Защита от шума и вибраций

Системи вентиляції, кондиціювання повітря та холодопостачання призначені для забезпечення життєдіяльності людини, у зв'язку з чим їх елементи близько розташовані до місць її проживання. Працюючи вони створюють підвищений повітряний і структурний шум, піддаючи впливу цього шкідливого чинника дуже багато, переважно міського, населення.
Зниження шуму даних систем – найважливіша складова всього комплексу соціально-економічних та екологічних проблем.
Вибір засобів та методів зниження різних складових вентиляційного шуму в будинках та на територіях міської забудови здійснюється на основі акустичних розрахунків, обов'язковість виконання яких для всіх об'єктів встановлює основний нормативний документ.
Представлений матеріал призначений для спрощення завдання такого вибору для проектувальників та включає аналіз акустичних характеристик різних типів глушників залежно від їх конструктивних параметрів, оцінку можливостей звукопоглинання в технічних приміщеннях, способи віброізоляції обладнання та ізоляції повітряного шуму, екранування та захисту житлової забудови від шуму елементів систем холодопостачання. .

 

 

Для зниження шуму, що поширюється по повітроводах від вентилятора, а також від фасонних елементів та колійної арматури, призначені шумоглушники. Їх застосовують у тих випадках, коли раціональним вибором параметрів вентиляційної системи, її відповідним компонуванням, використанням малошумного вентилятора не можна досягти рівня звукового тиску, допустимого для даного приміщення, зони, об'єкта.
Вибір конструкції глушника залежить від спектру необхідного зниження шуму, від розмірів повітроводу і допустимої швидкості повітряного потоку в ньому, від наявного запасу тиску в мережі, від місця для його установки.

Оскільки зазначені джерела випромінюють аеродинамічний (повітряний) шум з широкосмуговим спектром, для його зниження найбільш придатні активні глушники (зі звукопоглинальним матеріалом), що забезпечують задовільну ефективність також широкому діапазоні частот. Переважно використовуються трубчасті, пластинчасті, канальні глушники, рідше циліндричні, камерні, екранні та облицьовані зсередини повітропроводи (на поворотах). Зростає попит на гнучкі повітроводи, що мають акустичні властивості (рис. 1).

Рисунок 1. (подробнее) Схемы различных типов глушителей

Трубчастий глушник круглого або прямокутного перерізу конструктивно найбільш простий і є трубою з поглинаючими звук стінками (рис. 1а). Прозоре для звуку покриття (перфорований металевий лист і склотканини, плівки) служить для збереження форми повітряного каналу, захисту від механічних пошкоджень та запобігання видуванню потоком звукопоглинаючого матеріалу (ЗПМ).

Згасання в трубчастому глушнику пропорційно довжині активної частини (числу його калібрів), периметру прохідного перерізу та коефіцієнту звукопоглинання, що залежить від фізико-механічних властивостей та товщини шару звукопоглинаючого матеріалу (ЗПМ). При збільшенні шару ЗПМ ефективність трубчастого глушника зростає на низьких частотах (найважливіший з погляду шумоглушення діапазон). Тому для забезпечення необхідного зниження шуму буває достатньо замість глушника довжиною 1 м із товщиною шару ЗПМ 50 мм встановити глушник довжиною 0,5 м із товщиною шару ЗПМ 100 мм.

До різновидів трубчастих глушників, мабуть, можна віднести різноманітні гнучкі (каркасні та безкаркасні) круглі повітроводи (рис. 1і). Вони в даний час виготовляються вітчизняними фірмами і використовуються у вентиляційних системах, перш за все, для плавного підведення повітря до розподільних пристроїв.
Результати випробувань, наведені в роботі, показують, що різноманітні каркасні повітроводи зі звукопоглинанням, наприклад, при довжині 1 м і внутрішньому діаметрі 200 мм на низьких частотах мають невисоку акустичну ефективність (3-7 дБ), однак вона суттєво збільшується зі зростанням частоти та досягає максимуму (20-25 дБ) на частотах 500-2000 Гц. Акустична ефективність безкаркасного повітроводу (з пінофолу) вище, ніж у каркасного шару без звукопоглинаючого, але значно нижче, ніж у каркасного зі звукопоглинанням. На особливу увагу заслуговують гнучкі повітроводи, що виготовляються фірмою «ЕйрОптим» (з інших матеріалів), оскільки характер зниження в них рівня шуму суттєво відрізняється. Вони дуже ефективні як на високих, а й низьких частотах. Акустична ефективність такого повітропроводу довжиною 1 м на частоті 63 Гц становить 10 дБ та підвищується на частоті 250 Гц до 23 дБ. Зі збільшенням довжини вона значно зростає (рис. 2).

