Kallioporauksen ja rikotuksen äänentuottomekanismit (KAPRI)

Tiivistelmä

KAPRI-hankkeessa tutkitaan kallioporalaitteiden ja rikotusvasaroiden äänentuoton mekanismeja. Näiden meluisten laitteiden läheisyydessä työskentely aiheuttaa työntekijöille merkittävän melukuormituksen, joka alentaa työturvallisuutta ja -tehokkuutta ja voi pitkään jatkuessaan johtaa kuulovaurioon. Projektin alussa suunnitellaan ja rakennetaan mittalaitteisto, jolla tutkitaan poralaitteiden osien äänentuottoa. Mittaukset suoritetaan Aalto-yliopiston signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitoksen akustisissa mittaustiloissa. Mikrofoneilla ja muilla antureilla saadun mittausaineiston perusteella laaditaan laskennallinen malli, jonka avulla voidaan tarkastella valitun herätteen aiheuttamaa värähtelyä ja äänentuottoa halutussa pisteessä tutkittavaa kappaletta. Laskennallisen mallin laatimisessa hyödynnetään tietämystä äänilähteiden fysikaalisista malleista, etenkin soitinmallinnuksessa käytetyistä teknologioista. Tutkimuksen tavoitteena on saavuttaa ymmärrys porauksessa ja rikotuksessa käytettävien rakenteiden värähtelyilmiöistä ja äänentuottomekanismeista. Laskennallista mallia voidaan hyödyntää melupäästöltään vähäisempien laitteenosien ja laitteiden suunnitteluprosessissa.

Hankkeen vastuuhenkilö

Vesa Välimäki

Tiedote

Uutta tietoa kallioporauksen äänentuottomekanismeista

Kallioporauksen ja rikotuksen äänentuottomekanismeista on saatu
paljon uutta osaamista ja ymmärrystä.

Kallioporalaitteiden ja rikotusvasaroiden äänentuottomekanismeja
tutki Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulun
signaalikäsittelyn ja akustiikan laitos.

Tavoitteena oli saavuttaa ymmärrys porauksessa ja rikotuksessa
käytettävien rakenteiden värähtelyilmiöistä ja
äänentuottomekanismeista. Laskennallisia malleja voidaan jatkossa
hyödyntää entistä hiljaisempien laitteenosien ja laitteiden
suunnitteluprosessissa. Pitkän tähtäimen tavoitteena on oppia
vähentämään kallioporauksen melupäästöjä, jotka alentavat
työturvallisuutta ja -tehokkuutta ja voivat pitkään jatkuessaan
johtaa kuulovaurioon.

Työsuojelurahasto tuki hanketta tutkimus- ja
kehitysmäärärahalla.

Mittalaitteisto äänentuoton tutkimukseen

Projektin aluksi tehtiin kirjallisuusselvitys, jossa
tutustuttiin porausmelun syntyyn ja laskennalliseen mallintamiseen
liittyviin julkaisuihin.

Lisäksi suunniteltiin ja rakennettiin mittalaitteisto poran
osien äänentuoton tutkimukseen. Mittaukset toteutettiin
Aalto-yliopiston signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitoksen
akustisissa mittaustiloissa. Mikrofoneilla ja muilla antureilla
saadun mittausaineiston perusteella laadittiin laskennallinen
malli, jonka avulla voidaan tarkastella valitun herätteen
aiheuttamaa värähtelyä ja äänentuottoa tutkittavan kappaleen
tietyssä pisteessä.

Laskennallisen mallin laatimisessa hyödynnettiin tietämystä
äänilähteiden fysikaalisista malleista, etenkin
soitinmallinnuksessa käytetyistä teknologioista.

Testeissä ymmärrystä melun synnystä

Hankkeessa syntyi laajasti osaamista ja ymmärrystä porauksen
äänentuottomekanismeista. Loppuraporttiin sisällytetty
kirjallisuuskatsaus auttaa jatkossa alaan perehtymisessä. Monia
porakankien ja rikotusvasaroitten värähtelyyn ja äänentuottoon
liittyviä ilmiöitä voitiin todentaa moderneilla mittalaitteilla
laboratorio-olosuhteissa, kuten poikittaisen ja pitkittäisen
värähtelyn amplitudisuhteet ja niiden tuottaman äänen osuus melun
kokonaistehossa.

Matlab-ohjelmalla toteutetut yksinkertaistetut mallit
metallikappaleiden värähtelystä auttavat ymmärtämään, millaista
värähtelyä tietty heräte aiheuttaa. Eri herätteitä, yksittäisiä tai
toistuvia, voidaan testata. Tällaiset testit voivat auttaa
ymmärtämään paremmin porauksen melun syntyä eri käytännön
tilanteissa.

Myös kallionporauksen akustista ympäristöä, kallioon louhittua
tunnelia, tutkittiin ja sen akustiikkaa mallinnettiin
laskennallisesti. Tämä toi merkittävää tietoa äänikentän synnystä
ja melun etenemisestä porauksen aikana.

Jatkotutkimuksella kohti hiljaisempia koneenosia

Kehittämisideoita saatiin paljon. Osa niistä liittyy porakankien
ja rikotusvasaroiden suunnitteluun.

Venymäliuskoilla tehtäviä mittauksia opittiin tässä hankkeessa
tekemään huolellisesti. Tätä osaamista voidaan käyttää jatkossa
hyväksi porauksen seuraamisessa. Porakankien ja luolan
laskennallisia malleja voidaan käyttää hyväksi myös
poraustapahtuman ääniympäristön mallintamisessa, mitä voidaan
soveltaa porakoneen koulutussimulaattorien äänimaailman
parantamisessa.

Jatkotutkimusta on syytä tehdä erityisesti hiljaisempien
koneenosien kehittämiseksi. Porakankien ja rikotusvasaroitten uudet
rakenteet ja materiaalit voivat vähentää melupäästöä merkittävästi,
mutta haasteet ovat vaikeita.

Kallioporauksessa kanki ja kruunu joutuvat suurien voimien
alaisiksi ja kuluvat voimakkaasti. Siksi monia muotoiluun
liittyviä, melunvaimennukseen tähtääviä yksityiskohtia ei voi
käytännössä toteuttaa, sillä ne eivät ole riittävän kestäviä.

Muita jatkotutkimusmahdollisuuksia ovat porauksen monitorointi
mittauksilla ja poralaitesimulaattorin äänimaailman
jatkokehittäminen.

Toimittaja
Leena Huovila

Aineisto

Sami Oksanen. 2014. KAPRI Final Report. The Finnish Work Environment Fund Project no. 111244. Aalto University Department of Signal Processing and Acoustics. Science + Technology 1/2014. ISBN 978-952-60-5525-1 ISBN 978-952-60-5526-8 (pdf) ISSN-L 1799-4896 ISSN 1799 4896 (prontide) ISSN 1799-490X (pdf) http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5526-8 Avaa