Пластинчатые глушители шума вентиляционных установок

Акустические и аэродинамические характеристики

В. П. Гусев, доктор техн. наук, зав. лаб. защиты от шума вентиляционного и инженерно-технологического оборудования;

М. Ю. Лешко, старший научный сотрудник, НИИСФ

В общем, выбор конструкции глушителя зависит от спектра требуемого снижения шума, размеров воздуховода и допустимой скорости воздушного потока в нем, имеющегося запаса по давлению в сети, располагаемого места для его установки. Поскольку указанные элементы вентиляционных систем излучают аэродинамический шум с широкополосным спектром, для его снижения наиболее пригодны абсорбционные глушители (со звукопоглощающим материалом), обеспечивающие удовлетворительную эффективность в том же широком диапазоне частот. Это, прежде всего, трубчатые и пластинчатые глушители [1].

Конструктивно простые трубчатые глушители (круглые и прямоугольные) эффективны в воздуховодах с небольшими поперечными размерами (до 450–500 мм). Затухание в трубчатом глушителе зависит от длины активной части, периметра проходного сечения, равного периметру воздуховода, толщины слоя звукопоглощающего материала (ЗПМ) и коэффициента звукопоглощения ЗПМ, зависящего от его физико-механических свойств. При увеличении слоя ЗПМ эффективность трубчатого глушителя возрастает на низких частотах (наиболее важный с точки зрения шумоглушения диапазон). Поэтому для обеспечения требуемого снижения шума бывает достаточно, например, вместо глушителя длиной 1 м с толщиной слоя ЗПМ 50 мм установить глушитель длиной 0,5 м, но с толщиной слоя ЗПМ 100 мм.

Для увеличения затухания в воздуховодах с большими поперечными размерами прибегают к равномерному распределению ЗПМ по их сечению. Этот принцип использован в пластинчатом глушителе. Толщина пластин 2d и расстояние между ними 2d₀ часто сохраняются по всему сечению канала. Исключение составляет расстояние между крайней пластиной и корпусом (кожухом) глушителя, равное d₀. При схеме с крайними пластинами, установленными вплотную к стенкам корпуса, их толщина должна быть равной d – половине толщины других пластин.

Эффективность пластинчатого глушителя DL_гл зависит от физико-механических свойств ЗПМ, величины его сопротивления продуванию, типа и толщины слоя ЗПМ, расстояния между поглощающими поверхностями и от других параметров. В то же время она практически не зависит от количества пластин (каналов для воздуха), а также от высоты пластин и от схемы компоновки глушителя [2].

Зависимость эффективности глушителя от расстояния между пластинами 2d₀ показана на рис. 1. В глушителях длиной 2 000 мм использовались пластины с защитным слоем ЗПМ (супертонкого стекловолокна, r_зпм = 20 кг/м³) из стекло-ткани марки ЭЗ–100 и перфорированного листа (диаметр отверстий 6 мм, шаг 12 мм).

Рисунок 1. Изменение эффективности пластинчатого глушителя в зависимости от расстояния между пластинами: 1 – 2d0 = 100 мм, φсв = 50 %; 2 – 2d0 = 166 мм, φсв = 64 %; 3 – 2d0 = 300 мм, φсв = 75 %

На рисунке видно, что с уменьшением 2d₀, т. е. с уменьшением фактора свободной площади глушителя (j_св), эффективность возрастает. Фактор свободной площади – это относительное свободное сечение глушителя (в процентах). Если расстояние между пластинами (2d₀) остается неизменным, а толщина пластин (2d) увеличивается (при j_св = const), область максимального затухания смещается в сторону более низких частот. Это иллюстрирует рис. 2, на котором представлены спектрограммы эффективностей пластинчатых глушителей. Видно, что по мере увеличения толщины пластин эффективность увеличивается в низкочастотном диапазоне частот.

Рисунок 2. Изменение эффективности пластинчатого глушителя шума в зависимости от толщины пластин: 1 – 2δ = 100 мм; 2 – 2δ = 200 мм; 3 – 2δ = 400 мм

Приведенные на рис. 2 данные получены по результатам испытаний трех пластинчатых глушителей с длиной активной части 980 мм. Толщина пластин: 100, 200 и 400 мм, расстояние между пластинами, соответственно, 100, 200 и 400 мм. ЗПМ – маты из базальтового супертонкого волокна (БСТВ) (плотность 12,6 кг/м³). Защитное покрытие ЗПМ от выдувания и механических повреждений – стеклоткань типа Э3–100 + перфорированный стальной оцинкованный лист с диаметром отверстий 10 мм (процент перфорации 20 %).