Рисунок 2. (детальніше) Акустична ефективність гнучких повітроводів в залежності від довжини активної частини

Для збільшення згасання в повітроводах великих розмірів вдаються до рівномірного розподілу ЗПМ за перетином. Цей принцип використаний у пластинчастому глушнику (рис. 1б). Товщина пластин 2d та відстань між ними 2do часто зберігаються по всьому перерізу каналу. Виняток становить відстань між крайньою пластиною і корпусом глушника, що дорівнює do. При схемі з крайніми пластинами, встановленими впритул до стін корпусу, їх товщина повинна бути рівною половині товщини інших пластин.

Рисунок 3. (детальніше) Вплив відстані між пластинами на величину зниження рівнів шуму глушником ЗПК глушника

Ступінь згасання в пластинчастому глушнику при фіксованій довжині залежить від відстані між пластинами, від товщини пластин і його звукопоглощающей конструкції (ЗПК) [5]. З зменшенням відстані між пластинами 2do ефективність глушника зростає (мал. 3), але відповідно зростає і його гідравлічний опір та шумоутворення у ньому. Якщо відстань між пластинами залишається незмінною, а товщина пластин збільшується 2d (при fсв = const), область максимального згасання зміщується у бік нижчих частот (рис. 4).

Рисунок 4. (детальніше) Ефективність пластинчастого глушника залежно від товщини пластини ЗПК глушника

Характерно, що ефективність пластинчастого глушника не залежить від кількості пластин (каналів для повітря), а також від висоти пластин та від схеми компонування глушника.
Стільниковий глушник за своїми акустичними якостями не поступається пластинчастому практично в усьому діапазоні вимірюваних частот, а на найнижчих і високих частотах він навіть більш ефективний. Недоліком стільникових глушників є дуже високий гідравлічний опір і великі габарити, що часто є перешкодою їхньому використанню.
Варіантом пластинчастого глушника з однією крайньою пластиною товщиною, що дорівнює половині поперечного розміру каналу, є так званий канальний глушник (рис. 1ж). Такі глушники встановлюють переважно у прямокутних повітроводах (каналах). При установці у вузьких каналах їх ефективність можна порівняти з ефективністю відповідних пластинчастих глушників, але зі збільшенням поперечних розмірів каналу вона швидко зменшується (рис. 5).

Рисунок 5. (детальніше) Ефективність канальних глушників в залежності від поперечних розмірів каналу

У комбінованих (з трубчастих та циліндричних) глушників (рис. 1е) ефективність вища, ніж у складових елементів. Разом з тим вони мають більш високий гідравлічний опір і дорожчі, а це часто виключає можливість їх застосування.
Ефективність всіх розглянутих вище глушників зростає зі збільшенням їх довжини. Збільшуючи довжину можна забезпечити задане зниження шуму. Однак довжина глушника більше 3 м недоцільна через неминучі непрямі шляхи поширення шуму. У окремих випадках, коли потрібна довжина понад 3 м, слід ділити глушник на дві-три частини. Довжина повітроводів між цими частинами має становити 800-1000 мм.

Одним із найпростіших типів реактивних глушників є розширювальні камери (рис. 1г). Камерні глушники з внутрішнім звукопоглинальним облицюванням застосовуються в тих системах, де не потрібне обмеження з гідравлічних втрат. Коефіцієнт місцевого опору таких глушників становить 1,5-2,0. При установці камерного глушника його акустична ефективність може зменшитися через резонансні явища в повітропроводах.
Застосування екранних глушників обмежується неминучістю їх установки в приміщенні, що обслуговується (на деякій відстані від кінця повітроводу) і відносно низькою ефективністю.

Так, круглий екранний глушник діаметром dЕ = 360 мм і товщиною облицювання 100 мм, встановлений у повітроводу діаметром 180 мм, ефективний на частотах, де виконується умова dЕ/l≥ 1, а в області низьких частот, де dЕ/l < 0,2 , його ефективність мінімальна. Вона зростає (у всьому діапазоні частот) із зменшенням відстані між екраном та отвором повітроводу (це супроводжується зростанням опору та шумоутворенням). При відстані, що дорівнює 0,5 dЕ, зниження рівня шуму нижче 10-11 дБ, а при відстані, що дорівнює 0,1 dЕ, воно досягає 15-16 дБ.

