Jak drgania akustyczne wpływają na wrażliwy sprzęt laboratoryjny

Wszystkie nowoczesne laboratoria są idealnie zbudowane z myślą o precyzji. Ale nawet w najstaranniej kontrolowanych środowiskach istnieje jedno niewidoczne zagrożenie, które często pozostaje niezauważone: wibracje .

Wibracje akustyczne, powodowane przez hałas i ruch mechaniczny, mogą bezpośrednio wpływać na dokładność pracy czułego sprzętu laboratoryjnego. Nawet niewielkie wibracje mogą powodować poważne problemy, począwszy od wpływu na mikroskopy i mikrowagi, aż po awarie czujników laserowych i instrumentów analitycznych.

Co ciekawe, zakłócenia te nie zawsze pochodzą od głośnych maszyn i często są ignorowane. Mogą być one wywoływane przez klimatyzację, wibracje budynku, a nawet, co zaskakujące, kroki. Z czasem, niestety, mogą prowadzić do błędnych danych, niepowodzeń testów i uszkodzeń sprzętu.

Przyjrzyjmy się bliżej temu, czym są drgania akustyczne, jak wpływają na różne systemy laboratoryjne, skąd się biorą i, co najważniejsze, jak je kontrolować, stosując inteligentne rozwiązania .

 

Dlaczego drgania akustyczne stanowią problem w laboratoriach precyzyjnych

Wibracje akustyczne to ruchy fizyczne wywoływane przez fale dźwiękowe przechodzące przez powietrze, powierzchnie i konstrukcje. Te drobne zmiany ciśnienia często pozostają niezauważone przez ludzi, ale czułe instrumenty laboratoryjne natychmiast je rejestrują.

 

Czym właściwie są drgania akustyczne?

Wibracje akustyczne powstają, gdy fale dźwiękowe powodują lekkie poruszenie powierzchni lub urządzeń. Nawet jeśli hałas wydaje się cichy lub odległy, generowane przez niego wibracje mogą przenikać przez ściany, stoły, a nawet podłogę.

Z czasem staje się to poważnym problemem w środowiskach laboratoryjnych, w których pomiary opierają się na absolutnej stabilności, a podczas testów o wysokiej precyzji nawet mikroskopijne ruchy mogą wprowadzać błędy.

Według Narodowego Instytutu Norm i Technologii (NIST) nawet fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości mogą zakłócać kalibrację sprzętu, zwłaszcza w laboratoriach, w których stosuje się narzędzia pomiarowe optyczne, grawitacyjne lub na poziomie atomowym.

 

Który sprzęt laboratoryjny jest najbardziej narażony?

Niektóre przyrządy są zbudowane tak, aby mierzyć niezwykle małe zmiany. To sprawia, że są również bardzo wrażliwe na drgania.

• Mikrowagi potrafią wykryć zmiany masy ciała nawet o 1 mikrogram. Niewielkie drgania mogą prowadzić do błędnych wyników.
• Mikroskopy, zwłaszcza mikroskopy elektronowe, opierają się na absolutnym bezruchu. Wibracje powodują rozmycie lub rozbieżność obrazu.
• Systemy laserowe i interferometryczne wymagają stabilnego ustawienia przez długi czas. Zakłócenia akustyczne mogą zaburzać odczyty.
• Precyzyjne czujniki stosowane w spektroskopii, metrologii i pomieszczeniach czystych są podatne na dryft sygnału spowodowany wibracjami.

To tylko kilka przykładów, ale niemal wszystkie wysokiej klasy urządzenia laboratoryjne działają gorzej, gdy przestrzeń wokół nich jest niestabilna, nawet jeśli operator tego nie zauważy.

 

 

Skąd pochodzą te wibracje?

Wibracje w laboratoriach mogą pochodzić z wielu źródeł. Niektóre z nich znajdują się wewnątrz budynku, a inne przedostają się do środka przez szczeliny i generują wibracje na zewnątrz. Wiele z nich nie jest głośnych, więc łatwo je przeoczyć. Jednak, jak odkryliśmy, nadal wpływają one na wrażliwy sprzęt.

 

Źródła drgań wewnętrznych

Do najczęstszych przyczyn wibracji zalicza się:

• Systemy HVAC - Urządzenia klimatyzacyjne i wentylacyjne wytwarzają ciągły ruch i dźwięk.
• Pompy i wirówki - Maszyny te wibrują podczas pracy i przenoszą ruch na podłogę lub stoły.
• Kroki i drzwi - chodzenie lub trzaskanie drzwiami może powodować lekkie drżenie podłogi lub ścian, co może mieć wpływ na narzędzia laboratoryjne.
• Maszyny znajdujące się w pobliżu - Sprzęt używany w innych pomieszczeniach może przenosić drgania poprzez wspólne ściany lub konstrukcje.

Nawet jeśli te dźwięki są słabe, wibracje, które wytwarzają, nadal rozprzestrzeniają się po powierzchniach. Dlatego ważne jest, aby wcześnie im zapobiegać.