С увеличением плотности ЗПМ (r_зпм) и связанного с ней сопротивления продуванию r максимум эффективности уменьшается по абсолютной величине, однако область высоких значений DL_гл резко расширяется в обе стороны. Дальнейшее увеличение плотности ЗПМ ведет к увеличению реактивной составляющей акустического импеданса слоя материала и тем самым к снижению эффективности в диапазоне низких и средних частот и к некоторому ее повышению на высоких частотах [2].

Рисунок 3. Эффективности глушителей шума с пластинами толщиной 100 и 200 мм: 1 – пластина 100 мм («Изовер» KVL, ρ2 = 41 кг/м3); 2 – пластина 200 мм («Изовер» KVL, ρ2= 41 кг/м3); 3 – пластина 100 мм (минвата, ρ1 = 80 кг/м3); 4 – пластина 200 мм (минвата, ρ1 = 80 кг/м3)

Для заданной толщины поглощающего слоя существует оптимальное значение сопротивления продуванию r_опт данного материала, которому соответствует область высоких значений DL_гл. В частности, для локально реагирующего и изотропного слоя толщиной 250 мм из супертонкого стеклянного волокна (СТВ) и базальтового супертонкого волокна (БСТВ) r_опт составляет около 0,23 см^-1. Это соответствует объемной плотности 18–21 кг/м³ при диаметре волокна 1–3 мкм. Для очень рыхлых (r_зпм = 5 кг/м³) волокнистых материалов величина r в продольном направлении влияет на величину DL_гл только в резонансной области частот. С увеличением r_зпм пик эффективности уменьшается по абсолютной величине и сдвигается в сторону высоких частот [2].

Волокнистые ЗПМ типа СТВ, БСТВ и другие могут применяться в глушителях только с акустически прозрачными защитными покрытиями. Наиболее распространенными покрытиями, применявшимся несколько десятилетий, были металлические перфорированные листы в сочетании со стеклотканями, пленками или с тонким слоем войлока ПВХ. Акустические свойства перфорированного покрытия (листа) характеризуются импедансом (его действительной и мнимой компонентами) или его эффективной массой, величина которой зависит от диаметра отверстий, их шага и толщины листа [3]. Импеданс покрытия (Z_пок) существенно зависит от того, насколько плотно лист прилегает к поверхности слоя ЗПМ. Когда имеется зазор в 2–3 мм, действительную компоненту импеданса принимают равной нулю, а мнимую компоненту определяют из выражения [4]:

(1)

где d – концевая поправка к толщине перфорированного покрытия, см;

h – коэффициент перфорации, %;

l₀ – толщина листа, см;

k – волновое число для воздуха, см^-1.

Для круглого отверстия диаметром (d_отв) концевую поправку при h ≤ 10 % определяют по приближенной формуле

(2)

При плотном контакте перфорированного покрытия и слоя волокнистого поглотителя импеданс Z_пок зависит не только от величины h, d_отв, l₀ и d, но и от структурной характеристики материала.

В последнее время небольшие пластины изготавливают с защитным слоем без перфорированного листа. Для этого используют плиты ЗПМ, кашированные стеклохолстом. В результате в диапазоне высоких частот эффективность глушителей несколько повышается, а в низкочастотном диапазоне понижается.

У изготовителей глушителей часто возникает важный практический вопрос, связанный с акустической эквивалентностью звукопоглощающих материалов. Периодически по разным причинам требуется замена одного ЗПМ на другой и прогнозирование эффективности глушителя с новым материалом, которая, как минимум, не должна снижаться. Для решения данной задачи существует простое выражение. Оно получено на основе предпосылки, что волокнистый материал 1 с плотностью r₁, кг/м³, и диаметром волокна d₁, мкм, является акустически эквивалентным материалу 2 с плотностью r₂ и диаметром d₂ при условии равенства их импедансов, т. е.

Z₁ = Z₂. (3)

Импеданс слоя толщиной l, расположенный на жестком основании, может быть рассчитан по выражению:

Z = Wcth (gl), (4)

где W – волновое сопротивление;

g – постоянная распространения звука в волокнистой среде, 1/м.

