Генерация аэродинамического шума в элементах систем вентиляции

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

М. Ю. Лешко, старший научный сотрудник;

М. Ю. Пестерева, научный сотрудник НИИСФ

Шумовые характеристики – октавные уровни звуковой мощности, излучаемой в воздуховод всасывания или нагнетания вентилятором, – можно определить по формуле

L_{P окт} = L_{Р уд} + 20lgp_v + 10lgQ + DL_реж + DL_f , (1)

где L_{Р уд} – удельный уровень звуковой мощности в октавной полосе частот, дБ [1, 2];

p_v – полное давление, создаваемое вентилятором, Па;

Q – объемный расход воздуха вентилятора, м³/с;

DL_реж – поправка на режим работы вентилятора, дБ;

DL_f – поправка (величина увеличения уровня шума), вносимая в октавной полосе, в которую попадает лопаточная частота, дБ [1, 2].

При прохождении потока воздуха, создаваемого вентилятором в каналах вентиляционной сети, аэродинамический шум возникает в ее элементах: в путевой арматуре, в фасонных и концевых эле-ментах и в прямых участках воздуховодов.

Октавные уровни звуковой мощности, излучаемой в воздуховод регулирующими устройствами, определяют по формуле [3]:

L_{P окт} = 60lgV + 20lgz + 10lgS + 10lgj + 36 – DL₁ + DL₂ + DL_т, (2)

где V – скорость потока воздуха, набегающего на регулирующее устройство, м/с;

z – коэффициент местного сопротивления регулирующего устройства, отнесенный к скорости V;

S – площадь поперечного сечения воздуховода в месте установки регулирующего устройства, м²;

D – критерий подобия;

DL₁ – частотная поправка для определения уровней шума в октавных полосах частот, дБ;

DL₂ – поправка на акустическое влияние присоединенного воздуховода, дБ;

DL_т – поправка на турбулентность набегающего потока, дБ.

Шумообразование в фасонных элементах вентиляционных систем (крестовинах, тройниках, отводах) зависит от соотношения скоростей в магистральном канале и в ответвлении, от степени турбулентности потока, от радиусов поворотов и формы поперечного сечения воздуховода. Октавные уровни звуковой мощности, излучаемой в воздуховод фасонными элементами, могут быть определены по эмпирической формуле, полученной в результате испытаний фасонных элементов воздуховодов круглого сечения [2, 3, 4]:

L_{P окт} = S + G + H, (3)

где S – частотный параметр, определяемый в зависимости от площади поперечного сечения ответвления или прохода тройника и числа Струхаля NSt; для отвода – в зависимости от числа Струхаля;

G – скоростная функция, определяемая в зависимости от соотношения скоростей движения воздуха в ответвлении и в проходе тройника; для отвода – от скорости потока воздуха и площади поперечного сечения;

H – частотная поправка.

Шумовые характеристики концевых элементов, в частности, регулируемых воздухоприточных решеток, могут быть определены по формуле [2, 3, 4]

L_{P окт}= 50lgV + 20lgz + 10lgS + 24 + DL₁ , (4)

где V – скорость потока воздуха, набегающего на решетку, м/с;

z – коэффициент местного сопротивления решетки, отнесенный к cкорости V;

S – площадь поперечного (живого) сечения решетки, м²;

DL₁ – частотная поправка для определения уровней шума в октавных полосах частот, дБ.

Расчет шумовых характеристик прямых участков воздуховодов, как и других элементов вентиляционных сетей, стал возможен после экспериментальных исследований на аэроакустическом стенде НИИСФ [5]. В данном случае нами было установлено, что шум, генерируемый прямыми участками воздуховодов с различными формами поперечных сечений: круглыми, квадратными и прямоугольными – имеет дипольный (силовой) характер. Суммарный уровень звуковой мощности (в рассматриваемом диапазоне частот от 63 до 8 000 Гц) зависит от скорости потока воздуха в воздуховоде в пятой степени и от площади поперечного сечения в первой степени. Наиболее шумным является прямоугольный воздуховод, за ним следует круглый, а наименее шумный – воздуховод квадратного сечения.