 

Źródła zewnętrzne i związane z budynkiem

Wibracje pochodzą również spoza laboratorium. Mogą to być:

• Ruch drogowy – przejeżdżające duże ciężarówki lub autobusy. Mogą one powodować drgania gruntu, zwłaszcza w starszych i mniej stabilnych budynkach.
• Pociągi i metro - Drgania o niskiej częstotliwości emitowane przez linie metra rozprzestrzeniają się na zaskakująco dużą odległość.
• Prace budowlane - Maszyny znajdujące się w pobliżu, takie jak głośne młoty pneumatyczne lub wiertarki, mogą mieć wpływ na wydajność laboratorium.
• Instalacje budynkowe – windy, instalacje wodno-kanalizacyjne, a nawet wspólne pomieszczenia techniczne mogą również wytwarzać drgania tła, które pozostają niezauważone.

Wszystkie te źródła generują tak zwane drgania strukturalne. Oznacza to, że energia przemieszcza się przez podłogi, sufity i ściany, a nie tylko przez powietrze.

 

Jakie są konsekwencje niekontrolowanych wibracji?

Wibracje akustyczne w laboratoriach mogą być słabe, ale ich skutki są realne. Zaniedbane mogą prowadzić do utraty danych, skrócenia żywotności sprzętu, a nawet wyrządzenia krzywdy personelowi laboratorium. Problemy te wpływają na codzienne funkcjonowanie i długoterminową niezawodność w każdym środowisku, w którym wymagana jest precyzja.

 

 

Niższa dokładność i niepewne wyniki

Stabilność jest kluczowa dla wszystkich precyzyjnych instrumentów laboratoryjnych. Niedokładności pomiarowe pojawiają się, gdy powierzchnia drga, nawet o niewielki milimetr. Odważniki w mikrowagach mogą ulegać wahaniom, co powoduje, że obrazy z mikroskopów stają się zniekształcone lub rozmyte, ponieważ tracą ostrość. Najmniejszy ruch może niestety bezpośrednio zakłócać pomiary w interferometrach i systemach laserowych wymagających stałego ustawienia wiązki.

Jak podaje czasopismo Journal of Microscopy, drgania w niskim zakresie częstotliwości od 0,5 do 5 Hz wpływają na przejrzystość i dokładność obrazu. Mimo że jest to zakres znacznie poniżej słyszalności ludzkiego ucha, może powodować niestabilność w mikroskopach elektronowych o wysokiej rozdzielczości.

Dopóki dane nie staną się niespójne lub niewiarygodne, te zakłócenia często pozostają niezauważone. W takich sytuacjach, a co za tym idzie, często rosną koszty, nakłady pracy personelu i zużycie materiałów. W rezultacie, rezultaty również ulegają opóźnieniu.

 

Obciążenie sprzętu i wczesne awarie

Maszyny są poddawane fizycznym obciążeniom spowodowanym ciągłymi wibracjami. Nie zaleca się, aby delikatny sprzęt laboratoryjny poruszał się w jakikolwiek sposób podczas użytkowania. W rezultacie części mogą ulec szybszemu zużyciu. Silniki lub czujniki mogą mieć problemy z ustawieniem, wsporniki montażowe mogą się poluzować, a delikatne elementy elektryczne mogą się poruszać.

Z czasem prowadzi to do częstszych napraw, zwiększonej potrzeby kalibracji i krótszego ogólnego okresu eksploatacji sprzętu.

 

Obawy dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa personelu

Chociaż środowisko laboratoryjne wydaje się spokojne, wibracje o niskim natężeniu mogą nadal szkodzić personelowi, zwłaszcza tym, którzy często lub stale pracują w pobliżu maszyn lub systemów HVAC. Długotrwała ekspozycja może prowadzić do szybszego zmęczenia, obniżenia poziomu koncentracji, a w bardziej ekstremalnych warunkach do stresu fizycznego lub przeciążenia fizycznego.

W warunkach przemysłowych wyższe poziomy wibracji są bezpośrednio związane z wibracjami całego ciała (WBV) i zespołem wibracji ręka-ramię (HAVS). Chociaż laboratoria mogą nie być w stanie sprostać takim standardom, główny fakt pozostaje ten sam: wibracje, niezależnie od ich natężenia, ostatecznie powodują u ludzi uczucie dyskomfortu i niepokoju.

Jak wybrać odpowiednie rozwiązanie antywibracyjne

Różne problemy związane z drganiami wymagają różnych rozwiązań, a wybór odpowiedniego produktu lub metody zależy od wielu istotnych czynników, takich jak rodzaj maszyny, natężenie drgań, ich częstotliwość oraz środowisko, w którym maszyna pracuje.

 

 

1. Zrozum wagę swojego sprzętu

Masa maszyny decyduje o tym, ile energii może ona przekazać na podłogę lub otaczającą konstrukcję. Aby rozwiązać ten problem, systemy antywibracyjne muszą być tak dobrane, aby wytrzymać całe obciążenie urządzenia. Jeśli podkładka lub mocowanie są zbyt miękkie lub zbyt małe, nie będą skutecznie izolować drgań, albo nie będą w ogóle.

