Расчет уровня шума. Акустический расчет системы вентиляции и кондиционирования в современных зданиях Пример акустического расчета системы вентиляции офиса

Акустичекие расчеты

Среди проблем оздоровления окружающей среды борьба с шумами является одной из актуальнейших. В крупных городах шум является одним из основных физических факторов, формирующих условия среды обитания.

Рост промышленного и жилищного строительства, бурное развитие различных видов транспорта, все большее применение в жилых и общественных зданиях сантехнического и инженерного оборудования, бытовой техники привели к тому, что уровни шума в селитебных зонах города стали сравнимы с уровнями шумов на производстве.

Шумовой режим крупных городов формируется главным образом автомобильным и рельсовым транспортом, составляющим 60-70% всех шумов.

Заметное влияние на уровень шума оказывает увеличение интенсивности воздушных перевозок, появление новых мощных самолетов и вертолетов, а также железнодорожный транспорт, открытые линии метро и метро мелкого заложения.

Вместе с тем, в некоторых крупных городах, где предпринимаются меры по улучшению шумовой обстановки наблюдается снижение уровней шума.

Шумы бывают акустические и неакустичекие, какова их разница?

Акустический шум определяется как совокупность различных по силе и частоте звуков, возникающих в результате колебательного движения частиц в упругих средах (твердых, жидких, газообразных).

Неакустические шумы - Радиоэлектронные шумы - случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникают в результате неравномерной эмиссии электронов в электровакуумных приборах (дробовой шум, фликкер-шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых приборах, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум), теплового излучения Земли и земной атмосферы, а также планет, Солнца, звёзд, межзвёздной среды и т. д. (шумы космоса).

Акустический расчёт, расчет уровня шума.

В процессе строительства и эксплуатации различных объектов проблемы борьбы с шумом являются неотъемлемой частью охраны труда и защиты здоровья населения. Выступать источниками могут машины, транспортные средства, механизмы и другое оборудование. Шум, его величина воздействия и вибраций на человека зависит от уровня звукового давления, частотных характеристик.

Под нормированием шумовых характеристик понимают установление ограничений на значения этих характеристик, при которых шум, воздействующий на людей, не должен превышать допустимых уровней, регламентированных действующими санитарными нормами и правилами.

Целями акустического расчета являются:

Выявление источников шума;

Определение их шумовых характеристик;

Определение степени влияния источников шума на нормируемые объекты;

Расчет и построение индивидуальных зон акустического дискомфорта источников шума;

Разработка специальных шумозащитных мероприятий, обеспечивающих требуемый акустический комфорт.

Установка систем вентиляции и кондиционирования уже считается естественной потребностью в любом здании (будь оно жилое или административное), акустический расчет должен выполняться и для помещений подобного типа. Так, в случае не проведения расчета уровня шума, может оказаться, что в помещении очень низкий уровень звукопоглощения, а это очень усложняет процесс общения людей в нем.

Поэтому прежде чем устанавливать в помещении системы вентиляции, провести акустический расчет нужно обязательно. Если окажется, что для помещения характерны плохие акустические свойства, необходимо предложить провести ряд мероприятий, по улучшению акустической обстановки в помещении. Поэтому акустические расчеты выполняются и на установку бытовых кондиционеров.

Акустический расчет чаще всего проводится для объектов, которые имеют сложную акустику или отличаются повышенным требованиям к качеству звука.

Звуковые ощущения возникают в органах слуха при воздействии на них звуковых волн в диапазоне от 16 Гц до 22 тыс. Гц. Звук распространяется в воздухе со скоростью 344 м/с, за 3 сек. 1 км.

Величина порога слышимости зависит от частоты ощущаемых звуков и равна 10-12 Вт/м 2 на частотах близких 1000 Гц. Верхней границей является порог болевого ощущения, который в меньшей степени зависит от частоты и лежит в пределах 130 - 140 дБ (на частоте 1000 Гц по интенсивности 10 Вт/м 2, по звуковому давления).

