Из опыта борьбы с шумом оборудования инженерных систем

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

Снижение структурного шума

Необходимое снижение структурного шума достигается посредством виброизоляции – снижения колебаний, передаваемых от источников на строительные конструкции здания, посредством разнообразных упругих систем, размещаемых между строительными конструкциями и оборудованием (машинами). Конструкции этих систем зависят от сложности решаемых задач. Поскольку элементы оборудования систем вентиляции, кондиционирования воздуха, холодоснабжения и воздушного отопления (СВКВХВО) – источники широкополосной вибрации, рассчитывается и проектируется виброизоляция для широкого диапазона частот. Применяются в основном одно-, двухзвенные, а в некоторых случаях и трехзвенные системы (схемы) виброизоляции [6].

Снижение вибрации достигается с помощью пружинных, резиновых и комбинированных амортизаторов или виброизоляторов. Подбор и расчет виброизоляторов выполняют изготовители оборудования СВКВХВО: определяют статический и динамический модули упругости виброизолирующего материала, расчетное статическое напряжение в нем, собственные частоты, рабочую высоту, жесткость, количество виброизоляторов и допустимую нагрузку на каждый из них. Несмотря на принимаемые изготовителями меры, по разным причинам оборудование имеет остаточную вибрацию. Одна из них связана с тем, что на объектах количество СВКВХВО, как правило, большое; оборудование различается по габаритам, массе, собственным частотам и другим характеристикам и устанавливается группами в одном или нескольких помещениях на технических этажах. Взаимодействие каждого агрегата с перекрытием усложняется, и его виброизоляторы не обеспечивают требуемую виброизоляцию. В таких случаях целесообразно использование более простого способа виброизоляции – установка пола на упругом основании, так называемого «плавающего пола». За счет него усредняется акустическое взаимодействие разнообразных источников вибрации с перекрытием. Схема такого пола, включающая необходимые с точки зрения акустики элементы, представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Схема пола на упругом основании: 1 – плита перекрытия; 2 – цементно-песчаная стяжка; 3 – упругий слой; 4 – гидроизоляция по фанере; 5 – железобетонная плита (армированная стяжка); 6 – чистый пол; 7 – разделительный шов с уплотнителем, покрытым сверху нетвердеющей мастикой; 8 – конструкция здания (стена, колонна и т. п.)

Наиболее важной характеристикой «плавающего пола», как и рассмотренных систем с виброизоляторами, является частота собственных колебаний

(3)

где E_д – динамический модуль упругости основания «плавающего пола»;
d – толщина упругого основания в обжатом состоянии;
m_п – поверхностная плотность плиты пола.

На частотах f ниже 2f₀ такой пол мало снижает или вовсе не снижает колебания перекрытия. Необходимо добиваться того, чтобы собственная частота «плавающего пола», определяемая по формуле (3), была достаточно низкой, т.е. чтобы в области частот, в которой необходимо снижение колебаний перекрытия, выполнялось соотношение 2f₀ ≤ f.

Путь к увеличению эффективности «плавающего пола» – уменьшение динамического модуля упругости (посредством подбора соответствующего виброизолирующего материала), увеличение толщины слоя этого материала и массы плиты пола. Разумеется, изменение этих параметров имеет пределы. Максимальный эффект достигается, если найдено их оптимальное соотношение и учтено влияние на частоту f₀ массы устанавливаемого оборудования.

Распространенной ошибкой проектировщиков является использование одного варианта (одной конструкции) «плавающего пола» для всех или нескольких технических помещений здания с разным набором оборудования. Акустическая схема (вибрационная система) может быть одна, но конструктивные параметры виброизолирующего пола всегда различаются в зависимости от конкретных исходных данных (условий). Другими словами, плита пола, толщина упругого основания и виброизолирующие материалы такого пола будут разными. Иногда даже при равных условиях или одинаковых динамических модулях упругости требуются разные виброизолирующие материалы.

Еще одна ошибка проектировщиков – использование в полах на технических этажах зданий в качестве упругого основания экструдированного полистирола. Вибрационные характеристики этого материала не отвечают требованиям и практически исключают возможность его применения для виброизоляции. Ошибочность решения о его применении проявляется при введении в эксплуатацию оборудования и сдаче объекта. Выясняется, что вибрационные колебания перекрытий не только не снижены, но и усилились.