Полученные эмпирические данные позволили предложить формулу для расчета суммарного уровня звуковой мощности, дБ, генерируемой прямым участком воздуховода с различной формой поперечного сечения:

(5)

где V – скорость потока воздуха в воздуховоде, м/с;

S – площадь поперечного сечения воздуховода, м²;

V₀ = 1 м/с;

S₀ = 1 м²;

B – экспериментальная поправка, зависящая от формы поперечного сечения воздуховода, дБ.

Поправка B для круглого сечения воздуховода равна 12 дБ, для квадратного – 8,5 дБ, а для прямо-угольного – 13 дБ.

Установлено также, что при изменении скорости потока в воздуховодах с различными формами и одинаковыми по площади поперечными сечениями от 7,5 до 15 м/с спектры генерируемого шума мало отличаются друг от друга (рис. 1).

Рисунок 1. Уровни звуковой мощности, генерируемые воздуховодами с различной формой поперечного сечения, при скорости потока воздуха 12,5 м/с

Тем не менее, в высокочастотном диапазоне 1 000–8 000 Гц круглый воздуховод генерирует уровни шума ниже, чем квадратный. Учитывая раздражающее действие высокочастотного шума, а также то обстоятельство, что форма спектра круглого воздуховода наиболее близка к форме нормативных кривых (уровней допустимого шума), воздуховод круглого сечения следует признать менее шумным.

Рисунок 2. Безразмерная частотная характеристика прямых участков воздуховодов

Результатом этих экспериментальных исследований явилась безразмерная частотная характеристика (рис. 2). С помощью этой характеристики по величине

(где f – частота октавной полосы, 1/с; d – гидравлический диаметр воздуховода, м; V – скорость потока воздуха в воздуховоде, м/с) несложно определить зависимость изменения уровня шума от частоты, а также рассчитать с учетом поправки, при выполнении условия

,

октавные уровни звуковой мощности по формуле

(6)

По величине уровня звуковой мощности аэродинамического шума, генерируемого рассмотренными элементами вентиляционных систем, они распределяются в следующей последовательности: вентиляторы, путевая и воздухораспределительная арматура, фасонные элементы и прямые участки воздуховодов. Этот шум имеет широкополосный характер и распространяется по воздуховодам с некоторым затуханием на значительные расстояния. При этом он может проникать, во-первых, в помещения и в зоны с нормируемыми уровнями шума, по которым проходят воздуховоды (через достаточно тонкие стенки), и, во-вторых, в обслуживаемые системами помещения (рис. 3).

Рисунок 3. (подробнее) Схема фрагмента вентиляционной сети: 1 – транзитный глушитель; 2 – глушитель конечного участка сети; 3 – транзитный воздуховод со звукоизолирующим покрытием

Аэродинамический шум вентиляторов, если он, распространяясь по воздуховодам, достигает обслуживаемых вентиляционными системами помещений, может быть снижен абсорбционными глушителями (со звукопоглощающим материалом). Они обеспечивают удовлетворительную акустическую эффективность также в широком диапазоне частот. Такие глушители называют центральными и устанавливают вблизи вентиляторов. В достаточно крупных вентиляционных установках это могут быть преимущественно пластинчатые глушители. В вентустановках средней и малой мощности пригодны канальные, трубчатые, реже цилиндрические глушители и облицованные изнутри воздуховоды (последние применяются на поворотах). Относительно редко, в особых ситуациях, находят применение камерные и экранные глушители [6, 7].

После центрального глушителя поток в канале, как правило, менее шумный, но при его прохождении в элементах вентиляционных систем (в путевой, воздухораспределительной арматуре, в фасонных элементах и прямых участках воздуховодов) снова возникает аэродинамический шум. Пути его распространения к объектам воздействия не отличаются от путей распространения шума вентилятора, рассмотренных выше (через стенки транзитных воздуховодов и через воздухораздающие элементы).

Одним из методов или способов снижения шума, излучаемого транзитными воздуховодами в помещениях, через которые они проходят, является повышение звукоизолирующей способности их стенок посредством различных покрытий. В зависимости от величины требуемого снижения уровня шума, это могут быть как легкие слоистые звукопоглощающие материалы, часто покрытые фольгой, так и достаточно тяжелые звукоизолирующие конструкции. Примером последних может служить плита из минеральной ваты, покрытая армированной сеткой и нанесенной на нее песчано-цементной или асбестоцементной штукатуркой.