Соотношение уровня интенсивности и частоты определяет ощущение громкости звука, т.е. звуки, имеющие различную частоту и интенсивность, могут оцениваться человеком как равногромкие.

При восприятии звуковых сигналов на определенном акустическом фоне может наблюдаться эффект маскировки сигнала.

Эффект маскировки может отрицательно сказываться в акустических индикаторах и может быть использован для улучшения акустической обстановки, т.е. в случае маскировки высокочастотного тона низкочастотным, который менее вреден для человека.

Порядок выполнения акустического расчета.

Для выполнения акустического расчета потребуются следующие данные:

Размеры помещения, для которого будет проводиться расчет уровня шума;

Основные характеристики помещения и его свойства;

Спектр шума от источника;

Характеристика преграды;

Данные о расстоянии от центра источника шума до точки акустического расчета.

При расчете, для начала определяются источники шума и их характерные свойства. Далее на исследуемом объекте выбираются точки, в которых будут проводиться расчеты. В выбранных точках объекта проводится расчет предварительного уровня звукового давления. Основываясь на полученных результатах, выполняется расчет по снижению шума до требуемых норм. Получив все необходимые данные, выполняется проект по разработке мероприятий, благодаря которым будет снижен уровень шума.

Правильно выполненный акустический расчет является залогом отличной акустики и комфорта в помещении любого размера и конструкции.

На основе выполненного акустического расчета можно предлагать следующие мероприятия для снижения уровня шума:

* установка звукоизолирующих конструкций;

* использование уплотнений в окнах, дверях, воротах;

* использование конструкций и экранов, которые поглощают звук;

*осуществление планировки и застройки селитебной территории в соответствии со СНиП;

* применение глушителей шума в вентиляционных системах и системах кондиционирования.

Проведение акустического расчета.

Работы по расчету уровней шума, оценки акустического (шумового) воздействия, а также проектирование специализированных шумозащитных мероприятий, должны осуществляться специализированной организацией, имеющей соответствующую область.

шум акустический расчет измерение

В самом простом определении основная задача акустического расчета - это оценка уровня шума, создаваемого источником шума в заданной расчетной точке с установленным качеством акустического воздействия.

Процесс проведения акустического расчета состоит из следующих основных этапов:

1. Сбор необходимых исходных данных:

Характер источников шума, режим их работы;

Акустические характеристики источников шума (в диапазоне среднегеометрических частот 63-8000 Гц);

Геометрические параметры помещения, в котором расположены источники шума;

Анализ ослабленных элементов огорождающих конструкции, через которые шум будет проникать в окружающую среду;

Геометрические и звукоизоляционные параметры ослабленных элементов огорождающих конструкций;

Анализ близлежащих объектов с установленным качеством акустического воздействия, определений допустимых уровней звука для каждого объекта;

Анализ расстояний от внешних источников шума до нормируемых объектов;

Анализ возможных экранирующих элементов на пути распространения звуковой волны (застройка, зеленые насаждения и т.д.);

Анализ ослабленных элементов огорождающих конструкций (оконные проемы, двери и т.д.), через которые шум будет проникать в нормируемые помещения, выявление их звукоизоляционной способности.

2. Акустический расчет производится на основании действующих методических указаний и рекомендаций. В основном это «Методики расчета, нормативы».

В каждой расчетной точке необходимо производить суммирование всех имеющихся источников шума.

Результатом акустического расчета являются некие значения (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63-8000 Гц и эквивалентное значение уровня звука (дБА) в расчетной точке.

3. Анализ результатов расчета.

Анализ полученных результатов осуществляется сравнением значений, полученных в расчетной точке с установленными Санитарными нормами.

При необходимости, следующим этапом проведения акустического расчета может быть проектирование необходимых шумозащитных мероприятий, которые позволят снизить акустическое воздействие в расчетных точках до допустимого уровня.

