Акустические и аэродинамические характеристики гибких воздуховодов

В. П. Гусев, канд. техн. наук, зав. сектором борьбы с аэродинамическими шумами;

М. Ю. Лешко, старший научный сотрудник, НИИСФ

Для борьбы с шумом таких источников специалисты-акустики справедливо рекомендуют прямоугольные и трубчатые глушители, устанавливаемые при вводе воздуховодов в помещения. Вместе с тем, в последнее время находят применение в практике проектирования вентиляции жилых и общественных зданий гибкие каркасные и бескаркасные (эластичные) воздуховоды из синтетических материалов, обладающие достаточно высокими акустическими и аэродинамическими качествами.

Гибкие каркасные воздуховоды могут быть со звукопоглощающим слоем или без него. Воздуховоды со звукопоглощением представляют собой трехслойную конструкцию. Их внутренний и внешний слои состоят из синтетического материала с алюминиевой фольгой, а средний слой — из супертонкого минерального волокна, например, из базальтового, с толщиной слоя 25 мм. Для механической прочности средний слой монтируется на каркасе из металлической спирали. При транспортировке воздуховоды сжаты по продольной оси, а при монтаже в месте установки — растянуты на необходимую длину (в пределах длины наружного и внутреннего покрытия). Внутренний слой воздуховодов может иметь перфорацию. Размер отверстий составляет десятые доли миллиметра, шаг 10—20 мм. Необходимую герметичность воздуховодов обеспечивает наружное покрытие. Каркасные воздуховоды без звукопоглощения имеют только один наружный слой.

Эластичные воздуховоды не имеют каркаса. Их основой является вспененный полиэтилен, на внешнюю и внутреннюю поверхности которого для прочности и герметичности нанесено алюминиевое покрытие. Этот материал получил название «Пенофол». Отечественный производитель «Пенофола» (завод «ЛИТ») предлагает его использовать для изготовления не только прямых участков воздуховодов и плавных поворотов, но и фасонных элементов, например, тройников.

Информация об акустических и аэродинамических качествах гибких воздуховодов и в зарубежных, и в отечественных источниках весьма скудная. Предлагаемые материалы экспериментальных исследований направлены на устранение данного пробела и, на наш взгляд, могут представлять определенный интерес для акустиков и проектировщиков. Без названных характеристик каркасных и бескаркасных гибких воздуховодов, включающих величину снижения и генерации шума, а также гидравлического сопротивления, трудно прогнозировать их широкое внедрение в практику проектирования и строительства.

Аэроакустические испытания таких воздуховодов проводились на универсальном стенде НИИ Строительной физики [1] стандартными методами.

Для определения акустической эффективности испытывались образцы круглых гибких каркасных воздуховодов со звукопоглощающим слоем зарубежных фирм: TecSonik («CCL», Англия), Sonodec («DEC», Голландия) и SonoConnect («AirConnections», Голландия) и отечественных производителей: IsoDF, IsoDFA, IsoDFA-S (ООО «ЭлПромРесурс»). Толщина слоя ЗПМ — 25 мм. Внутренний диаметр воздуховодов 200 мм, длина активной части изменялась от 1 до 3 м. Отечественные воздуховоды типа IsoDFA-S, в отличие от типа IsoDFА, так же, как зарубежные, имеют перфорацию на внутреннем защитном покрытии.

Аналогичным испытаниям подвергались круглые эластичные воздуховоды из отечественного материала типа «Пенофол–AIR». Толщина стенок воздуховодов 8 и 16 мм, внутренний диаметр 100, 125, 150, 160, 200, 250, 315 мм, длина 1 м. Для сравнительного анализа акустических качеств в объем этих испытаний был включен гофрированный алюминиевый воздуховод типа Isodec внутренним диаметром 200 мм.

По результатам испытаний можно отметить следующее:

1. Гибкие каркасные воздуховоды со звукопоглощением при длине 3 м обладают значительными акустическими качествами в широком диапазоне частот (рис. 1). Во всех воздуховодах максимальная величина снижения уровня шума 28–35 дБ достигается только в одной октавной полосе со среднегеометрической частотой 2 000 Гц. Снижение в диапазонах низких частот составляет 3—12 дБ, а в диапазоне высоких 10—20 дБ. На средних частотах эффективность гибких воздуховодов мало зависит от типа и составляет 25—30 дБ. Исключение составляет акустическая характеристика воздуховода типа SonoConnect с провалом на частоте 1 000 Гц.

Рисунок 1. (подробнее) Снижение уровней шума в воздуховодах со звукопоглощением длиной 3 м

2. При уменьшении длины воздуховода с 3 до 1 м величина снижения шума в диапазоне низких частот остается практически неизменной и существенно уменьшается с ростом частоты. Это хорошо видно на рис. 2, который демонстрирует результаты испытания отечественного воздуховода типа IsoDFA-S. По акустической эффективности гибкий каркасный воздуховод длиной 3 м можно сравнить с рубчатым глушителем с длиной активной части 1,5 м и толщиной звукопоглощающего слоя 100 мм.

Рисунок 2. (подробнее) Зависимость акустической эффективности гибкого воздуховода типа IsoDFA-S от длины

3. Акустическая эффективность гибких бескаркасных воздуховодов выше, чем у алюминиевого гофрированного воздуховода, но значительно ниже, чем у каркасных воздуховодов (рис. 3). При этом максимум величины снижения шума перемещается в октавную полосу со среднегеометрической частотой 1 000 Гц, на ее частотной характеристике появляется провал в диапазоне высоких частот. Увеличение диаметра воздуховода влияет мало, а увеличение толщины стенки воздуховода с 8 до 16 мм приводит к снижению акустической эффективности (рис. 4).

