6] Tín hiệu hiển thị hình phải qua hai giai đoạn xử lý là: lọc nhiễu hiệu chỉnh - Bộ lọc trung bình: Ta có phương trình biến đổi của bợ lọc: 3 v[m,n]   h[k , l ].u[m  k  2, n  l  2] k 1 l 1 (10) Một thuận lợi khác lưu trữ dữ liệu đo tại khoang tàu EEPROM với dung lượng lớn trực tiếp Kit Adruno thuận tiện quản lý, kiểm sốt tiếng ờn tàu mà không mất nhiều thời gian 2.2.3 Khối hiển thị Những thiết bị đo tiếng ồn hiện tại thị trường thường có nhiều nút nhấn để chọn lựa thang đo và chế đợ, mặt khác hình hiển thị sớ liệu đo đạc nhỏ dẫn tới kết cấu máy đo cồng kềnh mất cân đối Để khắc phục các nhược điểm cũng tăng tính 26 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 thẩm mỹ, hình cảm ứng đa sắc sử dụng làm giao diện hiển thị và điều khiển Hình Màn hình LCD cảm ứng tạo chức nhận và lưu trữ dữ liệu máy tính  Hiển thị kết quả: Muốn xem kết quả đo các khoang máy đạt chuẩn hay không? Chỉ cần thao tác đơn giản lựa chọn thông số cần thiết nhấn nút “Display” từ hình giao diện máy tính Kết quả thể hiện trực quan qua chữ số biểu đồ Thi công máy đo ghi tiếng ồn 3.1 Phần cứng Máy đo tiếng ồn phục vụ kiểm tra tàu có cấu trúc (hình 9) và quy trình điều khiển theo lưu đờ tḥt tốn hình 10 Hình Sơ đồ khối cấu trúc máy đo tiếng ồn Quy trình thực hiện việc ghi đo tiếng ờn sau: Tín hiệu âm thu từ môi trường sẽ mô đun cảm biến âm nhận, xử lý thành tín hiệu là điện áp tuyến tính, tín hiệu trang thái On/Off tín hiệu tần sớ Các tín hiệu sẽ truyền sang kit Adruno lọc nhiễu hiệu chỉnh Logarit quy đổi sang số cường độ âm thực hiện ghi đo môi trường Chỉ số sẽ hiện thị lên hình LCD cảm ứng và lưu trữ lại EEPROM để kiểm soát quản lý kết quả 3.2 Phần mềm Giao diện quản lý dữ liệu lập trình bằng ngơn ngữ Visual basic hoạt đợng nhiều tính Thiết bị sau khởi động sẽ tiến hành khởi tạo khối chức thiết bị để đưa chúng sẵn sàng hoạt động gọi Khối xử lý liên tục kiểm tra ngắt để xem có yêu cầu thay đổi chế độ hoạt động hay không  Truyền nhận dữ liệu: Khi truyền dữ liệu từ máy đo tiếng ờn lên máy tính nhấn nút “View” từ hình cảm ứng kiểm tra ngắt nhận yêu cầu tiến hành khởi Hình 10 Lưu đồ hoạt đợng tổng qt Hình 11 Thiết bị đo tiếng ồn hoàn chỉnh Kết nhận xét Thực nghiệm tại mợt xưởng máy với nhiều phòng cần kiểm định tiếng ồn Tiến hành kiểm tra tiến ồn lần lượt tất cả phòng với nhiều thời gian khác (mơi trường có ng̀n tiếng ờn tương đương với khu vực buồng máy tàu thủy) Chỉ sử dụng máy đo nhóm tác giả chế tạo mà không cần thêm thiết bị phụ trợ khác Sau thực hiện kiểm tra xong kết nới máy tính cho kết quả với sau (dự kiến kết quả sẽ kiểm định tại quan Đăng kiểm Việt Nam – VR):  Kết quả đo tại Xưởng mài (lúc 10h00 ngày 22/2/2016) biểu diễn hình 12, kết TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 quả so sánh với máy đo ch̉n cho thấy đáp ứng xác (hình 13) Hình 12 Kết thực nghiệm máy tính (a) (b) Hình 13 Kết thực nghiệm trực tiếp máy đo a Máy thực nghiệm b Máy chuẩn  Thống kê kết quả đo của xưởng máy tiện mài tại nhiều thời gian đo Bảng Kết thực nghiệm xưởng máy Xưởng tiện Xưởng mài Thời gian Máy Máy