Из опыта борьбы с шумом оборудования инженерных систем

В. П. Гусев, заведующий лабораторией НИИСФ РААСН, otvet@abok.ru

В лаборатории защиты от шума вентиляционного и инженерно-технологического оборудования НИИСФ РААСН в процессе многолетних исследований накоплен богатый опыт борьбы с шумом, как непосредственно в источниках его возникновения, так и на пути распространения к объектам воздействия. Проблемы с обеспечением нормативных акустических условий в зданиях и на территориях городской застройки при работе оборудования систем вентиляции, кондиционирования воздуха, холодоснабжения и воздушного отопления (СВКВХВО) возникают как на проектируемых, строящихся, реконструируемых, так и на действующих объектах, различных по назначению.

Шум, создаваемый элементами СВКВХВО, можно разделить на три категории:

• воздушный шум, распространяющийся от поверхности источника в окружающее пространство;
• аэродинамический шум, распространяющийся по воздуховодам в обслуживаемые системами помещения и окружающее пространство;
• структурный шум, излучаемый в помещения их ограждениями; его причиной является остаточная вибрация оборудования, передаваемая на строительные конструкции здания и далее на эти ограждения.

Задачи защиты от шума СВКВХВО успешно решаются с помощью правильно выбираемых или разрабатываемых комплексов строительно-акустических мероприятий. Необходимое снижение воздушного шума достигается за счет мер и средств, основанных на методах звукоизоляции, звукопоглощения, экранирования; структурного – на методах виброизоляции, звукоизоляции; для снижения аэродинамического шума используются различные типы шумоглушителей. При этом учитываются объемно-планировочные решения и конструктивные особенности зданий, которые изменяются в строительной отрасли в соответствии с требованиями времени. Вектор этих изменений в современных условиях направлен на сокращение площадей для размещения и вентиляционного оборудования, и средств снижения шума.

Положительному опыту защиты от шума СВКВХВО [1] способствует большая экспериментальная работа. Отечественные и зарубежные звукопоглощающие, виброизолирующие, звукоизолирующие материалы и конструкции подвергаются испытаниям в измерительных камерах и на стендах института. Полученные данные изготовители приводят в технических паспортах своей продукции, которую мы рекомендуем или не рекомендуем для использования в проектах шумоглушения на тех или иных объектах.

Снижение воздушного шума

Оборудование СВКВХВО излучает воздушный шум в окружающее пространство. Пространство может быть замкнутым, когда источники находятся в техническом, вспомогательном или обслуживаемом помещении, или свободным, когда источники установлены снаружи здания (на фасадах, балконах, кровле). Меры по снижению воздушного шума зависят от места расположения оборудования (источника), условий его эксплуатации и от величины требуемого снижения шума. Рассмотрим три простых примера.

Пример 1. Один или несколько вентиляторов установлены в вентиляционной камере, а в смежных с ней помещениях по горизонтали и вертикали уровень шума ограничен. Воздушный шум сначала излучается корпусами вентиляторов и стенками воздуховодов в вентиляционную камеру, затем через ее ограждения проникает в смежные, защищаемые от него помещения. Уровень шумового воздействия в них можно снизить за счет подбора ограждений с достаточно высокой звукоизолирующей способностью (кирпичных, бетонных, легких многослойных и др.), установки кожухов, покрытий на вентиляторы и воздуховоды, а также посредством акустической обработки помещения вентиляционной камеры (облицовки стен и потолка слоем звукопоглощающего материала, как правило, волокнистого с защитным покрытием). В зависимости от частотной характеристики и величины требуемого снижения шума выбирается наиболее эффективный и менее затратный вариант.

Пример 2. Транзитный воздуховод проходит через помещение и излучает в него повышенный воздушный шум. Для его снижения существуют несколько однослойных или многослойных звукоизолирующих покрытий из вспененных, волокнистых и других материалов. Эффективность таких покрытий существенно отличается; как видно из рис. 1, минимальна она у вспененных материалов с небольшой плотностью. Для обеспечения требуемого снижения шума выбирается оптимальное покрытие, подходящее как по акустическим качествам, так и по стоимости. В экстремальных ситуациях используется эффективное многослойное покрытие (1), несмотря на относительно высокую стоимость, в других – ISOVER (4), кашированный фольгой, толщиной 30, 100 мм или эластичный (эластомерный) комбинированный материал K‑FONIK 072 ST GK (7) толщиной 12 мм. Последний имеет некоторое преимущество по акустическим показателям (в диапазоне низких частот) и, вместе с тем, занимает существенно меньший объем (фактор, имеющий важное практическое значение).

