Еще раз о шумовых характеристиках вентоборудования и акустических возможностях шумоглушителей

В. П. Гусев, доктор техн. наук, зав. лабораторией защиты от шума вентиляционного и инженерно-технологического оборудования, научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук

 

Эксплуатация вентиляционного оборудования, как правило, невозможна без осуществления комплекса мероприятий по шумоглушению. Для правильного выбора объема и состава средств снижения при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха существует акустический расчет, необходимость выполнения которого устанавливает СНиП [1]. Точность акустического расчета зависит не только от квалификации специалиста его выполняющего, но и от достоверности исходных данных (шумовых характеристик источников шума) и эффективности  закладываемых в проект средств снижения шума, в частности, шумоглушителей. Использование неточных исходных данных приводит к существенному искажению прогнозируемых акустических ситуаций на проектируемых объектах, к ошибочным проектным решениям на пути к обеспечению нормативных требований по фактору шума и, как следствие, к необоснованным и часто весьма существенным дополнительным материальным вложениям в проекты.

В последнее время упомянутые неточные данные – явление в каталогах фирм изготовителей и поставщиков оборудования далеко не редкое. Неточности появляются как с целью создания привлекательности продаваемого фирмами продукта (вентилятора, кондиционера, глушителя и др.), так и ошибочно, думается, по причине отсутствия необходимых специальных знаний.

Озабоченность в связи с существованием такой негативной практики выражают не только специалисты НИИСФ (включая автора), но и эксперты-акустики территориального Управления Роспотребнадзора по г. Москве [2]. В настоящей статье выражена наша общая позиция по данному вопросу. Ее цель не столько указать на ошибочные или намеренные действия изготовителей вентиляционного оборудования и элементов шумоглушения при представлении ими акустических характеристик, сколько обратить внимание потребителей и проектировщиков на существование неточностей в этих характеристиках, приводящих к неизбежным дополнительным расходам средств.

Основанием для возражения против представляемых завышенных акустических и аэродинамических параметров служат огромный положительный практический опыт снижения шума, в частности, вентиляционного оборудования и обширные экспериментальные данные, накопленные в НИИСФ. В нашем институте помимо совершенствования расчетных методов оценки акустических ситуаций, исследования шума различных источников и разработки средств и методов его снижения в местах обитания человека на специальном стенде [3] систематически проводятся акустические и аэродинамические испытания как источников шума, так и элементов шумоглушения.

О шумовых характеристиках оборудования

Основной характеристикой постоянного шума в местах обитания человека (на рабочих местах, в жилье, в зонах отдыха и др.), соответственно, нормируемыми параметрами являются уровни звукового давления (L, дБ) в девяти октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; …8000 Гц (СН 2.2.4/ 2.1.8.562–96 [4]). Для ориентировочной оценки допускается использовать уровни звука (L_А, дБ(А)).

В связи с этим, согласно СНиП [1] и ГОСТ 23941–79 [5], основной шумовой характеристикой оборудования (в том числе вентиляционного), которое создает этот шум в указанных местах, являются октавные уровни звуковой мощности (L_Р, дБ), а дополнительной – корректированный уровень звуковой мощности (L_РА, дБ(А)).

Несмотря на это, зарубежные фирмы (в первую очередь) в качестве основной шумовой характеристики часто представляют или уровень звуковой мощности (УЗМ) в дБ(А), или суммарный уровень звуковой мощности, или уровень звука в дБ(А) (без указания расстояния от источника, на котором он измерен), или корректированные октавные уровни звуковой мощности. Иногда эти исходные данные приводятся в каком-либо наборе.

Для выполнения квалифицированного акустического расчета и решения практических задач защиты от шума первые три характеристики, разумеется, непригодны.

По ним невозможно получить зависимое от частоты требуемое снижение шума, которое позволяет достаточно точно поставить диагноз, установить причину неблагоприятной ситуации или источник, ее создающий.

Четвертая характеристика предлагается изготовителем оборудования, в качестве основной шумовой характеристики, однако таковой не является. Это октавные уровни звуковой мощности источника, но с учетом (за вычетом) корректирующей поправки. Такую поправку (частотную характеристику) автоматически вносит измерительный тракт (шумомер) при измерении уровня звука в дБ(А) (по шкале А). В результате чувствительность прибора существенно снижается преимущественно в низкочастотном диапазоне, а восприятие им данного шумового воздействия приближается к восприятию уха человека (ухо человека слабо воспринимает звуковые колебания в диапазоне низких частот). Эта способность уха человека учтена при разработке санитарных норм по фактору шума; на низких частотах допустимые уровни звукового давления значительно выше, чем на средних и высоких частотах.

