|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Шумовые характеристики систем вентиляции и кондиционирования воздуха.Общие положения. Термины и определенияЗвук ‑ это механическое колебание материальных частиц упругой, твердой, жидкой или газообразной среды. Интервал частот, воспринимаемых ухом человека, находится между 16 Гц и 20 000 Гц. Звуки ниже 16 Гц называются инфразвуком, а свыше 20000 Гц ‑ ультразвуком. Инфразвуковые и ультразвуковые колебания не воспринимаются ухом, однако они оказывают сильное воздействие на организм человека. Оно может быть как благотворным, так и пагубным. Если колебания среды носят синусоидальный характер, звук называют гармоническим или чистым (рис. 1). Несколько гармонических звуков образуют совокупность, называемую сложным звуком. Любой периодически повторяющийся звук можно разложить на ряд гармонических составляющих (ряд Фурье). В этом случае чистый звук с наименьшей частотой называют основным тоном, а остальные ‑ обертонами.
Рис. 1. Типовые колебания воздуха Если колебания носят непериодический произвольный характер, то такой звук называют шумом. Шум также может быть представлен в виде суммы (ряда) гармонических колебаний: Коэффициенты Чистый гармонический звук можно записать в виде: где f – частота колебаний, Гц (с-1); φ – угол сдвига по фазе. Для гармонического колебания справедливы соотношения: где с – скорость распространения звука в среде, м/с Т – период колебаний, 1/f, с. Скорость звука в газах определяется по формуле Лапласа [1]: где Mm – молекулярная масса воздуха, Mm = 29. Отсюда скорость звука в воздухе при t = 0°C (T = 273,16 К) равна 332 м/с. Взависимости от температуры скорость звука в воздухе можно рассчитать по формуле: Так, при t = –10°C скорость звука в воздухе будет 325,6 м/с, при t = + 20°C – 343,8 м/с, а при t = 40°C – 353,3 м/с. Источник звуковых волн порождает акустическое (звуковое) давление, выражаемое уравнением: где рА – максимальная амплитуда давления. Эффективное акустическое давление соответствует среднеинтегральному значению мгновенного акустического давления за данный временной интервал. Акустическое давление измеряется в Н/м2, Па или мкбар (микробар). 1 Н/м2 = 1 Па = 10 мкбар (7) Акустическое давление обычного разговора на расстоянии 1 м от говорящего
находится в пределах от 0,1 до 1,0 Н/м2. Наиболее слабое акустическое
давление, воспринимаемое человеческим ухом (порог слышимости), равно 2·10-5 Н/м2,
а болевой порог достигает 20Н/м2. Диапазон звукового давления,
которое воспринимается человеком ухом, охватывает от 20 до 2·10-5 Н/м2,
то есть Пользоваться таким большим диапазоном при измерениях неудобно, поэтому за единицу величины звукового давления приняли уровень звукового давления относительно порога слышимости, измеряемый в децибелах (дБ): Уровень звукового (акустического) давления порога слышимости: Уровень звукового давления, соответствующий болевому порогу, равен 120 дБ. В таблице 1 приведены значения акустических давлений и уровней акустических давлений, соответствующих различным источникам звука. Таблица 1. Значения акустических давлений и уровней акустических давлений
Применяются также понятия акустической мощности и уровня звуковой (акустической) мощности. Мгновенная акустическая мощность W, приходящаяся на элемент данной поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, выражается отношением: где S – площадь рассматриваемой поверхности, м2; р – звуковое давление, Н/м2; ρ – плотность среды, кг/м3; с – скорость звука, м/с. Поскольку акустические мощности, как правило, очень малы, их выражают в большинстве случаев в микроваттах (мкВт). Уровень звуковой мощности Lw определяется по формуле: где W0 = 10-12 Вт. Между Lp и Lw существует зависимость: где S0 =
Представим себе точечный источник звука, создающий сферическое звуковое
поле, для которого S0 =
Следовательно, уровень звуковой мощности больше уровня звукового давления на величину Звуковое давление уменьшается при увеличении расстояния до источника и зависит от акустических свойств помещения.
