Опыт оценки эффективности средств защиты от шума канальных и центробежных вентиляторов

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

М. Ю. Лешко, старший научный сотрудник, НИИСФ

Основными источниками шума систем вентиляции и кондиционирования воздуха, широко применяемых в современных зданиях различного назначения, являются вентиляторы. Шум вентиляторов состоит из аэродинамического и механического шумов. Вентилятор создает и структурный шум, распространяющийся по строительным конструкциям. Источником структурного шума является вибрация механического, а нередко и аэродинамического происхождения. Звуковая мощность связана, прежде всего, с производительностью (с потребляемой мощностью) вентилятора, а также с аэродинамическими и конструктивными параметрами проточной части, с качеством балансировки рабочего колеса и др.

В окружающее вентилятор пространство излучается механический шум, шум привода и аэродинамический шум, проникающий через стенки кожуха.

В воздуховоды, присоединяемые к всасывающему и выходному патрубкам вентилятора, поступает в основном аэродинамический шум. При достаточно высоком качестве изготовления вентилятора (в настоящее время это достигается многими изготовителями) механический шум, проникающий в воздуховоды, обычно не играет заметной роли. Аэродинамический шум вентилятора, распространяясь по воздуховодам с некоторым затуханием, проникает в обслуживаемые вентиляционными системами помещения. Максимальное требуе-мое снижение уровня аэродинамического шума в современной строительной практике не превышает 40–50 дБ. Снижение этого шума успешно осуществляется посредством разнообразных глушителей [1, 2]. Их тип и размеры подбирается по результатам акустических расчетов [3]. Если в здании нет ограничений по объему, с помощью глушителей может быть достигнуто практически любое по величине снижение шума.

Для снижения структурного шума используются средства виброизоляции, снижающие колебания, передаваемые от вентилятора на воздуховоды и строительные конструкции здания. Они изолируют опорные и не опорные связи вентилятора с указанными конструкциями. К ним относятся, в первую очередь, резиновые и металлические (пружинные) виброизоляторы, а также полы на упругом основании («плавающие полы»), гибкие вставки (участки) на воздуховоды и на кабели электропитания. Их эффективность характеризуется величиной виброизоляции DV, равной снижению уровня колебаний конструкций зданий (структурного шума), возникающих из-за динамического воздействия вентилятора [1, 4].

Эффективность виброизоляторов связана с частотой собственных колебаний вентиляторной установки (вентилятора с железобетонной плитой, на которой он установлен) – f_о. Эта частота определяется суммой динамических жесткостей виброизоляторов и суммой масс вентилятора и плиты. На частотах ниже f_о колебания фундамента (перекрытия в здании) не снижаются (DV = 0), а на частотах близких к f_о наступает резонанс – резкое их усиление. Только на частотах, значительно превышающих частоту собственных колебаний, виброизоляторы снижают колебания фундамента. Поэтому их подбирают (рассчитывают) так, чтобы резонансная частота лежала ниже диапазона частот, в котором необходимо снижение данных колебаний; что выполняется при условии достаточно низкой жесткости виброизоляторов.

Когда в венткамере размещено несколько вентиляторов, и притом разных размеров и имеющих разную частоту вращения рабочих колес, штатные виброизоляторы не всегда обеспечивают требуемую защиту от структурного шума. Их расчет (проектирование) – непростая задача, при решении которой требуется учитывать среди упомянутых условий и эксплуатационные условия в полной мере. В таких случаях с точки зрения акустики целесообразно устройство «плавающих полов».

Эффективность «плавающего пола» зависит от динамической жесткости упругого основания (вибродемпфирующей прокладки) и поверхностной плотности плиты этого пола и связана с частотой собственных колебаний конструкции. На частотах ниже двойной собственной частоты такой пол почти не снижает колебания перекрытия, а вблизи нее усиливает их. Поэтому конструкцию «плавающего пола» следует рассчитывать и проектировать так, чтобы частота собственных колебаний была достаточно низкой, т. е. за пределами диапазона частот, в котором требуется обеспечить требуемую звукоизоляцию. Это условие выполняется, когда вибродемпфирующее основание пола выполнено из материала с малой плотностью и низким динамическим модулем упругости. Практика показывает, что эффективность правильно рассчитанного «плавающего пола» в значительной мере зависит от качества его выполнения, т. е. от того, насколько тщательно устранены жесткие контакты плиты пола и плиты перекрытия [1, 4].

Необходимую защиту от шума вентилятора, излучаемого им в окружающее пространство при размещении его в техническом помещении (в венткамере), обеспечивают ограждающие конструкции этого помещения. Ограждения конструктивно могут различаться (изменяться) в зависимости от места расположения вентиляционных камер в здании, от типа здания, назначения смежных с ними помещений и др. Выбор оптимальных конструкций ограждений с точки зрения акустики и материальных затрат осуществляется на основе предварительного расчета требуемой изоляции воздушного шума [4].