Для решения равенства (3) с учетом (4) используются эмпирические формулы для величин W и g в их комплексной форме, полученные в работах [5, 6]:

W = 1 + Q – iQ, (5)

g = kQ (2 + Q) / (1 + Q) + ik (1 + Q), (6)

где k = 2pf/c₀ – волновое число, 1/м;

f – частота звука, Гц;

c₀ – скорость звука в воздухе, м/с;

Q – безразмерная структурная характеристика, вычисляемая из выражения:

(7)

где m = 185 х 10⁵ – коэффициент динамической вязкости, Па с;

r₀ – плотность воздуха, кг/м³;

q₀ – множитель, равный

q₀ = 1 + 0,25 × 10⁴ / (1 – H)²,

где H = 1 – r / r_в – пористость;

r_в – плотность материала волокна, кг/м³.

Тогда равенство (3) с учетом (4)– (7) может быть сведено к равенству Q₁ = Q₂, которое может быть записано в виде:

(8)

Выражение (8) позволяет определить объемную плотность выбранного нового ЗПМ, которым можно заменить в пластинчатом глушителе с заданной эффективностью существующий ЗПМ. Для этого достаточно определить или знать диаметр и плотность волокон нового ЗПМ. Например, чтобы эффективность глушителя, где в качестве ЗПМ использована минеральная вата (r₁ = 80 кг/м³, d₁ = 10 мкм, плотность материала волокна r_в1 = 2 600 кг/м³), не претерпела существенных изменений в заданном диапазоне частот, при замене ее на стекловолокно марки «Изовер» (d₂ = 5,5 мкм, r_в2 = 2 450 кг/м³) плотность последнего r₂ должна быть около 40 кг/м³.

Для подтверждения справедливости данного вывода на рис. 3 представлены экспериментальные данные. На нем сравниваются эффективности глушителя с пластинами 100 мм, установленными на расстоянии 100 мм, и глушителя с пластинами 200 мм, установленными на расстоянии 200 мм, заполненными минеральной ватой, с эффективностями идентичных глушителей, в которых в качестве ЗПМ использовано стекловолокно марки «Изовер». Там же приводится плотность материалов. Длина активной части испытываемых глушителей – 950 мм.

Видно, что ожидаемый результат достигнут. При замене в звукопоглощающих пластинах минеральной ваты на «Изовер» с рекомендуемыми параметрами эффективности двух испытанных глушителей с пластинами разной толщины не уменьшились. В диапазоне частот 500–2 000 Гц эффективность глушителя с пластинами 100 мм, заполненными стекловолокном, даже более высокая, чем прогнозировалось.

К сожалению, изготовителями глушителей плотность звукопоглощающего материала в пластинах не задается и строго не контролируется. Поэтому в реальных условиях она может существенно отличаться от оптимальной (рекомендуемой). Основным фактором при заполнении пластин часто является экономия ЗПМ и сокращение материальных затрат на их изготовление. В результате такого подхода, как показали наши систематические испытания на стенде НИИСФ, эффективность глушителей не достигает максимальных значений. Она существенно зависит от используемого ЗПМ, а также от того, насколько плотность этого ЗПМ отличается от оптимальной величины (рис. 4, 5).

Рисунок 4. Эффективность пластинчатого глушителя с пластинами 100 мм: 1 – «Роквул», ρ = 35 кг/м3; 2 – «Лайт-Баттс», ρ = 25–45 кг/м3; 3 – «Изовер» КТ-11, ρ = 17–20 кг/м3; 4 – БСТВ, ρ = 12,6 кг/м3; 5 – «Ultratouch», ρ = 30 кг/м3; 6 – «Fiberform», ρ = 80 кг/м3; 7 – «URSA» П-30ГС, ρ = 30 кг/м3; 8 – «Изовер» KVL, ρ = 41 кг/м3

Пользуясь результатами испытаний глушителей, приведенными на рис. 4, 5, обращаем внимание читателя на существование того факта, что на низких частотах (до 250 Гц) эффективность пластинчатых глушителей относительно низкая и не может превышать 15–17 дБ. Несмотря на это, некоторые фирмы-изготовители не стесняются приводить в каталогах данные, свидетельствующие об эффективности их глушителей на частоте 125 Гц – более 15 дБ, а на частоте 250 Гц – более 20 дБ.

Рисунок 5. Эффективность пластинчатого глушителя с пластинами 200 мм: 1 – «Роквул», ρ = 35 кг/м3; 2 – «Лайт-Баттс», ρ = 25–45 кг/м3; 3 – «Изовер» КТ-11, ρ = 17–20 кг/м3; 4 – БСТВ, ρ = 12,6 кг/м3; 5 – «Ultratouch», ρ = 30 кг/м3; 6 – «Fiberform», ρ = 80 кг/м3; 7 – «URSA» П-30ГС, ρ = 30 кг/м3; 8 – «Изовер» KVL, ρ = 41 кг/м3.