В паспортах фирмы-поставщики оборудования дают различные значения уровня шума: одни указывают значение уровня звуковой мощности, другие – уровня звукового давления. Потребителям следует обращать на это внимание, выбирая то или иное оборудование. В государственных стандартах Украины при указании допустимого значения уровня звука используется среднеквадратичное значение звукового давления в каждой октавной полосе или эффективное значение звукового давления с учетом коррекции по характеристике «А» шумомера (определения этих величин приводятся ниже). На практике звук редко распространяется равномерно по всем направлениям. Существуют направления преимущественного распространения, которые учитываются коэффициентом направления Q следующим образом: где Q равно отношению плотности акустического потока, излучаемого в данном направлении, к плотности сферического акустического потока, излучаемого источником звука той же мощности. Распространению звука во все стороны (сферическое) соответствует Q = 1.
Рис. 2. Величина коэффициента направленности в различных точках помещения Если излучатель установлен на середине стены, то Q = 2, в торце потолка и стены Q = 4, в углу Q = 8 (рис. 2). Втехнической литературе можно встретить такой параметр, как интенсивность или сила звука, который определяется как частное от деления мгновенной акустической мощности, проходящей через элемент поверхности, на площадь этого элемента. Для поверхности площадью S акустическая интенсивность определяется выражением: Для сферической поверхности: Порог слышимости соответствует 10-12 Вт/м2, а болевой порог – 1 Вт/м2. Аналогично выводится уровень интенсивности звука: где I0 – опорное значение интенсивности звука, равное 10-12 Вт/м2. В зависимости от частоты колебаний звука определяют его величину или тон. При равном акустическом давлении более высоким будет звук с большей частотой. Спектры акустических колебаний Любые звуковые колебания можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний (ряд Фурье): где Попробуем на простых примерах пояснить физическую сущность ряда Фурье. На рис. 3 изображены два синусоидальных колебания, частоты которых относятся как 1:5, а отношение амплитуд выбрано 5:1, то есть
Результат сложения этих колебаний
Рис. 3. Сложение двух колебаний (отношение частот 5:1, отношение амплитуд 1:3) На рис. 4 представлена сумма двух колебаний с одинаковой амплитудой,
но несколько отличающимися частотами
Рис. 4. Сложение двух синусоидальных колебаний с равными амплитудами (соотношение частот 10:9). Последовательность прямоугольных импульсов (рис. 5) также можно представить в виде суммы простых синусоидальных колебаний. Это уже удается сделать с некоторым приближением, сложив три синусоиды S1, S3 и S5. Получится кривая Sr. Приближение к последовательности прямоугольных импульсов может быть достигнуто, если добавить синусоиды S7, S9 и т. д.
Рис. 5. Представление прямоугольных импульсов с помощью синусоидальных колебаний В аналитической форме это можно записать в виде: Если мы имеет периодическую последовательность импульсов тока, проходящего через сопротивление (рис. 5) с длительностью импульсов τ и периодом их повторения Т, то ее можно представить в виде суммы (спектра) частных синусоидальных колебаний с амплитудами, показанными на рис. 6, II. Спектральная линия с нулевой частотой означает наличие постоянной составляющей тока. Кривая III является результатом суммы первых 10 частотных колебаний, а кривая IV ‑ первых 20 частотных колебаний. В результате началось формирование верхних углов b и с. Для формирования нижних углов а и d следует взять большое количество спектральных составляющих. Отличительной особенностью одиночного колебания является непрерывный (сплошной) спектр. Спектральные линии сближены бесконечно плотно. Они непрерывно заполняют область внутри огибающей. Площадь под этой кривой зачернена. Вместо линейчатого спектра получается непрерывный спектр. Вместо ряда Фурье применяется интеграл Фурье. Физиологическое воздействие звука на человека Шумы, порождаемые механизмами в холодильной технике, в большинстве своем имеют диапазон частот от 44 до 12 000 Гц. Под шумом понимают звук любого качества, не соответствующий музыкальному. Шум окружающей среды ‑ это звуковой фон, имеющий место при неработающем оборудовании. Особое место занимает белый или случайный шум, имеющий одинаковый уровень всех частных составляющих в рассматриваемом диапазоне частот. Чтобы лучше оценивать шумы, их подразделяют на октавные полосы, граничные частоты которых имеют отношение 2 и которые характеризуются средней частотой полосы fm, определяемой как Таблица 2. Характеристики 8 октавных полос
Человеческое ухо имеет разную степень восприятия звуков различной частоты. Это означает, что при одинаковом уровне звуковой мощности высокочастотный звук мы слышим лучше, чем звук с низкой частотой. То есть интенсивность звукового ощущения сильно меняется в зависимости от частоты звука. Поэтому каждой слышимой частоте соответствует минимум улавливаемой звуковой мощности, ниже которой чувствительность уха равна нулю. Максимальная чувствительность уха находится в пределах частоты 1 000 Гц и соответствует 10‑12 Вт/м2. Это говорит о том, что человеческое ухо является чрезвычайно чувствительным органом, способным обнаружить случайные колебания акустического давления с амплитудой около 10‑9 см, то есть величиной, равной одной десятой расстояния между ядром и электроном самого маленького из атомов – атома водорода. Болевой порог также имеет максимальной значение в пределах частоты 1 000 Гц.