Рисунок 1. Эффективность звукоизолирующих покрытий для круглых воздуховодов: 1 – пеностекло типа FOAMGLAS Т4 (толщина 50 мм, плотность 120 кг/м3), базальтовый мат (толщина 80 мм, плотность 100 кг/м3), антивибрационный слой (толщина 3 мм), оцинкованный лист (толщина 0,55 мм); 2 – «Пенофол» толщиной 10 мм; 3 – ISOVER типа KIM-AL (толщина 30 мм, плотность 30 кг/м3), 4 – ISOVER типа KIM-AL (толщина 100 мм, плотность 22 кг/м3); 5 – «Пеноплекс» (толщина 50 мм, плотность 35 кг/м3); 6 – «Энергофлекс Блэк Стар ДАКТ-Ал» (толщина 20 мм, плотность 25 кг/м3); 7– K-FONIK ST GK 072 (толщина 12 мм)

Пример 3. Наружная холодильная машина находится на кровле здания и излучает воздушный шум в прилегающую жилую застройку. Из-за конструктивных особенностей таких машин спектр средств и методов, пригодных для снижения их шума, весьма ограничен. Экранирование шума – практически единственный путь.

Защита от шума наружных холодильных машин обеспечивается посредством установки так называемых акустических экранов – это достаточно прочные преграды для звука из листовых материалов на опорах с необходимыми размерами, определяемыми расчетом, и облицованные со стороны источника звука слоем волокнистого звукопоглощающего материала с защитным покрытием (толщина слоя 80–100 мм).

Экранирующая способность или эффективность устанавливаемого у холодильной машины и других наружных блоков систем холодоснабжения акустического экрана определяется по формуле [2]

(1)

где N = 2δ/λ – число Френеля;
δ = (a + b – d); (a + b) – длина кратчайшего пути от источника шума в расчетную точку, проходящую через каждую из трех кромок экрана;
d – расстояние между источником шума и расчетной точкой по прямой (визирной) линии (значение δ отрицательно, когда визирная линия проходит над экраном).

Эффективность экрана зависит от его размеров, расстояния между экраном и источником, высоты расположения расчетной точки и расстояния от нее до экрана.

По поводу первого примера можно добавить следующее. На действующих или сдающихся в эксплуатацию объектах возникают ситуации, когда шумовой режим в вентиляционной камере выше ожидаемого (определенного расчетным путем). Требуется оперативная оценка фактической звуковой мощности вентиляционного оборудования и сравнение ее с паспортными данными. Решение такой задачи позволяет не только определить возможную причину повышенных октавных уровней звукового давления в вентиляционной камере, скажем, в результате более высоких реальных октавных уровней звуковой мощности по сравнению с теми, что представлены фирмой – поставщиком оборудования, но и найти приемлемые и экономичные пути защиты смежных помещений от воздушного шума этого оборудования.

Решение получено с помощью инженерного метода с использованием статистической энергетической теории [3], позволяющего по некоторым легко определяемым исходным данным оценивать уровни звуковой мощности оборудования непосредственно в вентиляционных камерах. Такими данными являются время реверберации и вычисленные по стандартной методике средние коэффициенты звукопоглощения ограждений вентиляционной камеры, а также уровни звукового давления (УЗД), измеренные на заданных в помещении участках при работающем оборудовании.

Метод заключается в определении уровней звуковой мощности путем расчетов уровней звукового давления методами, объективно оценивающими распределение отраженной звуковой энергии в помещениях при известных характеристиках звукопоглощения помещения.

При использовании этого метода весь объем помещения разбивается на элементарные параллелепипеды, в пределах которых характер изменения плотности отраженной звуковой энергии с достаточной точностью можно считать линейным. Для каждого элементарного объема составляется уравнение баланса отраженной звуковой энергии для i‑го элементарного объема, которое записывается как

(2)

где q_ji и q_ij– потоки энергии, проходящие из j‑го объема в i‑й и обратно через поверхность S_ij;
q(w)_ik и q(α)_ik– потоки энергии, соответственно вводимые в i‑й объем после первых отражений прямого звука и поглощаемые на k‑й поверхности i‑го объема, являющейся поверхностью ограждения с площадью S_ik;
N– количество j‑х объемов, контактирующих с i‑м объемом;
6 – N– количество граней i‑го объема, являющихся поверхностями ограждения помещения;
V_i = ∆x·∆y·∆z – объем i‑го параллелепипеда;
ε_i – плотность отраженной энергии в i‑м объеме;
m_в – показатель затухания звука в воздухе.

Численный статистический энергетический метод пригоден для решения не только прямой задачи – определения УЗД в вентиляционной камере при известных уровнях звуковой мощности оборудования, но и обратной – оценки звуковой мощности источников по известным уровням звукового давления.

Снижение аэродинамического шума

Требуемое снижение аэродинамического шума, создаваемого вентиляторами, дросселирующими устройствами и другими элементами СВКВХВО в помещениях зданий и в городской застройке, обеспечивают абсорбционные глушители (трубчатые, пластинчатые, канальные). Они имеют достаточно простую конструкцию и технологию изготовления, создают при правильном проектировании приемлемые гидравлические потери и обеспечивают существенное снижение звуковой мощности, распространяющейся внутри воздуховода. Затухание звука в этих глушителях зависит от длины активной части, периметра проходного сечения, толщины слоя, плотности, а также коэффициента звукопоглощения звукопоглощающего материала (ЗПМ), зависящего от его физико-механических свойств. Недостатком глушителей, как, впрочем, и других средств снижения шума, является их невысокая эффективность (∆L_гл, дБ) на частотах менее 250–300 Гц [4].