Воздушный поток, проходя через каналы глушителя, генерирует так называемый собственный шум глушителя. Уровень звуковой мощности собственного шума, генерируемого в глушителе, зависит от его конструкции, размеров и скорости набегающего потока в воздуховоде. Если снижение уровня шума в глушителе велико (например, при длине 3 м), то уровень звуковой мощности от вентилятора за глушителем может оказаться сопоставимым с уровнем звуковой мощности шумообразования в самом глушителе. Чем дальше от помещения устанавливается глушитель, тем большую скорость воздуха можно принять при определении требуемой площади его поперечного сечения.

В общем случае допустимую скорость воздуха в глушителе следует выбирать в зависимости от располагаемых потерь давления и допустимого уровня звуковой мощности шумообразования в самом глушителе. При этом величину L_Pдоп определяют по формуле:

L_Pдоп = L_Pвх – DL_тр – 5, (9)

где L_Pвх – октавный уровень звуковой мощности на входе в глушитель, дБ;

DL_тр – требуемое снижение октавного уровня звуковой мощности, дБ.

Если глушитель устанавливается на конечном участке воздуховода перед помещением, то допустимую скорость воздуха можно ориентировочно принимать в зависимости от допустимого уровня звука в помещении по табл. 1.

Таблица 1

Допустимый уровень звука в помещении, дБ(А) 25 30 40 50 55 70 Допустимая скорость воздуха, м/с 2,5 4 6 8 10 15

Уменьшение расстояния между пластинами 2d₀, с одной стороны, приводит к увеличению эффективности глушителя, с другой стороны, существенно возрастает его аэродинамическое сопротивление, которое является причиной образования шума в нем.

Аэродинамическое сопротивление глушителей (Па) рассчитывается по формуле:

(10)

где x – коэффициент местного сопротивления; для пластинчатых глушителей принимается по табл. 2 в зависимости от фактора свободной площади и конструктивных особенностей пластин, для трубчатых глушителей x = 0;

l – длина глушителя, м;

l – коэффициент трения (табл. 3);

D_г – гидравлический диаметр, м;

r – плотность воздуха, кг/м³;

n – скорость воздуха в живом сечении глушителя, м/с.

Таблица 2 Коэффициент местного сопротивления глушителей

Фактор свободной площади φсв = Fcв/Fг1 Коэффициент местного сопротивления ζ для пластин с обтекателями на входе без обтекателей 0,25 0,72 0,95 0,30 0,64 0,85 0,40 0,49 0,65 0,50 0,38 0,50 0,60 0,27 0,35

1 Fcв и Fг – соответственно свободные площади поперечного сечения глушителя и поперечного сечения кожуха, в котором установлены пластины.

Таблица 3

Гидравлический диаметр глушителя, Dг, м 0,1 0,2 0,4 0,6 1,0 1,5 и более Коэффициент трения 0,06 -0,05 0,04 0,03 0,025 0,025

Существенное снижение аэродинамического сопротивления пластинчатых глушителей достигается за счет обтекателей (полуцилиндров), устанавливаемых на торцы пластин (по всей высоте) на входе в глушитель.

Авторы надеются, что публикуемые в статье данные будут использованы при проектировании и изготовлении пластинчатых глушителей. Это приведет к созданию глушителей, обеспечивающих высокие акустические качества и создающих минимальное аэродинамическое сопротивление потоку воздуха (минимальные гидравлические потери) в вентиляционных сетях.

Литература

1. Гусев В. П. Средства снижения воздушного и структурного шума систем вентиляции, кондиционирования и холодо-снабжения // АВОК. – 2005. – № 4.

2. Гусев В. П. Акустические характеристики абсорбционных глушителей для защиты зданий и территорий застройки от вентиляционного шума // БЖД. – 2003. – № 8.

3. Рассадина И. Д. Глушители шума мотороиспытательных станций. Автореферат канд. дисс. – М., 1969.

4. Науменко З. Н. Глушители шума аэрогазодинамических установок. Автореферат канд. дисс. – М., 1970.

5. Voronina. N. Acoustic Properties of Fibrous Materials. Applied Acoustics, vol. 42, 3, 1994.

6. Voronina. N. Improved Empirical of Sound Propagation Through a Fibrous Material. Applied Acoustics, vol. 48, № 2, 1996.

 

Тел. (495) 482-40-33