Рис. 6. Кривые равного восприятия громкости звука (изофонические кривые) Если принять за базовые интенсивность звука частотой 1 000 Гц и уровень акустического давления 40 дБ, то для того, чтобы человек почувствовал такой же уровень воздействия звука частотой 31,5 Гц, необходимо увеличить уровень звукового давления до 75 дБ. На частоте 4 000Гц ‑ 33 дБ, на частоте 8 000 Гц – 48 дБ. Исходя из приведенных данных, на рис. 6 построены кривые равного восприятия интенсивности звука (изофонические кривые).
Рис. 7. Зависимость весовых коэффициентов от частоты звука Как видно, ухо имеет неравномерную чувствительность к различным частотам, поэтому, определяя влияние на него частоты, необходимо вводить весовые коэффициенты. Значения этих коэффициентов приведены на рис. 7. Весовой коэффициент А обычно используется, когда общий невзвешенный уровень ниже 55дБ; коэффициент В – для уровня от 55 до 85 дБ; коэффициент С – для уровня свыше 85 дБ. Весовой коэффициент D используется, чтобы оценить воздействие, вызванное очень сильными шумами (реактивный самолет). Так, например, если полученный в результате измерений уровень звукового давления на частоте 250 Гц равен 80 дБ, то реальный взвешенный уровень будет: 80 - 8,6 = 71,4 дБ (А); 80 - 1,3 = 78,7 дБ (В); 80 - 0 = 80 дБ (С); 80 - 2 = 78 дБ (D). Измерение уровня звукаВсе приборы для определения уровня акустического давления учитывают весовые коэффициенты. В результате они сразу показывают взвешенное значение уровня звукового давления на данной частоте или октаве. Кроме того, они позволяют измерить общий взвешенный уровень звукового давления, то есть суммируют взвешенные уровни, чтобы дать общий результат воздействия всех частот. Указание полного уровня акустического давления очень удобно, так как это дает возможность одним числом оценить, например, уровень шума оборудования. Другим способом установления пороговых значений шума является определение показателей шумового дискомфорта. Основной из них – показатель ISO, класс шума NR (Noise Rating), соответствующий уровням акустического давления при 1 000 Гц семейства кривых уровня постоянного дискомфорта. Увеличение звукового уровня при включении второго источника звука производят по формуле:
Это означает, что если L2 >L, то суммарное воздействие этих шумов будет равно: LΣ = L2 + ΔL. (24) Так, например, сложим два сигнала с уровнями звукового давления 40 и 48 дБ. Превышение уровня находим по формуле: Общий уровень звука составит LΣ = 48 + 0,6 = 48,6 дБ. Наиболее удобно складывать и вычитать звуковой уровень двух источников по графикам. СложениеГрафик (рис. 8) построен на основании разницы (в дБ) двух складываемых источников звука. Количество дБ, которое должно быть добавлено к большему уровню, определяется по шкале Y. Пример. Два источника шума имеют звуковые уровни 40 и 38 дБ, разница между двумя уровнями – 2 дБ. По графику получаем, что к большему уровню необходимо добавить 2 дБ. Общий результат шума – 42 дБ. ВычитаниеГрафик (рис. 9) построен на основании разницы в дБ между общим уровнем звука и уже известным уровнем звука. Количество дБ, которое должно быть вычтено из общего уровня звука, получаем по шкале Y. Пример. В комнате с приточно-вытяжной системой уровень шума 34 дБ. Уровень шума окружающей среды – 30 дБ. Определить уровень шума приточно-вытяжной вентиляции. Разность между общим уровнем шума и шумом окружающей среды равна 4 дБ. Для определения шума приточно-вытяжной системы (по графику) необходимо из общего уровня шума 34 дБ вычесть 2 дБ, то есть уровень шума приточно-вытяжной вентиляции составит 34–2 = 32 дБ.