Оптимальные показатели с точки зрения обеспечения необходимой или требуемой виброизоляции в «плавающих полах» имеют волокнистые и эластомерные материалы. Плотность пригодных для использования волокнистых материалов, изготавливаемых на основе стекловолокна («Урса», «Изовер») и базальтовых пород («Роквул», «Изотек»), составляет 90–150 кг/м³. По данным института, динамический модуль упругости (E_д) этих материалов при нагрузке 2 КПа находится в пределах от 0,27 до 0,50 МПа, а при нагрузке 5 КПа E_д = 0,30–0,65 МПа. Они характеризуются высокой относительной деформацией или сжатием (ε), зависящим от плотности материала и от нагрузки на него. При первой указанной выше нагрузке ε = 0,4–0,5, а при второй ε = 0,47–0,70. Необходимая (требуемая) толщина виброизолирующего слоя из этих материалов может достигать 150–200 мм (в необжатом состоянии), что может служить некоторым ограничением при их использовании.

Эластомерные материалы – это материалы на основе пенополиэтилена, пенополипропилена, полиуретана. К первым двум относятся, например, хорошо известные отечественные материалы этафом, изолон, вилатерм, термофлекс, а к третьим – импортный эластомер типа Silomer. Динамические модули упругости отечественных эластомеров находятся в пределах от 0,20 до 0,66 МПа при нагрузке 2 КПа и 0,34–0,85 МПа при нагрузке 5 КПа. Относительное сжатие этих материалов существенно ниже, чем у волокнистых, и при указанных нагрузках составляет ε = 0,05–0,15 и ε = 0,1–0,2 соответственно. Полиуретановый эластомер типа Silomer – это группа из девяти материалов с разными динамическими модулями упругости от 0,15 до 10,80 МПа, различающихся по цвету. В их паспортах содержится полный набор вибрационных характеристик (твердость, рабочий диапазон нагрузок, предельная статическая нагрузка, статический и динамический модули сдвига и др.).

Ожидаемый эффект от установки «плавающего пола» достигается только при выполнении определенных условий. Плита пола (рис. 5, поз. 5) должна быть тщательно изолирована от стен, несущей плиты перекрытия и других конструкций здания, а также от различных коробов, включая короба для электрических кабелей. Образование даже небольших жестких мостиков между плитой и строительными конструкциями может существенно ухудшить виброизолирующие качества. Уплотнитель (7) может быть изготовлен как из волокнистого, так и из эластомерного (эластичного) материала. Разделительный шов перед укладкой уплотнителя тщательно зачищается. Поверхность стяжки на перекрытии (2) должна быть ровной и гладкой. Гидроизоляция (4) над виброизолирующим материалом (3) исключает протечку бетона и образование жестких мостиков между ним и плитой пола (5) или армированной стяжкой при ее изготовлении.

В зданиях с жесткими акустическими требованиями (в жилых, офисных с апартаментами, а также в учебных и лечебных зданиях) без устройства полов на упругом основании во всех технических помещениях практически невозможно добиться требуемого снижения структурного шума. На них устанавливается все оборудование СВКВХВО. Еще одной обязательной мерой является виброизоляция указанных труб и воздуховодов в местах их проходов через ограждения, как показано на рис. 6.

Рисунок 6 (подробнее) Способы виброизоляции труб: 1 – труба; 2 – вибродемпфирующая вставка (прокладка); 3 – уплотнитель; 4 – металлическая или пластмассовая гильза; 5 – ограждающая конструкция; 6 – хомут

Для прокладок в конструкциях крепления тонких труб (диаметром до 30–60 мм) может быть использована пористая резина, пенофол необходимой толщины (рис. 6а, б). В местах прохода труб диаметром более 60–80 мм через ограждения для заполнения пространства между гильзой и трубой (рис. 6в) могут быть использованы пористая резина толщиной 10–20 мм, К‑FONIK OPEN CELLIS толщиной 20 мм. Желательно, чтобы виброизолирующие прокладки были больше толщины ограждающих конструкций (стены, потолка) на 5–7 мм. В противном случае их торцы следует покрыть нетвердеющей мастикой (любая штукатурка исключена).