W przypadku ciężkiego sprzętu laboratoryjnego, na przykład agregatów chłodniczych czy mikserów przemysłowych, grube materiały, takie jak Vibro EP, zapewniają wytrzymałość i stabilność potrzebną do utrzymania ciężaru, jednocześnie redukując przenoszenie ciężaru. W przypadku lżejszych narzędzi zazwyczaj wystarczają mniejsze mocowania lub miękkie gumowe podkładki.

 

2. Dopasuj rozwiązanie do częstotliwości drgań

Niektóre urządzenia generują drgania o niskiej częstotliwości, podczas gdy inne generują drgania o wysokiej częstotliwości. Niewłaściwe produkty mogą filtrować niewłaściwe częstotliwości, dlatego ważne jest, aby określić rodzaj częstotliwości.

• Mocowania na bazie gumy sprawdzają się lepiej w przypadku drgań o wyższej częstotliwości
• Systemy oparte na sprężynach są skuteczniejsze w przypadku drgań o niskiej częstotliwości, zwłaszcza pochodzących z silników lub sprężarek

Na przykład mocowania sprężynowe DECIBEL SMR zaprojektowano specjalnie do izolowania urządzeń o niskiej prędkości, do czego wymagana jest również stabilność boczna i pionowa.

 

3. Weź pod uwagę otoczenie

Warunki, w których sprzęt jest umieszczony i pracuje, są niezwykle istotne. Laboratoria o wysokiej wilgotności, sporadycznych zmianach temperatury lub narażeniu na działanie silnych substancji chemicznych wymagają produktów antywibracyjnych wykonanych z trwałych materiałów.

• W pomieszczeniach o dużej wilgotności lub laboratoriach, w których stosuje się środki czyszczące, ważne są odporne na korozję ramy metalowe i odporne na starzenie elastomery
• W przypadku pomieszczeń czystych lub przestrzeni wrażliwych należy wybierać materiały, które nie ulegną degradacji z upływem czasu ani nie uwolnią cząstek

Zawsze sprawdzaj arkusz danych producenta pod kątem ocen odporności i certyfikatów, zwłaszcza jeśli pracujesz w środowisku medycznym lub farmaceutycznym.

 

4. Zaplanuj stabilność i bezpieczeństwo

Niektóre laboratoria znajdują się w regionach, w których drgania stanowią zagrożenie podczas zdarzeń zewnętrznych, takich jak silne wiatry, a nawet niewielkie wstrząsy sejsmiczne. W takich przypadkach mocowania antywibracyjne z funkcjami zabezpieczającymi mogą zapobiec przemieszczaniu się lub przechylaniu sprzętu.

Przykładowo uchwyty AMR firmy DECIBEL łączą izolację wibracji z wbudowanymi ogranicznikami, zapewniając stabilność we wszystkich kierunkach.

 

W dzisiejszych laboratoriach precyzja jest kluczowa. Jednak drgania akustyczne mogą obniżyć jakość danych, uszkodzić kosztowny sprzęt i utrudnić pracę laboratoryjną. Efekty te są często pomijane, dopóki dane nie staną się niewiarygodne lub narzędzia nie zaczną zawodzić.

Wibracje mogą pochodzić z różnych źródeł, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz laboratorium. Nawet niewielkie ruchy systemów HVAC, chodzenie lub ruch uliczny mogą zakłócać pracę wrażliwych urządzeń. Te drobne problemy z czasem przeradzają się w poważniejsze problemy.

Kontrola wibracji ma na celu przede wszystkim stworzenie bardziej stabilnego, wydajnego i bezpiecznego środowiska pracy. Zastosowanie odpowiednich mocowań antywibracyjnych, podkładek i elementów akustycznych przynosi wyraźną różnicę.

Potrzebujesz wsparcia w znalezieniu odpowiedniego rozwiązania w zakresie wibracji dla swojego laboratorium? Skontaktuj się z ekspertami DECIBEL, aby uzyskać systemy dostosowane do Twoich potrzeb.

Dodatkowe materiały i odniesienia

• Inspektorat Zdrowia i Bezpieczeństwa (Health and Safety Executive). (nd). Wibracje ręka-ramię (HAVS). Rząd Wielkiej Brytanii.
• Inspektorat Zdrowia i Bezpieczeństwa (Health and Safety Executive). (nd). Nadzór zdrowotny w zakresie wibracji dłoniowo-ramiennych. Rząd Wielkiej Brytanii.
• Narodowy Instytut Norm i Technologii (ND). Pomiary i normy akustyczne.
• Thermo Fisher Scientific. (nd). Instrumenty do mikroskopii elektronowej.
• Vine, DJ, McVitie, S. i MacLaren, DA (2014). Drgania mechaniczne i ich wpływ na skaningową mikroskopię transmisyjną o wysokiej rozdzielczości. Journal of Microscopy, 254 (2), 85–94.