Акустический расчет как основа для проектирования малошумной системы вентиляции (кондиционирования)

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

Основой для проектирования шумоглушения систем вентиляции и кондиционирования воздуха является акустический расчет — обязательное приложение к проекту вентиляции любого объекта. Основные задачи такого расчета: определение октавного спектра воздушного, структурного вентиляционного шума в расчетных точках и его требуемого снижения путем сопоставления этого спектра с допустимым спектром по гигиеническим нормам. После подбора строительно-акустических мероприятий по обеспечению требуемого снижения шума проводится поверочный расчет ожидаемых уровней звукового давления в тех же расчетных точках с учетом эффективности этих мероприятий.

Приведенные ниже материалы не претендуют на полноту изложения методики акустического расчета вентиляционных систем (установок). Они содержат сведения, которые уточняют, дополняют или по-новому раскрывают различные аспекты этой методики на примере акустического расчета вентилятора как основного источника шума вентиляционной системы. Материалы будут использованы при подготовке свода правил по расчету и проектированию шумоглушения вентиляционных установок к новому СНиП [2].

Исходными данными для акустического расчета являются шумовые характеристики оборудования — уровни звуковой мощности (УЗМ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1 000, 2 000, 4 000, 8 000 Гц. Для ориентировочных расчетов иногда используют корректированные уровни звуковой мощности источников шума в дБА [3].

Расчетные точки располагаются в местах обитания человека, в частности, на месте установки вентилятора (в вентиляционной камере); в помещениях или в зонах, граничащих с местом установки вентилятора; в помещениях, обслуживаемых системой вентиляции; в помещениях, где воздуховоды проходят транзитом; в зоне устройства приема или выброса воздуха, или только приема воздуха для рециркуляции.

Рисунок 1. Снижение уровня звуковой мощности в воздуховодах в зависимости от гидравлического диаметра: а) в круглых; б) в прямоугольных

Расчетная точка находится в помещении, где установлен вентилятор

В общем случае уровни звукового давления в помещении зависят от звуковой мощности источника и фактора направленности излучения шума, количества источников шума, от расположения расчетной точки относительно источника и ограждающих строительных конструкций, от размеров и акустических качеств помещения.

Октавные уровни звукового давления, создаваемые вентилятором (вентиляторами) в месте установки (в венткамере), равны:

(1)

где L_Pi — звуковая мощность в i-й октаве, излучаемая вентилятором в воздушный канал;

DL_помi — снижение уровня звукового давления в помещении за счет расхождения звуковых волн и потерь энергии на пути распространения;

(2)

где Фi — фактор направленности источника шума (безразмерный);

S — площадь воображаемой сферы или ее части, окружающей источник и проходящей через расчетную точку, м²;

B — акустическая постоянная помещения, м².

Расчетная точка находится в помещении, смежном с помещением, где установлен вентилятор

Октавные уровни воздушного шума, проникающего через ограждение в изолируемое помещение, смежное с помещением, где установлен вентилятор, определяются звукоизолирующей способностью ограждений шумного помещения и акустическими качествами защищаемого помещения, что выражается формулой [4, 5]:

(3)

где L_ш — октавный уровень звукового давления в помещении с источником шума, дБ;

R — изоляция от воздушного шума ограждающей конструкцией, через которую проникает шум, дБ;

S — площадь ограждающей конструкции, м²;

B_u — акустическая постоянная изолируемого помещения, м²;

k — коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении.

Расчетная точка находится в помещении, обслуживаемом системой

Шум от вентилятора распространяется по воздуховоду (воздушному каналу), частично затухает в его элементах и через воздухораспределительные и воздухоприемные решетки проникает в обслуживаемое помещение. Октавные уровни звукового давления в помещении зависят от величины снижения шума в воздушном канале и акустических качеств этого помещения:

(4)

где L_Pi — уровень звуковой мощности в i-й октаве, излучаемой вентилятором в воздушный канал;

DL_сетиi — затухание в воздушном канале (в сети) между источником шума и помещением;

DL_помi — то же, что в формуле (1) — формула (2).