В других ситуациях требуются другие акустические меры. Например, при установке вентиляторов под подвесным потолком в обслуживаемых вентсистемами помещениях с нормируемыми уровнями шума они могут быть разработаны проектировщиками на основе результатов акустических расчетов или измерений и осуществлены непосредственно на проектируемом или действующем объекте. При наличии многочисленных подобных и однотипных ситуаций в рамках каких-либо программ (проектов) мероприятий по шумоглушению, разумеется, целесообразно проводить на заводах – изготовителях вентиляторов. На их осуществление в заводских условиях требуются более низкие трудовые и материальные затраты.

Существование таких ситуаций уже подтолкнуло некоторых изготовителей к созданию менее шумных вентиляторов. На данном пути уже получены интересные результаты. В частности, на наш взгляд, заслуживают внимания потребителей изделия одной из европейских фирм. Она использовала для изготовления центробежных вентиляторов прочные пластмассы. Наши испытания показали, что шумовые характеристики таких вентиляторов значительно ниже (на 8–13 дБ в зависимости от типоразмера), чем у идентичных вентиляторов из металла (рис. 1).

Рисунок 1. Уровни шума, излучаемого центробежными вентиляторами в окружающее пространство, с разными кожухами (по материалу): 1 – из металла; 2 – из пластмасс

В качестве дополнительного положительного эффекта от такого решения можно отметить устойчивость пластмасс к агрессивным средам.

Некоторые отечественные фирмы – изготовители канальных вентиляторов для снижения шума устанавливают на их корпуса (кожухи) дополнительные так называемые звукоизолирующие (ЗИ) кожухи, которые укрывают существующий корпус вентилятора (рис. 2).

Рисунок 2 (подробнее)   Схема канального вентилятора с дополнительным ЗИ кожухом с прямоугольными патрубками 600 х 300 мм

Зарубежные изготовители на пути снижения шума, излучаемого подобным вентилятором в окружающее пространство, используют не только метод звукоизоляции, но и метод звукопоглощения, осуществляя звукопоглощающую облицовку внутренних поверхностей корпуса (рис. 3).

Рисунок 3 (подробнее)   Схема канального вентилятора с облицованными ЗПМ внутренними поверхностями корпуса (наружного кожуха)

Результаты испытаний свидетельствуют (рис. 4), что кожухи, принадлежащие первому варианту конструкции, имеют невысокую эффективность на низких частотах (в первой октаве со среднегеометрической частотой 63 Гц), не более 3–4 дБ. В остальном акустическом диапазоне частот эффект от их установки в октавных полосах изменяется от 5 до 10 дБ. При этом на эффект установки кожуха не обнаружено существенное влияние ни изменения типа звукопоглощающего материала, ни его толщины в некоторых пределах, ни плотности.

Рисунок 4. Уровни звуковой мощности вокруг корпуса вентилятора: 1 – без ЗИ кожуха; 2 – с ЗИ кожухом

По данным одной из зарубежных фирм, замена обычного кожуха вентилятора на звукоизолирующий с дополнительным звукопоглощением (рис. 3) обеспечивает весьма значительное снижение уровня шума, излучаемого не только через него в окружающее пространство, но и в присоединяемые воздуховоды (рис. 5).

Рисунок 5. Уровни шума, излучаемого канальными вентиляторами с ЗИ кожухом (со звукопоглощением) и без него: 1 – шум корпуса, вентилятор с кожухом; 2 – шум корпуса, вентилятор без кожуха; 3 — шум нагнетания, вентилятор с кожухом; 4 – шум нагнетания, вентилятор без кожуха

Характерно, что максимальное снижение шума, точнее, уровня звуковой мощности, излучаемой в окружаемое пространство, достигается в диапазоне низких и средних частот (рис. 5). Если это факт, то весьма важный. Аэродинамический шум, излучаемый в воздуховод нагнетания, при этом снижается во всем нормируемом диапазоне частот.

По поводу полученного таким образом положительного акустического эффекта следует отметить, что он не дает оснований фирмам для перехода на изготовление всех вентиляторов со звукоизолирующими кожухами по простым соображениям. Всегда существуют ситуации, когда не требуется снижать шум, излучаемый вентилятором в окружающее пространство. Если такой переход будет осуществлен, то ряд потребителей будет вынужден приобретать менее шумный, но более дорогой вентилятор, иначе для них будет выполнено ненужное мероприятие, а затраты на него заложены в стоимость вентилятора.

Еще один вариант защиты от шума, излучаемого вентилятором в окружающее пространство, используется в приточных вентиляционных установках и кондиционерах. Схема фрагмента такой установки (кондиционера) показана на рис. 6.