Рис. 8. Логарифмическое сложение двух шумов
Рис. 9. Логарифмическое вычитание двух шумов Измерение шума производится с помощью приемников звукового давления, так как этот параметр легче всего зарегистрировать. В качестве измерительного элемента (датчика) используется микрофон, который выдает электрический сигнал, пропорциональный акустическому давлению. Основными характеристиками микрофона является его чувствительность, диапазон измеряемых частот, направленность. Кроме того, его показания не должны зависеть от температуры окружающей среды, влажности, магнитных полей и др. Некоторые приборы измеряют полный (суммарный) уровень звукового давления. Другие приборы обеспечивают измерение спектральной характеристики с учетом весовых характеристик, имеют выход на печатающее устройство или персональный компьютер.
Рис. 10. Измеритель уровня шума фирмы Testo: 1 - микрофон; 2 – измерительная головка; 3 – калибратор шума
Фирма Testo (Германия) выпускает измерители уровня шума Testo 815 (3 класс) и Testo 816 (2класс). Фирма Quest Technologies, Inc. (США) выпускает ряд измерителей уровня шума 1 и 2класса. С помощью прибора RT-1000 (1 класс) можно получить результат в виде средневзвешенного значения с весовыми коэффициентами A, B, C и D по всему диапазону частот или средневзвешенные по октавам (рис. 11). Последние значения можно вывести на индикатор в форме таблицы или графика (рис. 12). Кроме того, шумомер можно подключить к персональному компьютеру и производить измерение непрерывно в течение 24 часов.
Рис. 11. Измерители уровня шума фирмы Quest Technologies, Inc. (США)
Рис. 12. Индикация результатов измерений прибором RT – 1000. Если измерять уровень звука непосредственно в помещении, где установлен кондиционер, то мы измерим суммарный уровень шумов кондиционера, окружающей среды и отраженных сигналов от ограждений (стены, потолки, пол и др.) Поэтому измерение уровня звука кондиционеров производится в акустических «безэховых» камерах, имеющих низкий уровень собственных шумов и звукопоглощающие ограждения (рис. 13). Уровни шумов вентиляторов и канальных кондиционеров измеряются в трех точках: по входу, по выходу и от корпуса по ГОСТ 12.2.028-84 с использованием специальных зондов, поглощающих отраженные сигналы, (рис. 14) или в камерах, в которых можно измерить отдельно эти три вида шумов (рис. 15). Измерение шумов вентиляторов и кондиционеров в открытом пространстве – распространенная ошибкой монтажников, наладчиков и даже контролирующих органов.
Рис. 13. Акустическая камера для измерения уровня шумов
Рис. 14. Концевое поглощающее устройство для измерения шумов вентиляторов по ГОСТ 12.2.028-84
Рис. 15. Измерение шумов вентиляторов в звукоизоляционных помещениях по ГОСТ 12.2.028-84 Таблица 3. Технические характеристики измерителей уровня шума Testo 816 (2 класс) и RT-1000 (1класс) фирмы Quest Technologies, Inc.