Затухание в сети (в воздушном канале) DL_Рсети— сумма затуханий в ее элементах, последовательно расположенных по ходу звуковых волн. Энергетическая теория распространения звука по трубам предполагает, что эти элементы не влияют друг на друга. В действительности последовательность фасонных элементов и прямых участков образуют единую волновую систему, при которой на чистых синусоидальных тонах принцип независимости затухания в общем случае не может оправдываться. Вместе с тем, в октавных (широких) полосах частот стоячие волны, создаваемые отдельными синусоидальными составляющими, компенсируют друг друга, и поэтому энергетический подход, не учитывающий волновой картины в воздуховодах и рассматривающий поток звуковой энергии, можно считать оправданным.

Рисунок 2. Модуль коэффициента прохождения звука

Затухание на прямых участках воздуховодов из листового материала обусловлено потерями на деформацию стенок и излучение звука наружу. О снижении уровня звуковой мощности DL_Р на 1 м длины прямых участков металлических воздуховодов в зависимости от частоты можно судить по данным рис. 1.

Как видно, в воздуховодах прямоугольного сечения затухание (снижение УЗМ) с ростом частоты звука уменьшается, а круглого сечения возрастает. При наличии теплоизоляции на металлических воздуховодах приведенные на рис. 1 значения следует увеличивать примерно в два раза.

Понятие затухание (снижение) уровня потока звуковой энергии нельзя отождествлять с понятием изменения уровня звукового давления в воздушном канале. При движении звуковой волны по каналу общее количество энергии, которую она несет, уменьшается, но это не обязательно связано с уменьшением уровня звукового давления. В сужающемся канале, несмотря на затухание общего потока энергии, уровень звукового давления может увеличиваться вследствие увеличения плотности звуковой энергии. В расширяющемся канале, наоборот, плотность энергии (и уровень звукового давления) может уменьшаться быстрее, чем общая звуковая мощность. Затухание звука на участке с переменным сечением равно [4]:

(5)

где L₁ и L₂ — средние уровни звукового давления в начальном и конечном по ходу звуковых волн сечениях участка канала;

F₁ и F₂ — площади поперечных сечений соответственно в начале и конце участка канала.

Затухание на поворотах (в коленах, отводах) с гладкими стенками, поперечное сечение которых меньше длины волны, определяется реактивным сопротивлением типа дополнительной массы и возникновением мод более высокого порядка. Кинетическая энергия потока на повороте без изменения сечения канала увеличивается из-за возникающей неравномерности поля скоростей. Прямоугольный поворот действует подобно фильтру низких частот. Величину снижения шума на повороте в диапазоне плоских волн дает точное теоретическое решение [4, 5, 6]:

(6)

где K — модуль коэффициента прохождения звука.

При a ≥ l/2 величина K равна нулю и падающая плоская звуковая волна теоретически полностью отражается поворотом канала. Максимальное снижение шума наблюдается, когда глубина поворота равна примерно половине длины волны. О величине теоретического модуля коэффициента прохождения звука через прямоугольные повороты можно судить по рис. 2.

Рисунок 3. Снижение шума на прямоугольных поворотах: 1 — падение звука в осевом направлении; 2 — диффузное падение; 3 — расчетная кривая

В реальных конструкциях по данным работ [5, 6, 7, 8] максимальное затухание равно 8—10 дБ, когда в ширине канала укладывается половина длины волны. С повышением частоты затухание уменьшается до 3—6 дБ в области длин волн, близких по величине к удвоенной ширине канала. Затем оно снова плавно возрастает на высоких частотах, достигая 8—13 дБ. На рис. 3 показаны кривые затухания шума на поворотах каналов для плоских волн (кривая 1) и для случайного, диффузного падения звука (кривая 2). Эти кривые получены на основе теоретических и экспериментальных данных. Наличие максимума снижения шума при a = l/2 можно использовать для снижения шума с низкочастотными дискретными составляющими, настраивая размеры каналов на поворотах на интересующую частоту.