Застосування звукопоглинаючого облицювання екрану призводить до підвищення ефективності в області частот т ≥ cn / 4d (cn – швидкість звуку в поглиначі, м/с; d – товщина облицювання, м). Найважливіші властивості глушників – простота та міцність конструкції, зручність монтажу, довговічність, низька вартість, а також мінімальне обслуговування та безпека в процесі експлуатації.
Наші випробування показують, що багато вітчизняних фірм прагнуть їхнього досягнення. Деякі з них навіть перестаралися.

Наприклад, одна російська компанія на шляху до спрощення конструкції трубчастих глушників відмовилася від застосування склотканини в трубчастих глушниках, підвищивши небезпеку їх використання. Відсутність склотканини, навіть при діаметрі отворів в перфорованому листі менше 3 мм, призводить до того, що тонкі (у кілька мікрон) і крихкі волокна ЗПМ проникають у повітряний потік і в приміщення, що обслуговуються вентиляційними системами, створюючи неприпустимі з точки зору гігієнічних норм умови, яких наражається на небезпеку здоров'я людини. Крім того, ймовірно, фірма не проводила необхідні акустичні випробування глушників, що випускаються в даний час, тому що в каталозі продукції, що випускається, існує посилання, що наведені «розрахункові характеристики зниження шуму прийняті на основі експериментальних даних НДІСФ». На жаль, цими даними вже понад два десятки років. За час не могли не змінитися використовувані ЗПМ, їх характеристики та технічні умови виготовлення глушників, відповідно, змінилися їх акустичні характеристики.

 

 

Працююче вентиляційне обладнання збуджує вібрацію з'єднаних з ним конструкцій. Вібрація надає двоякий несприятливий вплив на людину: внаслідок безпосереднього контактного впливу і шуму, випромінюваного в приміщення коливаються конструкціями, що захищаються, в звуковому діапазоні частот (структурного шуму). Структурний шум поширюється будівельними конструкціями будівлі на великі відстані від місця встановлення джерела вібрації.
Для зниження структурного шуму, створюваного в результаті віброколивань вентиляторів, використовуються віброізолятори. Вони розраховуються для кожного агрегату і працюють у досить вузькому діапазоні частот.
Найбільш важлива характеристика віброізольованого вентилятора – частота його власних коливань, що визначається сумою динамічних жорсткостей віброізоляторів та сумою мас вентилятора та залізобетонної плити. Тільки на частотах, що значно перевищують частоту своїх коливань, віброізолятори знижують коливання фундаменту.

Ефективність віброізоляції, загалом, залежить від типу використовуваних віброізоляторів, від допустимого навантаження на них та їх жорсткості, від їхньої робочої висоти та кількості та ін.
Необхідна ефективність віброізоляції вентиляційного обладнання у житлових будинках, у громадських будинках категорії А, у готелях, лікарнях, будинках відпочинку, бібліотеках становить 23–32 дБ.

При розміщенні у вентиляторі декількох вентиляторів різних розмірів і з різною частотою обертання робочих коліс часто, наприклад, у житлових та громадських будинках, штатні віброізолятори не забезпечують необхідний захист від структурного шуму. У таких випадках у венткамерах слід додатково передбачати підлогу на пружній підставі («плаваюча підлога»). Їх ефективність може бути нижче, ніж у віброізоляторів (у смузі частот, що розраховується), але демпфуюча здатність таких підлог проявляється в широкому діапазоні частот. Ефективність «плаваючої підлоги» залежить від динамічної жорсткості пружної основи (вібродемпфуючої прокладки) та поверхневої щільності плити підлоги. Він ефективно ізолює, якщо основа виконана з шару матеріалу з малою щільністю та низьким динамічним модулем пружності.

 

 

Можливості планувальних рішень у будинках для зниження шуму вентиляційного обладнання в приміщеннях, що захищаються, обмежені. Тому, як правило, потрібні акустичні заходи. Одним із таких заходів є встановлення на заводах-виробниках кожухів на приточні установки, деякі витяжні установки та кондиціонери. Як правило, це два металеві листи із ЗПМ між ними.
Акустична ефективність таких кожухів становить 10-15 дБ на низьких та 30-40 дБ – на високих частотах. Вона може бути трохи підвищена за допомогою внутрішнього звукопоглинального облицювання.
Однак у житлових та громадських будівлях, де допустимі рівні вентиляційного шуму низькі, такий захід виявляється недостатнім.