Впрочем, четвертая характеристика может быть использована в качестве исходных расчетных данных (она позволяет получить точные количественные конечные расчетные данные), но при условии, что при определении требуемого снижения шума в расчетной точке указанная корректирующая поправка будет внесена и в предельно допустимый спектр (в нормы), а это нонсенс.

Иногда в качестве шумовой характеристики крупногабаритного оборудования, например, холодильных машин, воздушных охладителей, конденсаторов, предлагаются октавные уровни звукового давления, измеренные на расстоянии 1, 5 и 10 м от излучающей шум поверхности. Измерения проводятся в прямом поле, где уровень звука снижается на 6 дБ при удвоении расстояния от источника шума.

В этих случаях при расположении расчетных точек на указанных или близких к ним расстояниях от источника изготовители предлагают сравнивать приведенные измеренные уровни (L, дБ) с допустимыми уровнями звукового давления и таким образом определять искомое требуемое снижение шума. Ошибочность такого подхода состоит в том, что в условиях эксплуатации оборудования, как правило, прямое поле вокруг источника отсутствует. Вследствие чего реальные уровни звукового давления на тех же опорных расстояниях будут выше измеренных. Итогом предлагаемого подхода будет занижение требуемого снижения шума оборудования и превышение ожидаемых уровней звукового давления над допустимыми значениями.

О возможностях шумоглушителей

Особое негодование экспертов вызывают проекты вентиляции и прилагаемые к ним акустические расчеты, в которых учитываемые эффективности абсорбционных глушителей шума достигают порой 50–60 дБ. Можно сомневаться, но принять, когда такое снижение звуковой мощности в воздуховоде обеспечивает, например, пластинчатый глушитель длиной около 2 м в диапазоне высоких частот (1 000–2 000 Гц). Однако когда изготовители (поставщики, проектировщики) утверждают, что метровый пластинчатый глушитель в низкочастотном диапазоне от 50 до 200 Гц снижает уровень звуковой мощности в воздушном канале на 20–25 дБ и более, возникает большой вопрос и по поводу достоверности представляемых характеристик, и по поводу их происхождения.

Удивляют также и весьма высокие допустимые скорости потока воздуха в каналах глушителей. Так, в пластинчатых и канальных глушителях они, по мнению некоторых проектировщиков, могут быть и 10, и 15, и 20 м/с. Причем независимо ни от расположения (места установки) глушителя по вентиляционной сети, ни от назначения здания, в котором осуществляется проект вентиляции.

Прежде всего, видимо, целесообразно подчеркнуть, что для снижения аэродинамического шума вентиляционного оборудования в нашей стране и за рубежом преимущественно применяются трубчатые, пластинчатые и канальные глушители. Они имеют достаточно простую конструкцию, технологию изготовления, создают при правильном проектировании приемлемые гидравлические потери и обеспечивают существенное снижение звуковой мощности, распространяющейся в воздуховоде, в широком диапазоне частот и относятся к абсорбционным глушителям в связи с использованием в них различных звукопоглощающих материалов (ЗПМ) [6].

Трубчатые глушители (круглые и прямоугольные) эффективны в воздуховодах с поперечными размерами до 450–500 мм. Для увеличения затухания в воздуховодах с большими поперечными размерами прибегают к равномерному распределению ЗПМ по их сечению. Этот принцип использован в пластинчатом глушителе. В прямоугольных воздуховодах (в воздушных каналах) с поперечными размерами до 800 х 500 мм часто применяют так называемые канальные глушители. По сути это пластинчатый глушитель, но с одной пластиной. Толщина этой пластины равна половине меньшего размера поперечного сечения прямоугольного воздуховода.

Затухание звука в абсорбционных глушителях зависит от длины активной части, периметра проходного сечения, толщины слоя и плотности, а также коэффициента звукопоглощения ЗПМ, зависящего от его физико-механических свойств. Недостатком названных глушителей, как и других средств шумоглушения, является относительно низкая их эффективность (DL_гл, дБ) на частотах менее 200–300 Гц.