Рисунок 4. Снижение УЗМ для плавных поворотов и прямых колен воздуховодов с направляющими лопатками в зависимости от гидравлического диаметра

Снижение шума на поворотах, угол которых меньше 90°, приближенно пропорционально величине угла поворота. Например, уменьшение уровня шума на повороте с углом 45° равно половине его уменьшения на повороте с углом 90°. На поворотах с углом меньше 45° уменьшение шума не учитывается. Для плавных поворотов и прямых колен воздуховодов с направляющими лопатками снижение шума (уровня звуковой мощности) можно определить, пользуясь кривыми рис. 4.

Рисунок 5. Разветвления каналов

В разветвлениях каналов, поперечные размеры которых меньше половины длины звуковой волны, физические причины затухания аналогичны причинам затухания в коленах и отводах. Это затухание определяется следующим образом (рис. 5).

На основании уравнения неразрывности среды:

(7)

где F — площадь поперечного сечения канала, а и его ответвлений;

u_п, u₀, u_пр — колебательные скорости в падающей, отраженной и прошедших волнах;

r_п, r₀, r_пр — соответствующие им звуковые давления.

Для бесконечного канала (при длине канала значительно больше длины волны) его акустическое сопротивление за разветвлением равно rc, u = r/rc, а выражение (7) примет вид

(8)

Из условия непрерывности давления (r_п + r₀ = r_пр) и уравнения (7) прошедшая звуковая мощность может быть представлена выражением

(9)

В результате изменение звуковой мощности в подводящем канале с площадью F по отношению к каналу с площадью Fj будет равно

(10)

а снижение уровня звуковой мощности при площади сечения ответвления

	(11)
	(12)
	(13)

При внезапном изменении сечения канала с поперечными размерами меньше длин полуволн (рис. 6 а), снижение уровня звуковой мощности может быть определено так же, как при разветвлениях.

Расчетная формула для такого изменения сечения канала имеет вид [5, 6]

(14)

где m — отношение большей площади сечения канала к меньшей.

По этой формуле можно рассчитать затухание шума и в диффузорах с углами раскрытия более 30°. Она справедлива при  ;при  потери снижаются до нуля.

Снижение уровней звуковой мощности, когда размеры каналов больше длины полуволн неплоских волн при внезапном сужении канала, равно [3, 4]

(15)

Рисунок 6. Изменение сечения канала

Если канал расширяется или плавно сужается (рис. 6 б и 6 г), то снижение уровня звуковой мощности равно нулю, т. к. отражение волн с длиной, меньшей размеров канала, не происходит.

В простых элементах вентиляционных систем принимают следующие величины снижения на всех частотах: калориферы и воздухоохладители 1,5 дБ, центральные кондиционеры 10 дБ, сетчатые фильтры 0 дБ, место примыкания вентилятора к сети воздуховодов 2 дБ [4, 6, 7].

Отражение звука от конца воздуховода происходит в том случае, если поперечный размер воздуховода меньше длины звуковой волны (рис. 7).

Рисунок 7. Снижение уровня звуковой мощности в результате отражения от открытого конца воздуховода или решетки

Если распространяется плоская волна, то в большом воздуховоде отражение отсутствует, и можно считать, что потерь на отражение нет. Однако если проем соединяет помещение больших размеров и открытое пространство, то в проем попадают только диффузные звуковые волны, направленные к проему, энергия которых равна четвертой части энергии диффузного поля. Поэтому в данном случае происходит ослабление уровня интенсивности звука на 6 дБ.

Характеристики направленности излучения звука воздухораспределительными решетками указаны на рис. 8.

При расположении источника шума в пространстве (например, на колонне в большом помещении) S = 4pr² (излучение в полную сферу); в средней части стены, перекрытия S = 2pr² (излучение в полусферу); в двугранном углу (излучение в 1/4 сферы) S = pr²; в трехгранном углу S = pr²/2.