Рисунок 6. Схема приточной вентиляционной установки (кондиционера): 1 – фильтр; 2 – вентиляторная секция (блок) с центробежным вентилятором двустороннего всасывания; 3 – промежуточная секция (форкамера); 4 – глушитель шума; 5 – дроссель-клапан

Здесь определенная изоляция воздушного шума вентилятора обеспечивается за счет наружных ограждений так называемого вентиляторного блока (отсека), его каркаса и закрепленных на нем плит. В полузамкнутый объем этого блока излучается широкополосный шум всасывания и корпуса центробежного вентилятора.

Точно рассчитать или измерить звукоизоляцию таких ограждений в известном ее понимании крайне сложно и даже, по всей вероятности, невозможно. Однако при решении практических задач часто требуется знать величину снижения шума вентилятора в окружающем пространстве за счет установки его в блоке (отсеке). Стало быть, требуется знать только эффект от установки такого герметичного кожуха, у которого ограждения такие же, как у вышеупомянутого блока.

С целью получения этих важных практических знаний нам удалось по инициативе одной из ведущих отечественной фирм, выпускающей вентиляционное оборудование, провести соответствующие испытания. Предварительно были изготовлены каркасы кожухов с размерами реальных отсеков вентиляторных блоков кондиционеров, на которых герметично закреплялись выбранные фирмой трехслойные ограждения (плиты) трех типов:

1. Плита толщиной d = 20 мм – металлический лист (d = 1,0 мм), Isover (g = 80 кг/м³), металлический лист (d = 1,0 мм).

2. Плита толщиной d = 35 мм – металлический лист (d = 1,0 мм), Ursa (g = 60 кг/м³), металлический лист (d = 1,0 мм).

3. Плита толщиной d = 50 мм – металлический лист (d = 1,0 мм), Isorok (g = 50 кг/м³), металлический лист (d = 1,0 мм).

Испытания проводились в свободном производственном помещении объемом около 800 м³. В центре помещения устанавливался всенаправленный источник звука (додекаэдр D 301) – источник широкополосного шума. Создаваемые им уровни звукового давления (шума) в октавных полосах частот и уровни звука в дБ(А) измерялись в четырех точках на расстоянии 4 м от источника. Результаты полученных измерений усреднялись и округлялись до целого значения.

Эффект от установки (звукоизолирующая способность) кожуха определен как разность уровней звукового давления, измеренных на измерительном контуре, при расположении источника на платформе – на днище вентиляторного блока и непосредственно в звукоизолирующем кожухе (в вентиляторном блоке).

Некоторые полученные по описанной выше методике искомые данные представлены на рис. 7. На нем видно, что за счет кожухов (приведенных ограждений вентиляторных блоков) достигается существенное снижение шума, излучамого вентилятором в окружающее пространство (в помещение).

Рисунок 7. Эффект от установки звукоизолирующего кожуха в зависимости от толщины (конструкции) ограждения. Габариты кожуха: 1 100 х 1 055 х 730 мм. 1 – d = 20 мм; 2 – d = 35 мм; 3 – d = 50 мм

Данные о звукоизолирующей способности ограждений вентиляторных блоков, представленные фирме – изготовителю приточных установок и кондиционеров, при наличии шумовых характеристик используемых в них вентиляторов дают возможность проектировщику (потребителю) прогнозировать шумовой режим в венткамерах, где размещается вентиляционное оборудование, и, соответственно, в смежных с ними помещениях.

Вместе с тем, уместно отметить следующее. Во-первых, диапазон изменения толщины плит (стенок кожуха) с точки зрения акустики выбран не совсем удачно, т. к. максимальная звукоизолирующая способность таких двустенных (трехслойных) металлических конструкций достигается, когда их толщина, в данном случае толщина слоя звукопоглощающего материала, изменяется в пределах от 60 до 120 мм. Во-вторых, конструкции каркаса кожуха, на которых закрепляются указанные ограждения, являются конструктивной связью между внутренней и наружной металлическими пластинами (стенками), т. е. являются акустическими мостиками, по которым звук распространяется от первой пластины ко второй, минуя звукопоглощающий материал. Это сводит на нет все преимущества двустенной конструкции. Кожух с одной металлической стенкой с ребрами жесткости и внутренней звукопоглощающей облицовкой может обеспечить более высокую изоляцию шума вентилятора.

Литература

1. Гусев В. П. Средства снижения воздушного и структурного шума систем вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения. Материалы научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке». – М., 2006.

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

3. Гусев В. П. Акустический расчет как основа для проектирования малошумной системы вентиляции (кондиционирования) // АВОК. – 2004. – № 6.

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