	Рисунок 3. (подробнее) Снижение уровней шума в воздуховодах из «Пенофола» длиной 1 м и толщиной стенки 8 мм
	Рисунок 4. (подробнее) Снижение уровней шума в воздуховодах из «Пенофола» длиной 1 м и толщиной стенки 8 и 16 мм

Внутренние поверхности любых воздуховодов систем вентиляции характеризуются шероховатостью. Она у гибких воздуховодов, как правило, выше, чем у металлических. Поэтому в них при равных скоростях потока могут быть более высокие гидравлические потери и, как следствие, более высокое шумообразование. Величина абсолютной шероховатости воздуховода связана с линейным коэффициентом сопротивления трения, который соответствует коэффициенту местного сопротивления. Для определения коэффициента сопротивления трения и величины генерируемого аэродинамического шума выполнялись комплексные аэроакустические испытания. Испытывались гибкие воздуховоды из «Пенофола», алюминиевые гофрированные и типа «Sonodec» с внутренними диаметрами 100 мм, длиной от 1 до 3 м. Скорость потока воздуха в воздуховодах изменялась ступенчато с шагом 3 м/с от 3 до 18 м/с.

Генерируемый участком воздуховода шум измерялся в реверберационной камере. По измеренным уровням звукового давления в октавных полосах частот по стандартной методике определялись уровни звуковой мощности этого шума. Одновременно измерялись потери давления на трение (R) как разность на входе и выходе из воздуховода и по тарированному коллектору определялся динамический напор (Dp_колл) и скорость потока воздуха.

	Рисунок 5. (подробнее) Уровни генерируемого шума воздуховодами разной длины при скорости потока 6 м/с
	Рисунок 6. (подробнее) Уровни генерируемого шума воздуховодом из «Пенофола» длиной 3 м в зависимости от скорости потока

По результатам измерений R и Dp_колл для участка круглого воздуховода длиной 1 м определялся линейный коэффициент сопротивления трения по известной формуле [3, 4]:

 (1)

где d — диаметр воздуховода, м;

l — длина воздуховода, м;

v — скорость потока воздуха в воздуховоде, м/с;

g — объемная масса воздуха, кг/м³;

g — ускорение свободного падения.

Для трех типов испытанных воздуховодов определены значения линейных коэффициентов сопротивления трения, равные для воздуховода из «Пенофола» — 0,0386, для гофрированного гибкого воздуховода — 0,0498, для воздуховода типа «Sonodec» — 0,1002.

Как видно, линейный коэффициент сопротивления трения воздуховодов из «Пенофола» самый низкий из рассмотренных образцов, но он почти вдвое превышает значение для гладкой круглой стальной трубы, равное 0,02 [3, 4].

Поскольку сопротивление трению в воздуховоде из «Пенофола» минимальное по сравнению с другими (каркасными), то в нем следует ожидать минимальное шумообразование. Это демонстрируют результаты испытаний, приведенные на рис. 5 и 6. Кроме того, видно, что в ограниченном диапазоне изменения длин испытанных воздуховодов (от 1 до 3 м) генерируемый в них шум остается практически независимым от длины.

Экспериментальные акустические данные (уровни звуковой мощности в октавных полосах частот), полученные для воздуховодов диаметром 100 мм, могут быть пересчитаны для воздуховодов других поперечных размеров по формуле [2]:

L_P = L_Pобр + 10 lg (S/S_обр),  (2)
где L_Pобр — уровни звуковой мощности испытанного образца воздуховода, дБ;

S и S_обр — площади поперечного сечения испытанного образца воздуховода и любого другого, м².

Выводы

1. Гибкие каркасные воздуховоды со звукопоглощающей облицовкой обладают значительными акустическими качествами и могут быть использованы на конечных участках вентиляционных сетей для снижения шума дросселей и другой регулирующей поток арматуры. Ограничением для их использования является высокое гидравлическое сопротивление (из-за повышенной шероховатости) и, соответственно, высокая генерация аэродинамического шума (по сравнению с металлическими воздуховодами). Поэтому в тихих помещениях (с допустимыми уровнями звука менее 35 дБА) они могут использоваться при скорости потока не более 5 м/с.

2. Акустические качества гибких бескаркасных воздуховодов (из «Пенофола») существенно ниже, чем у каркасных. Однако они обладают невысокой шероховатостью, а потери давления и генерируемый в них шум ниже даже при более высоких скоростях потока. Кроме этого, «Пенофол» — материал, который легко поддается механической обработке, хорошо режется и склеивается. Из него можно изготавливать не только протяженные прямые участки и плавные повороты, но и различные фасонные элементы: тройники, крестовины, прямоугольные повороты.

Литература

1. Гусев В. П., Лешко М. Ю. К вопросу об аэроакустических испытаниях вентоборудования // АВОК. 2002. № 2.

2. Гусев В. П., Лешко М. Ю. Оценка аэродинамического шума элементов вентиляционных систем // АВОК. 2002. № 5.

3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.

4. Справочник проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Под ред. И. Г. Староверова. М.: Стройиздат, 1977.

Тел. (095) 482-40-33