chuẩn Máy Máy chuẩn 08h00 65.00 dB 65.00 dB 90.00 dB 90.00 dB 10h00 74.00 dB 74.00 dB 84.00 dB 84.10 dB 12h00 63.00 dB 63.00 dB 72.00 dB 72.00 dB 14h00 72.00 dB 71.90 dB 85.00 dB 85.00 dB 16h00 77.00 dB 77.00 dB 82.00 dB 81.90 dB Nhận xét: Thiết bị đo tiếng ờn cho tàu thủy có những đặc điểm:  Cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn nên thuận tiện cho việc sử dụng  Lưu trữ dữ liệu trực tiếp máy đo và máy tính đó tiết kiệm thời gian ghi dữ liệu bằng tay, tránh sai xót thực hiện kiểm tra mợt lần nhiều vị trị cần đo  Phân tích dữ liệu, đưa kết quả bằng phần mềm máy tính nên nâng cao đợ xác, rút ngắn thời gian chờ  Giao diện quản lý, điều khiển bằng hình cảm ứng hay máy tính thân 27 thiện giúp người sử dụng dễ thao tác đo kiểm  Hoàn thiện về tính xác kết cấu máy đo để thương mại hóa sản phẩm Kết luận Bài báo trình bày việc tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo tiếng ồn phục vụ trình kiểm tra tàu với những ưu điểm có các tính mới (lưu trữ dữ liệu, phân tích kết quả bằng phần mềm máy tính) sử dụng thuận lợi, tiết kiệm thời gian tránh sai sót việc ghi dữ liệu bằng tay Việc nâng cao đợ xác, tích hợp thêm tính ứng dụng mới giao tiếp với điện thoại thông minh hay đo tiếng ồn những nơi nguy hiểm với kết nối mạng không dây Bluetooth sẽ là hướng đầy triển vọng cho thiết bị Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phớ Hờ Chí Minh  Tài liệu tham khảo [1] Nguyen Xuan Cuong, Noise Pollution And Control, Hue university, 2012 [2] QCVN 80:2014/BGTVT, National Technical Regulation on Control of Noise Levels on Board Ships, HaNoi, 2014 [3] J Malchaire, Sound Measuring Instruments, Université Catholique de Louvain (UCL) [4] Randall F Barron, Industrial Noise Control and Acoustics, Louisiana Tech University Ruston, Louisiana, 2003 [5] K O Ballagh, Accuracy of Prediction Methods for Sound Transmission Loss, The 33rd International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, 2004 [6] F.Fahy, Sound and Structural Vibration Radiation, Transmission and Response, Academic Press, London, 1985.Malchaire, Programmes de conservation de l'audition, Organisation en milieu industriel Paris, Masson, pp 162, 1994 [7] E.C Sewell, Transmission of reverberant sound through a single leaf partition surrounded by an infinite rigid baffle, Journal of Sound and Vibration 12, pp 21-32, 1970 Ngày nhận bài: 17/03/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 07/04/2016 Ngày chấp nhận đăng: 14/04/2016 ... “View” từ hình cảm ứng kiểm tra ngắt nhận yêu cầu tiến hành khởi Hình 10 Lưu đồ hoạt đợng tổng qt Hình 11 Thiết bị đo tiếng ồn hồn chỉnh Kết nhận xét Thực nghiệm tại một xưởng máy với... máy đo ghi tiếng ồn 3.1 Phần cứng Máy đo tiếng ồn phục vụ kiểm tra tàu có cấu trúc (hình 9) và quy trình điều khiển theo lưu đờ tḥt tốn hình 10 Hình Sơ đồ khối cấu trúc máy đo tiếng. .. tác đo kiểm  Hồn thiện về tính xác kết cấu máy đo để thương mại hóa sản phẩm Kết luận Bài báo trình bày việc tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo tiếng ờn phục vụ q trình