Оптимальные затраты, направленные на устранение негативного воздействия СВКВХВО (вибрации и сопровождающего ее структурного шума), и ожидаемый результат на любом по назначению объекте достигаются при условии разработки мер на стадии проектирования; на действующем объекте затраты на шумоглушение увеличиваются во много раз. Важен также комплексный подход, обеспечивающий устранение всех путей передачи вибрации на строительные конструкции. Если хотя бы один агрегат, соединительная труба, воздуховод и т.п. остались не виброизолированными, осуществление других мер и связанные с ним затраты могут оказаться напрасными, во всяком случае, не приведут к ожидаемому результату. Набор и количество средств шумоглушения определяются прогнозируемой или реальной ситуацией.

Трудности при решении задач борьбы с шумом

В процессе проектирования шумоглушения на разных его этапах возникают, скажем, трудности. В первую очередь на начальном его этапе – при выполнении акустических расчетов [7, 8] (их необходимость и обязательность их выполнения требуются основополагающими документами в области защиты от шума, в том числе последним [9]). Трудности имеют место также при решении вопросов, связанных с нормированием шума, составом шумовых характеристик оборудования, непосредственно с осуществлением шумоглушения на основе требуемого снижения шума (на действующих объектах оно определяется посредством натурных акустических измерений, а на проектируемых – путем расчета).

По поводу акустических расчетов, думаю, уместно обратить внимание на следующее.

Во‑первых, проектировщики нередко в целях кажущейся экономии средств отказываются от таких расчетов, а они не только позволяют прогнозировать степень шумового воздействия СВКВХВО на стадии проектирования объекта, но и служат обоснованием для определения объема и состава средств снижения шума. Правда, только в том случае, если обеспечивается требуемая точность результатов, которая зависит от квалификации специалиста, выполняющего расчет, от достоверности исходных данных и от эффективности закладываемых в проект мероприятий. К сожалению, квалификация в данном деле отошла на второй план. Считается достаточным приобрести компьютер, программное обеспечение, ввести исходные данные из каталогов – и необходимая информация об акустической ситуации получена.

Во‑вторых, против компьютерных расчетов, безусловно, нет возражений, но где гарантия необходимой точности получаемых результатов? Судить о точности компьютерных расчетов можно только после необходимых аналитических исследований, включающих сравнение достаточного количества расчетных данных, ожидаемых уровней шума в зданиях и на территориях застройки с результатами измерений в тех же местах. Поскольку такие исследования не проводились или сведения об их проведении отсутствуют, нет гарантии, что могут быть получены достоверные расчетные данные. Подготовка и проведение таких исследований – первоочередная задача как разработчиков программного обеспечения, так и организаций, пытающихся сертифицировать программы.

В‑третьих, даже при наличии точной программы для расчетов прогнозируемые акустические ситуации будут искажены, если в расчете использованы неточные исходные данные. Это также приведет к ошибочным проектным решениям на пути к обеспечению нормативных требований по фактору шума и, как следствие, к необоснованным и весьма существенным дополнительным материальным затратам на осуществление проектов или на ввод в эксплуатацию объектов. К сожалению, неточные исходные данные, приводимые в каталогах,– явление далеко не редкое. Эти данные появляются как с целью создания привлекательности продаваемого фирмами продукта (вентилятора, кондиционера, глушителя и др.), так и ошибочно, думается, по причине отсутствия специальных знаний [10].

Теперь по поводу шумовых характеристик оборудования. Как известно, основной шумовой характеристикой оборудования вообще и СВКВХВО в частности являются октавные уровни звуковой мощности (Lwi, дБ) [7, 9, 10], исходя из того, что нормируемыми параметрами постоянного шума в местах обитания человека являются уровни звукового давления (Li, дБ) в октавных полосах частот [4]. Дополнительной характеристикой может быть корректированный уровень звуковой мощности (LwА, дБА). Именно эти шумовые характеристики, предварительно определяемые стандартными методами, заводы – производители оборудования обязаны вносить в технические паспорта. В действительности в паспорте может быть указан суммарный уровень звуковой мощности или уровень звука в дБА (при этом часто не приводится расстояние от источника, на котором он измерен). В последнее время часто вместо основной шумовой характеристики приводятся октавные уровни звуковой мощности, корректированные по шкале А. В связи с этим возникает как минимум два негативных следствия. Во‑первых, потребитель, подбирая оборудование по шумности, не всегда обращает внимание на корректировку приведенных в паспорте октавных уровней звуковой мощности (но его удовлетворяет тот факт, что они относительно невысокие в низкочастотном диапазоне) и принимает ошибочное решение – отдает предпочтение именно этому оборудованию. Во‑вторых, для получения достоверных исходных данных квалифицированный специалист-акустик всегда вынужден выполнять обратную коррекцию представленной производителем или поставщиком характеристики, а неквалифицированный использует приведенные данные и получает изрядно заниженные значения требуемого снижения шума на низких и средних частотах.