Ослабление уровня шума в помещении определяется формулой (2). Расчетная точка выбирается в месте постоянного пребывания людей, ближайшем к источнику шума, на расстоянии 1,5 м от пола. Если шум в расчетной точке создается несколькими решетками, то акустический расчет производится с учетом их суммарного воздействия.

Когда источником шума является участок транзитного воздуховода, проходящего через помещение, исходными данными для расчета по формуле (1) служат октавные уровни звуковой мощности излучаемого им шума, определяемые по приближенной формуле:

(16)

где L_pi — уровень звуковой мощности источника в i-й октавной полосе частот, дБ;

DL’_Рсетиi — затухание в сети между источником и рассматриваемом транзитным участком, дБ;

R_Ti — звукоизоляция конструкции транзитного участка воздуховода, дБ;

S_T — площадь поверхности транзитного участка, выходящая в помещение, м²;

F_T — площадь поперечного сечения участка воздуховода, м².

Формула (16) не учитывает повышения плотности звуковой энергии в воздуховоде за счет отражений; условия падения и прохождения звука через конструкцию воздуховода существенно отличаются от прохождения диффузного звука через ограждения помещения.

Расчетные точки находятся на прилегающей к зданию территории

Шум вентилятора распространяется по воздуховоду и излучается в окружающее пространство через решетку или шахту, непосредственно через стенки корпуса вентилятора или открытый патрубок при установке вентилятора снаружи здания.

При расстоянии от вентилятора до расчетной точки много больше его размеров источник шума можно считать точечным.

В этом случае октавные уровни звукового давления в расчетных точках определяются по формуле [2]

(17)

где L_Pоктi — октавный уровень звуковой мощности источника шума, дБ;

DL_Pсетиi — суммарное снижение уровня звуковой мощности по пути распространения звука в воздуховоде в рассматриваемой октавной полосе, дБ;

DL_нi — показатель направленности излучения звука, дБ;

r — расстояние от источника шума до расчетной точки, м;

W — пространственный угол излучения звука;

b_a — затухание звука в атмосфере, дБ/км.

Если имеется ряд из нескольких вентиляторов, решеток или другой протяженный источник шума ограниченных размеров, то третий член в формуле (17) принимается равным 15 lgr [2].

Расчет структурного шума

Структурный шум в помещениях, смежных с вентиляционными камерами, возникает в результате передачи динамических сил от вентилятора на перекрытие. Октавный уровень звукового давления в смежном изолируемом помещении определяют по формуле [4]

(18)

где L_Pc — октавный уровень звуковой мощности структурного шума, излучаемого в помещение при работе вентилятора, дБ;

B_u — акустическая постоянная изолируемого помещения, м².

Октавный уровень звуковой мощности структурного шума, излучаемого в помещение при работе вентилятора, составляет [6]:

- для вентиляторов, расположенных над изолируемым помещением:

(19)

- для вентиляторов, расположенных в техническом помещении вне пределов перекрытия над изолируемым помещением:

(20)

где L_Pi — октавный уровень звуковой мощности воздушного шума, излучаемого вентилятором в вентиляционную камеру, дБ;

Z_c — суммарное волновое сопротивление элементов виброизоляторов, на которых установлена холодильная машина, Н с/м;

Z_пер — входной импеданс перекрытия — несущей плиты, в отсутствие пола на упругом основании, плиты пола — при его наличии, Н с/м;

S — условная площадь перекрытия технического помещения над изолируемым помещением, м²;

S = S₁ при S₁ > S_u/4; S = S_u/4; при S₁ ≤ S_u/4, или если техническое помещение не находится над изолируемым помещением, но имеет одну общую с ним стену;

S₁ — площадь технического помещения над изолируемым помещением, м²;

S_u — площадь изолируемого помещения, м²;

S_в — общая площадь технического помещения, м²;

R — собственная изоляция воздушного шума перекрытием, дБ.