Методы снижения уровня шумаУровни шума, создаваемого оборудованием в различных помещениях и в разное время суток, оговариваются стандартами стран. Ими предусматриваются также методы измерения шума и характеристики измерительных приборов. Это, например, стандарт NF 831-123 «Шум, издаваемый холодильным оборудованием, снабженным герметичными и разъемными герметичными компрессорами. Правила испытания для измерения акустической мощности». В Украине действуют государственные санитарные нормы ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку». Кроме того, органы Госнадзора Украины признают правомерными только те протоколы испытаний уровня шума, которые произведены приборами, аттестованными метрологической службой Украины как приборы первого или второго класса. При этом требования к классу приборов у разных стран различные. Так, приборы для измерения уровня шума, относящиеся в Германии ко второму классу, сертификационными службами Украины относятся к третьему классу. В технической документации заводов-производителей часто отсутствует ссылка как на стандарт, по которому определяется сам термин «уровень шума», так и на стандарт по методике измерения. Под параметром «уровень шума» некоторые производители приводят значения уровня звукового давления или уровня звуковой мощности. Это не позволяет потребителю правильно выбрать необходимое оборудование и однозначно сравнить уровень акустического воздействия оборудования на пользователя. Основными способами выполнения требований стандартов по снижению уровня звукового воздействия являются:
При выборе оборудования с допустимым уровнем шума может оказаться, что оно не удовлетворяет другим требованиям технического задания. В этом случае, конечно, необходимо брать «шумное» оборудование, но принимать дополнительные меры по снижению шума в зоне расположения людей. Если есть возможность удалить сильно шумящий блок от места расположения людей, то эффект от расстояния до точечного источника звука (всферическом звуковом поле) может быть определен по формуле: где r – расстояния от источника шума до точки измерения уровня шума. В случае излучения в полусферу (например, компрессорно-конденсаторный блок, установленный на крыше): Однако в этих уравнениях не учтено затухание звука в воздухе, зависящее от частоты звука, температуры и влажности воздуха [1]. В некоторых случаях это затухание может превышать 13 дБ. Кроме того, необходимо учитывать направленность Q источника звука. Величина Q зависит от данного телесного угла, в котором излучается звуковая энергия. Так, Q = 1 прителесном угле 2π; Q = 8 при π/2 и т. д. Когда оборудование находится вне помещения, эффективным способом снижения уровня шума является установка экранов.
Рис. 16. Снижение уровня звука экраном S – источник звука; P – точка измерения звука Возможно применение крышек, коробов или кожухов. Если источник шума расположен в помещении, то необходимо учитывать поглощение звука стенами, полом и потолком. Частично звук отражается от ограждений. В этом случае уровень звукового давления определяется по формуле:
где Sэкв – эквивалентная поглощающая поверхность помещения. где Si – площадь поверхности помещения; αi – коэффициент поглощения (рис. 17).
Рис. 17. Коэффициент поглощения различных материалов [1]: а – гладкая штукатурка; б – древесноволокнистая плита толщиной 2,5 см ; в – тоже, 5 см ; г – стекловата слоем 3 см ; д – совокупность пористых материалов, способных к резонансу; е – клеенчатая ткань, брезент, заполненный стекловатой; ж – многослойная фанера с воздушной прослойкой Для уменьшения шумов в воздуховодах используются глушители со звукопоглощающим акустическим экраном и покрытиями. Литература.
|
|
|||||||
|
|
.
(1) 
и 
определяются
по формулам Эйлера-Фурье [14]. 
,
(2) 
; 
,
(3) 
,
м/с, (4) 
для
воздуха; 
,
м/с. (5) 
,
(6) 
. 
дБ.
(8) 
дБ.
(9) 
Вт
(10) 
,
дБ, (11) 
,
(12) 
(13) 
.
(14) 
,
(15) 
,
Вт/м2. (16) 
,
Вт/м2. (17)
,
дБ, (18) 
,
(19) 
; 
. 
и 
.
(20) 
. 
; 
.
Сумма этих колебаний 
представляет
собой синусоидальное колебание с периодически изменяющейся амплитудой.
Такую форму колебаний называют биениями. 
(21) 
.
(22) 
.
(23) 
(25) 
,
дБ, (26) 
,
дБ. (27) 
.
(28) 
,
(29) 
,
(30) 