Нередко в качестве шумовой характеристики крупногабаритного оборудования, например холодильных машин, воздушных охладителей, конденсаторов, предлагаются октавные уровни звукового давления, измеренные на расстоянии 1, 5 или 10 м от излучающей шум поверхности, как правило, в прямом поле, где уровень звука снижается на 6 дБ при удвоении расстояния от источника шума. Реальные уровни звукового давления на тех же опорных расстояниях будут выше измеренных, а уровень требуемого снижения шума оборудования будет занижен.

По вопросу определения (измерения) шумовых характеристик, вообще говоря, сложилась весьма непонятная ситуация. Дело в том, что по стандартам, введенным в действие Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (ГОСТ 31353.1–2007 (ИСО 13347–1:2004), ГОСТ 31353.2–2007 (ИСО 13347–2:2004), ГОСТ 31353.3–2007 (ИСО 13347–3:2004), ГОСТ 31353.4–2007 (ИСО 13347–4:2004), ГОСТ 31352–2007 (ИСО 5136:2003), ГОСТ 28100–2007 (ИСО 7235:2003) и касающимся измерения шума оборудования СВКВХВО, есть много вопросов. В связи с этим использовать их по назначению крайне сложно.

Никогда не возникало сомнений в том, что ГОСТ по своей сути – это руководство к действию для достижения конечной цели (определения каких-либо параметров, характеристик). В нем должно быть четко определено, на какие объекты он распространяется, ясно и понятно (на государственном языке) описана последовательность шагов, приводящих к искомому результату. Открываем любой стандарт из названной серии и обнаруживаем, что он написан (изложен) далеко не на русском языке. Поэтому даже специалист может только догадываться о заложенном смысле, а потребитель просто не поймет, о чем идет речь. Понятия, термины и определения, содержащиеся в так называемых стандартах, в основном не соответствуют таковым в действующих нормативных документах Российской Федерации. Вопросы возникают и по названиям стандартов.

Достаточно рассмотреть ГОСТ 28100–2007 (ИСО 7235:2003) «Акустика. Измерения лабораторные для заглушающих устройств, устанавливаемых в воздуховодах, и воздухораспределительного оборудования. Вносимые потери, потоковый шум и падение полного давления». Приходилось проводить разные измерения с целью определения каких-либо величин, но измерения для заглушающих устройств – никогда. Под заглушающими устройствами, видимо, следует понимать глушители шума. Воздухораспределительное оборудование – это, вероятно, вентиляционные решетки, анемостаты, сопла, и они устанавливаются не в воздуховодах, а непосредственно в помещениях (на выходе из воздуховодов). Требуются пояснения по поводу определений в тексте стандарта, например таких как «потери в частотных полосах для заглушающих устройств», «уровень звуковой мощности в частотных полосах потокового шума», «потери полного давления глушителей», «потери при прохождении в частотных полосах для воздухораспределительного оборудования». Одним словом, сложно понять, зачем переводы стандартов ИСО без необходимой и достаточной технической редакции внедрены в практику вместо соответствующих национальных стандартов, в которых методика испытаний и оформления результатов ясно и точно изложена. Достаточно было их гармонизировать.

Литература

1. Гусев В.П. Вибрация оборудования инженерных систем и способы защиты от нее // АВОК.– 2010.– № 5.
2. Гусев В.П. Акустический расчет как основа для проектирования малошумной системы вентиляции (кондиционирования) // АВОК.– 2006.– № 6.
3. Гусев В.П. Повышение точности акустических расчетов инженерных систем // АВОК.– 2011.– № 3.
4. Свод правил СП 51.13330.2011 «Защита от шума» (актуализированная редакция СНиП 23–03–2003).– 2011.
5. Гусев В.П. Еще раз о шумовых характеристиках вентоборудования и акустических возможностях глушителей // АВОК.– 2008.– № 2.