При нанесении такого покрытия на стенки воздуховодов и корпусов вентиляторов образуется конструкция с двумя стенками, пространство между которыми заполнено звукопоглощающими материалами. Звукоизоляция двустенной конструкции может значительно превышать звукоизоляцию конструкции с одной стенкой (пластиной).

Рисунок 4. Звукоизоляция стенок прямоугольного воздуховода

Изменения звукоизолирующих качеств различных ограждений воздушных каналов иллюстрируют рис. 4–6. В частности, рис. 4 демонстрирует, как повышается звукоизоляция (R, дБ) прямоугольного воздуховода длиной 3 м (толщина стенки 0,55 мм) при наклеивании на него слоя вспененного полистирола (толщина 10 мм, плотность 35 кг/м³). Измерения производились в реверберационной камере.

Видно, что практическое значение может иметь повышение звукоизоляции стенок воздуховода только в диапазоне высоких частот (см. октавные полосы со среднегеометрическими частотами 4 000 и 8 000 Гц). Это связано, прежде всего, с низкой плотностью данного материала, а также с его малой толщиной. Увеличение толщины слоя этого материала даже в два раза не изменило результат.

Звукоизоляция стального листа (толщина 0,55 мм) более существенно повышается за счет покрытия из минеральной ваты (толщина 40 мм, плотность 80 кг/м³) и алюминиевого листа толщиной 0,5 мм (рис. 5).

Рисунок 5. Звукоизоляция стального листа

На рис. 6 представлены расчетные кривые звукоизоляции двустенных ограждений (кожухов) вентиляционной установки. Стенки – два металлических листа равной толщины с звукопоглощающим материалом (полиуретаном) между ними. При толщине листов 0,5 мм толщина звукопоглощающего материала 25 мм (0,5/25/0,9), а при толщине листов 0,9 мм толщина звукопоглощающего материала – 50 мм (0,9/50/0,9).

Пример использования тяжелых звукоизолирующих конструкций приведен на рис. 7. На нем показано, как повышается звукоизоляция корпуса дымососа ДН-18 парового котла за счет теплоизолирующего покрытия. Конструкция покрытия: маты базальтового волокна (толщина 100 мм, плотность 50–60 кг/м³), армированная сеткой асбестоцементная штукатурка (толщина 25–30 мм, плотность 1 800 кг/м³).

Рисунок 6. Звукоизоляция стенок кожуха вентиляционной установки

Для снижения шума элементов вентиляционных систем, распространяющегося по воздуховодам к обслуживаемым помещениям, пригодны уже упомянутые типы глушителей, эффективные при снижении шума вентиляторов (кроме, видимо, пластинчатых глушителей). С той лишь разницей, что они устанавливаются на конечных участках воздуховодов и их длина часто не превышает 500–700 мм (при максимальных поперечных размерах проточной части 200–250 мм). В последнее время с той же целью достаточно широко используются гибкие воздуховоды, многие из которых обладают существенными акустическими свойствами [8]. Они также устанавливаются на конечных участках воздуховодов (перед воздухораспределителями).

Рисунок 7. Звукоизоляция корпуса дымососа ДН-18 энергетического котла

Приведенные выше выкладки и результаты исследований, на наш взгляд, имеют практическую ценность и помогут читателям журнала не только достаточно точно оценить уровень аэродинамического шума, генерируемого элементами проектируемых вентиляционных систем, но и дают возможность правильно выбрать путь к его снижению и обеспечению нормативных требований. Общие правила и требования, последовательность действий при проектировании малошумных систем вентиляции подробно изложены в работе [9].

Литература

1. Гусев В. П. К вопросу об оценке характера шума вентоборудования // АВОК. – 2002. – № 6.

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

3. Снижение шума в зданиях и жилых районах. – М. : Стройиздат, 1987.

4. Лешко М. Ю. Шум дросселирующих устройств вентиляционных систем: Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». – М. : МГСУ, 2005.

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

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

7. Гусев В. П. Снижение воздушного и структурного шума вентиляционного оборудования: Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». – М. : МГСУ, 2005.

8. Гусев В. П., Лешко М. Ю. Акустические и аэродинамические характеристики гибких воздуховодов // АВОК. – 2004. – № 1.

9. Гусев В. П. Акустические требования и правила проектирования малошумных систем вентиляции // АВОК. – 2004. – № 4.