 

 

Наявність відбиттів звукових хвиль від поверхонь замкнутого простору (приміщення) і що у ньому предметів зазвичай збільшує інтенсивність звуку проти рівнями, створюваними тим самим джерелом звуку, випромінюючим у вільний (відкритий) простір.
На відміну від умов в архітектурній акустиці, з позицій захисту від шуму, будь-яке збільшення рівня звуку в приміщенні є небажаним. Для усунення відбитої частини звукового поля застосовують різні ЗПМ та конструкції на їх основі.
Акустичні властивості матеріалів суттєво залежать від їх структурних параметрів, які визначають сферу застосування цих матеріалів. Так, якщо потрібне зниження шуму в області низьких частот, доцільно використовувати облицювання, виконані з ультра- або супертонких волокнистих матеріалів щільністю 15-20 кг/м3.
Для зниження широкосмугового шуму в діапазоні середніх та високих частот слід вибирати матеріали з більшими волокнами щільністю 20–30 кг/м3 та більше.

Рисунок 6. (детальніше) Ефективність звукопоглинаючого  облицювання в залежності від площі обробленої поверхні

Акустичні можливості звукопоглинаючого облицювання поверхонь приміщень ілюструє рис. 6. На ньому наведено ефект від такого облицювання з товщиною ЗПМ 80 мм та із захисним шаром зі склотканини та перфорованого металевого листа для приміщень венткамер середніх розмірів з постійного приміщення B = 100 м2, залежно від оброблюваної площі огорож (S), що виражається зниженням рівня шуму у приміщенні. Як бачимо на рис. 6, акустична обробка 40% вільної площі технічного приміщення (поширений варіант) забезпечує зниження рівня шуму лише на 5–7 дБ і лише у діапазоні середніх та високих частот. На низьких частотах ефективність таких облицювання близька до нуля; потрібні спеціальні конструкції, що розробляються на основі розрахунків. Тому акустична обробка венткамер доцільна як додаткова міра і в тих випадках, коли необхідне зниження шуму невелике і є високооборотне обладнання, тобто переважно високочастотний підвищений шум.

 

 

При кондиціонуванні повітря в будинках застосовуються системи холодопостачання, що включають холодильні машини та різні охолоджувачі, які встановлюються зовні (часто на покрівлі). Вони працюють як у денний, так і в нічний час доби та випромінюють підвищений шум у навколишній простір – у прилеглу міську забудову. Внаслідок впливу цього шкідливого фізичного фактора піддається насамперед житлова забудова.
Необхідне зниження шуму біля житлової забудови (і житло), залежно від типу елементів систем холодопостачання і ситуації, становить 7–18 дБ(А), а октавних смугах частот сягає 10–20 дБ.
Джерелами шуму агрегатів є осьові вентилятори (від 2 до 24 шт) з діаметрами робочих коліс від 500 до 900 мм, розташовані у верхній частині агрегатів. Забір повітря здійснюється через фільтри та пристрої теплообміну збоку або знизу, а вільний викид – переважно нагору. У холодильних машин (у моноблоків) додатковими джерелами підвищеного шуму є компресори, розташовані в нижній частині.

У зв'язку з конструктивними особливостями агрегатів перелік ефективних засобів захисту від їхнього шуму, придатних для практичного використання, дуже обмежений. Зокрема, на вході або виході низьконапірних осьових вентиляторів не можна встановлювати глушники. Вони неминуче та неприпустимо збільшать гідравлічний опір у коротких мережах.
Багаторічний досвід показав, що єдиний спосіб захисту від шумового впливу цих елементів систем холодопостачання – екранування. Один або кілька агрегатів вигороджується з двох, трьох або з чотирьох сторін акустичними екранами (екранами зі звукопоглинаючим облицюванням з боку джерела шуму).

Звукопоглинаюче облицювання із захисним шаром призначене для усунення можливого збільшення звукової потужності джерела, пов'язаного з відображеннями звуку у вигородці, утвореній екранами.
Елементи екранів можуть розташовуватись вертикально та під певним нахилом до горизонтальної (вертикальної) площини. Кут нахилу залежить від взаємного розташування джерела шуму та точки спостереження.
Основні параметри екрана (висота, форма, товщина звукопоглинального облицювання), у яких забезпечується задана акустична ефективність при фіксованому відстані до джерела шуму, визначаються розрахунковим шляхом.

 

В. П. Гусєв
доктор техн. наук, зав. лабораторією захисту від шуму вентиляційного та
інженерно-технологічного обладнання (НДІСФ)