Акустические возможности трех упомянутых типов глушителей длиной 1 м, изготовленных отечественными фирмами, иллюстрирует рис. 1. На нем представлены эффективности глушителей – октавные значения снижения звуковой мощности распространяющегося аэродинамического шума при их установке в прямоугольном воздуховоде сечением 400 х 400 мм. Это средние значения для каждого типа глушителей, заполненных 2–3 типами современных ЗПМ.

Рисунок 1. Эффективность шумоглушителя длиной 1 м: 1 – трубчатого; 2 – канального; 3 – пластинчатого

Видно, что в диапазоне низких частот (в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63 и 125 Гц) эффективности трубчатого и канального глушителей практически не различаются, но не превышают 7–8 дБ. На частоте 250 Гц эффективность пластинчатого глушителя (толщина пластин 200 мм, расстояние между пластинами 200 мм) выше, чем у двух других, и достигает 12–13 дБ. Затем эффективность всех рассматриваемых глушителей повышается и достигает максимума на частоте 1 000 Гц, а при дальнейшем повышении частоты снижается. В октавных полосах со среднегеометрическими частотами 4 000 и 8 000 Гц более эффективен трубчатый. Канальный глушитель в этих октавных полосах частот наименее эффективен. Правда, в большинстве практических случаев требуемое снижение шума в высокочастотном диапазоне или отсутствует, или имеет весьма низкую величину.

Эффективность трубчатого глушителя может быть увеличена в основном за счет увеличения длины.

В диапазоне низких и средних частот можно добиться некоторого ее повышения и за счет увеличения толщины слоя ЗПМ. Повысить акустические возможности канального глушителя (устанавливаемого в данном канале) можно только увеличивая его длину.

Пластинчатый глушитель имеет преимущество в этом плане. Его эффективность в широком диапазоне частот можно повысить, увеличивая длину пластин (l) или уменьшая расстояние между пластинами (S). Менее значительного ее повышения в низкочастотном диапазоне можно добиться за счет увеличения толщины пластин (b) [6, 7].

Для иллюстрации этих зависимостей пригодны как наши экспериментальные данные (рис. 2, 4), так и данные фирмы «Trox» (рис. 3).

Рисунок 2. Эффективность пластинчатого глушителя шума (пластины толщиной 100 мм, расстояние между ними 100 мм): 1 – l1 = 1,0 м; 2 – l2 = 1,5 м; 3 – l3 = 2,0 м; 4 – l4 = 2,5 м; 5 – l5 = 3,0 м

Рисунок 3. Эффективность пластинчатого шумоглушителя в зависимости от расстояния между пластинами: 1 – S = 80 мм; 2 – S = 100 мм; 3 – S = 120 мм; 4 – S = 140 мм; 5 – S = 160 мм; 6 – S = 180 мм; 7 – S = 200 мм

Рисунок 4. Эффективность пластинчатого глушителя шума с пластинами длиной 1 м: 1 – b1 = 100 мм (S = 100 мм); 2 – b2 = 200 мм (S = 200 мм); 3 – b3 = 400 мм (S = 400 мм); 4 – b4 = 400 мм (S = 250 мм); 5 – b5 = 800 мм (S = 500 мм)

На рис. 2 хорошо видно, что при увеличении длины с 1 до 3 м (с шагом 0,5 м) эффективность глушителя существенно возрастает в октавных полосах 250–4 000 Гц. В диапазоне низких частот она относительно мало изменяется. Кроме того, он достаточно наглядно демонстрирует ошибочность представления, что эффективности глушителей можно складывать (распространенная ошибка). Ни в одной октавной полосе частот эффективность глушителя длиной 2 м не равна сумме эффективностей двух глушителей длиной по 1 м или эффективность глушителя длиной 3 м не равна сумме эффективностей глушителей длиной 2 и 1 м (или трех глушителей длиной по 1 м).

Как видно на рис. 3, в диапазоне частот 250–2 000 Гц акустические возможности пластинчатого глушителя (с пластинами толщиной 200 мм длиной 1 м) за счет уменьшения расстояния между пластинами с 200 до 80 мм можно повысить на 15–20 дБ. Характерно, что на низких частотах (63, 125 Гц) при том же изменении S эффективность глушителя возросла только на 4–9 дБ.