Трубчатые глушители (круглые и прямоугольные) эффективны в воздуховодах с поперечными размерами до 500 мм. Увеличить затухание в воздуховодах с большими поперечными размерами можно путем равномерного распределения ЗПМ по их сечению. Этот принцип использован в пластинчатом глушителе. В прямоугольных воздуховодах (в воздушных каналах) с поперечными размерами до 800 × 500 мм часто применяют канальные глушители. По сути это пластинчатый глушитель с одной пластиной. Толщина такой пластины равна половине меньшего размера поперечного сечения воздуховода, в котором она устанавливается.

Акустические возможности пластинчатых глушителей длиной 1 м, изготовленных отечественными фирмами, иллюстрирует рис. 2. На нем представлена их эффективность – октавные значения снижения звуковой мощности распространяющегося аэродинамического шума при их установке в прямоугольном воздуховоде сечением 400 × 400 мм. Это средние значения для каждого типа глушителей, в которых использованы разные ЗПМ. Видно, что в диапазоне низких частот (в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63 и 125 Гц) эффективности трубчатого и канального глушителей практически не различаются и 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. Эффективность всех глушителей достигает максимума на частоте 1000 Гц, а при повышении частоты снижается.

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

Эффективность трубчатого глушителя может быть повышена за счет увеличения его длины, а также толщины слоя ЗПМ (в диапазоне низких и средних частот). Повысить акустические возможности канального глушителя можно, только увеличивая его длину. Пластинчатый глушитель имеет преимущество: его эффективность можно повысить в широком диапазоне частот, увеличивая длину (l) и толщину пластин (b) или уменьшая расстояние между пластинами (s) [1, 4]. Характерно, что эффективность пластинчатых глушителей не зависит от высоты и количества пластин.

Оптимальный вариант повышения эффективности пластинчатого глушителя в диапазоне низких частот (в октавной полосе со среднегеометрической частотой 250 Гц) можно найти, пользуясь рис. 3. Видно, как изменяется эффективность глушителя и при увеличении его длины (при фиксированном расстоянии между звукопоглощающими пластинами толщиной 200 мм), и при изменении расстояния между пластинами (при фиксированной длине). Максимальная эффективность глушителя на частоте 250 Гц может достигать немногим более 50 дБ при длине пластин 2,5 м и расстоянии между пластинами 80 мм.

Рисунок 3. 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

За счет уменьшения расстояния между пластинами можно добиться весьма высокого эффекта установки глушителя, но при условии, что площадь сечения воздушного канала, в котором устанавливается глушитель, не сокращается, иначе площадь сечения этого канала должна быть равной или больше сечения всех каналов глушителя. Данное условие выполняется, если звукопоглощающие пластины установлены в расширенный канал (воздуховод). В противном случае по сравнению со скоростью набегающего потока (перед глушителем) скорости потоков в каналах между пластинами возрастут и при определенных условиях достигнут недопустимых пределов. Есть примеры, когда при скорости набегающего потока около 2,5 м/с скорости в каналах глушителей, установленных в воздуховодах вентиляционных систем, обслуживающих офисные помещения, достигали 6–8 м/с. В результате в глушителях возникал аэродинамический шум, уровни которого превышали допустимые значения.

В последнее время нашли широкое применение в практике проектирования шумоглушения СВКВХВО круглые гибкие каркасные и бескаркасные (эластичные) воздуховоды из синтетических материалов. С одной стороны, некоторые из таких воздуховодов действительно имеют высокие акустические качества – уровень шума, распространяющегося по ним, существенно снижается (на длине гибкого воздуховода 3 м снижение уровня звукового давления в октавных полосах частот достигает 25–30 дБ [5]). С другой стороны, это снижение кроме всего прочего связано с распространением значительной части звуковой энергии через стенки воздуховодов в окружающее пространство (часто подпотолочное пространство между подвесным потолком и перекрытием), где они установлены. Звукоизоляция гибких стенок ниже, чем звукоизоляция стенок металлических воздуховодов, в результате в помещение по воздуховоду не распространяется повышенный аэродинамический, но проникает воздушный шум из подпотолочного пространства, через подвесной потолок, например, через отверстия для светильников.

Литература

1. Гусев В.П. Средства снижения воздушного и структурного шума систем вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения // АВОК.– 2005.– № 4.
2. Снижение шума в зданиях и жилых районах // Под ред. Г.Л. Осипова, Е.Я. Юдина.М. : Стройиздат, 1987.
3. Гусев В.П., Леденев В.И. Оценка звуковой мощности оборудования в вентиляционных камерах // АВОК. – 2009.– № 3.
4. Гусев В.П., Лешко М.Ю. Пластинчатые глушители шума вентиляционных установок (акустические и аэродинамические характеристики) // АВОК.– 2006.– № 8.
5. Гусев В.П., Лешко М.Ю. Акустические и аэродинамические характеристики гибких воздуховодов // АВОК.– 2004.– № 1.

Окончание статьи читайте в следующем номере.