Рисунок 8. Фактор направленности при излучении шума из вентиляционной решетки: а — решетка в центре комнаты; б — решетка в центре стены; в — решетка вблизи ребра; г — решетка вблизи угла;   F — приведенный размер решетки, м; f — среднегеометрическая частота полосы, Гц

Определение требуемого снижения шума

Требуемое снижение октавных уровней звукового давления рассчитывают отдельно для каждого источника шума (вентилятора, фасонных элементов, арматуры), но при этом учитывают число однотипных по спектру звуковой мощности источников шума и величины уровней звукового давления, создаваемых каждым из них в расчетной точке. В общем случае требуемое снижение шума для каждого источника должно быть таким, чтобы суммарные уровни во всех октавных полосах частот от всех источников шума не превышали допустимые уровни звукового давления [8].

При наличии одного источника шума требуемое снижение октавных уровней звукового давления определяется по формуле

(21)

где L_i — уровень звукового давления в расчетной точке;

L_дoпi — допустимый уровень звукового давления [9].

(22)

где n — общее количество принимаемых в расчет источников шума.

В общее количество источников шума n при определении DL_трi требуемого снижения октавных уровней звукового давления на территории городской застройки следует включать все источники шума, которые создают в расчетной точке уровни звукового давления, отличающиеся менее чем на 10 дБ.

При определении DL_трi для расчетных точек в помещении, защищаемом от шума системы вентиляции, в общее количество источников шума следует включать:

- при расчете требуемого снижения шума вентилятора — количество систем, обслуживающих помещение; шум, генерируемый воздухораспределительными устройствами и фасонными элементами, при этом не учитывается;

- при расчете требуемого снижения шума, генерируемого воздухораспределительными устройствами рассматриваемой вентиляционной системы, — количество систем вентиляции, обслуживающих помещение; шум вентилятора, воздухораспределительных устройств и фасонных элементов при этом не учитывается;

- при расчете требуемого снижения шума, генерируемого фасонными элементами и воздухораспределительными устройствами рассматриваемого ответвления, — количество фасонных элементов и дросселей, уровни шума которых отличаются один от другого менее чем на 10 дБ; шум вентилятора и решеток при этом не учитывается.

Вместе с тем в общем количестве принимаемых в расчет источников шума не учитываются источники шума, создающие в расчетной точке уровень звукового давления на 10 дБ меньшие, чем допустимый, при их количестве не более 3 и на 15 дБ меньше допустимого при их числе не более 10.

Как видно, акустический расчет — не простая задача. Необходимую точность ее решения обеспечивают специалисты-акустики. От точности выполняемого акустического расчета зависит эффективность шумоглушения и стоимость его осуществления. Если величина рассчитанного требуемого снижения шума занижена, то мероприятия будут недостаточно эффективны. В этом случае потребуется устранение недостатков на действующем объекте, что неизбежно связано с существенными материальными затратами. При завышенном требуемом снижении шума неоправданные затраты закладываются непосредственно в проект. Так, только за счет установки глушителей, длина которых больше требуемой на 300—500 мм, дополнительные затраты на средних и крупных объектах могут составить 100—400 тысяч рублей и более.

Литература

1. СНиП II-12-77. Защита от шума. М.: Стройиздат, 1978.

2. СНиП 23-03-2003. Защита от шума. Госстрой России, 2004.

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

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

5. Юдин Е. Я., Терехин А. С. Борьба с шумом шахтных вентиляционных установок. М.: Недра, 1985.

6. Снижение шума в зданиях и жилых районах. Под ред. Г. Л. Осипова, Е. Я. Юдина. М.: Стройиздат, 1987.

7. Хорошев С. А., Петров Ю. И., Егоров П. Ф. Борьба с шумом вентиляторов. М.: Энергоиздат, 1981.

8. Справочник по судовой акустике. Под ред. И. И. Клюкина и И. И. Боголепов. Л.: Судостроение, 1978.

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

 

Тел. (095) 482-40-33