Необходимый оптимальный вариант повышения эффективности пластинчатого глушителя в диапазоне низких частот (в октавной полосе со среднегеометрической частотой 250 Гц) можно найти используя рис. 5. На нем видно, как изменяется эффективность глушителя и при увеличении его длины (и фиксированном расстоянии между звукопоглощающими пластинами толщиной 200 мм), и при изменении расстояния между пластинами (и фиксированной длине). Пользуясь графиком, нетрудно сделать вывод, что эффективность глушителя на частоте 250 Гц может достигать 50 дБ только при длине пластин 2,5 м и расстоянии между пластинами 80 мм.

Приведенный выше краткий анализ акустических возможностей пластинчатых глушителей в зависимости от конструктивных параметров основывался на результатах испытаний в статическом режиме (без потока воздуха). Поэтому не все выводы и рекомендации могут быть использованы, т. к. не приведут к желаемому эффекту при решении практических задач снижения аэродинамического шума.

Отчасти это связано с тем, что в последнее время пластинчатые глушители устанавливаются в воздуховодах без расширения (обоснованные рекомендации, приведенные в руководстве [8], игнорируются). Вследствие чего воздушный канал сужается, а скорость потока в узком месте канала, т. е. в глушителе, возрастает.

Рисунок 5. Эффективность пластинчатого глушителя (толщина пластин 200 мм) в зависимости от длины пластин и расстояния между ними в октавной полосе со среднегеометрической частотой 250 Гц: 1 – l1 = 0,5 м; 2 – l2 = 1,0 м; 3 – l3 = 1,5 м; 4 – l4 = 2,0 м; 5 – l5 = 2,5 м

Уменьшая расстояния между пластинами до 80 мм, действительно можно добиться весьма высокого эффекта от установки глушителя (рис. 3), но при каких скоростях потока в его каналах? Дополнительное шумообразование при установке глушителей в вентсистемах, обслуживающих, например, офисные помещения категории А, возникает при скоростях потока в каналах глушителей около 6–8 м/с. Тогда при указанном расстоянии между пластинами скорость набегающего потока (перед глушителем) должна быть не более 2–2,5 м/с. Поскольку эта скорость часто более 5–6 м/с, то в каналах глушителя скорость потока составит 17–20 м/с. При таких высоких скоростях потока гидравлическое сопротивление, создаваемое глушителем, превысит 150–200 Па, что в большинстве практических случаев по разным причинам недопустимо.

Таким образом, глушитель, с одной стороны, будет эффективно снижать шум, распространяющийся по воздуховоду до места его установки, с другой стороны, генерировать собственный шум, распространяющийся по воздуховоду после него в обслуживаемое системой помещение. Другими словами, уменьшение расстояния между пластинами приводит к увеличению эффективности глушителя и одновременно к росту создаваемого им гидравлического сопротивления, которое является причиной образования шума в нем.

Кстати, некоторое снижение аэродинамического сопротивления пластинчатых глушителей достигается за счет обтекателей (полуцилиндров), устанавливаемых на торцы пластин (по всей высоте) на входе в глушитель. Если глушитель устанавливается на конечном участке воздуховода перед помещением, то допустимая скорость воздуха зависит от допустимого уровня звука в помещении. Для ориентировочной оценки допустимых скоростей в концевых глушителях в зависимости от назначения помещений, перед которыми они устанавливаются, можно пользоваться таблицей 1, приведенной в работе [7].

Литература

1. СНиП 23–03–2003. Защита от шума. Госстрой России, ФГУТ ЦПП, 2004.

2. Веретина И. А., Гончаренко И. А., Калашникова Н. К., Клименкова О. И., Руднева Е. А. Снижение шума вентиляционными глушителями // Материалы научно-технического семинара. – Севастополь, 2007.

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

4. СН 2.2.4/2.1.8.562–96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

5. ГОСТ 23941–79. Шум. Методы определения шумовых характеристик. Общие требования.

6. Гусев В. П. Средства снижения воздушного и структурного шума систем вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения // АВОК. – 2005. – № 4.

7. Гусев В. П., Лешко М. Ю. Пластинчатые глушители шума вентиляционных установок. Акустические и аэродинамические характеристики // АВОК. – 2006. – № 8.

8. Руководство по расчету и проектированию шумоглушения вентиляционных установок. – М. : Стройиздат, 1982.