Проведение инструментальных измерений.

Помимо акустических расчетов, можно провести расчет инструментальных измерений уровней шума любой сложности, в том числе:

Измерение шумового воздействия существующих систем вентиляции и кондиционирования для офисных зданий, частных квартир и т.д.;

Осуществление измерений уровней шума для аттестации рабочих мест;

Проведение работ по инструментальному измерению уровней шума в рамках проекта;

Проведение работ по инструментальному измерению уровней шума в рамках технических отчетов при утверждении границ СЗЗ;

Осуществление любых инструментальных измерений шумового воздействия.

Проведение инструментальных замеров уровней шума производится специализированной мобильной лабораторией с применением современного оборудования.

Сроки выполнения акустического расчета. Сроки выполнения работы зависят от объема расчетов и измерений. Если необходимо произвести акустический расчет для проектов жилых застроек или административных объектов, то они выполняются в среднем 1 - 3 недели. Акустический расчет для крупных или уникальных объектов (театры, органные залы) занимает больше времени, основываясь на предоставленных исходных материалах. Кроме того, на срок работы во многом влияют количество исследуемых источников шума, а также внешние факторы.

Система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВКВ) является одним из основных источников шума в современных жилых, общественных и промышленных зданиях, на судах, в спальных вагонах поездов, во всевозможных салонах и кабинах управления.

Шум в СВКВ идет от вентилятора (главного источника шума со своими задачами ) и других источников, распространяется по воздуховоду вместе с потоком воздуха и излучается в вентилируемое помещение. На шум и его снижение влияют: кондиционеры, отопительные агрегаты, регулирующие и воздухораспределительные устройства, конструкция, повороты и разветвление воздуховодов .

Акустический расчет СВКВ производится с целью оптимального выбора всех необходимых средств снижения шума и определения ожидаемого уровня шума в расчетных точках помещения. Традиционно главным средством снижения шума системы являются активные и реактивные глушители шума . Звукоизоляцией и звукопоглощением системы и помещения требуется обеспечить выполнение норм допустимых для человека уровней шума — важных экологических норм.

Сейчас в строительных нормах и правилах России (СНиП), обязательных при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий с целью защиты людей от шума, сложилась чрезвычайная ситуация. В старом СНиП II-12-77 «Защита от шума» метод акустического расчета СВКВ зданий устарел и не вошел поэтому в новый СНиП 23-03-2003 «Защита от шума» (взамен СНиП II-12-77), где он пока вообще отсутствует.

Таким образом, старый метод устарел, а нового нет . Настает пора создания современного метода акустического расчета СВКВ в зданиях, как это уже имеет место быть со своей спецификой в других, ранее более продвинутых по акустике, областях техники, например, на морских судах . Рассмотрим три возможных способа акустического расчета, применительно к СВКВ.

Первый способ акустического расчета . В этом способе, устанавливаемого сугубо на аналитических зависимостях, используется теория длинных линий, известная в электротехнике и отнесенная здесь к распространению звука в газе, заполняющем узкую трубу с жесткими стенками . Расчет производится при условии, что поперечник трубы много меньше длины звуковой волны.

Для трубы прямоугольного сечения сторона должна быть меньше половины длины волны, а для круглой трубы — радиус. Именно такие трубы в акустике называются узкими. Так, для воздуха на частоте 100 Гц труба прямоугольного сечения будет считаться узкой, если сторона сечения меньше 1,65 м. В узкой изогнутой трубе распространение звука останется таким же, как и в прямой трубе.

Это известно из практики применения переговорных труб, например, давно на пароходах. Типовая схема длинной линии системы вентиляции имеет две определяющие величины: L wH — звуковая мощность, поступающая в трубопровод нагнетания от вентилятора в начале длинной линии, а L wK — звуковая мощность, исходящая из трубопровода нагнетания в конце длинной линии и поступающая в вентилируемое помещение.

Длинная линия содержит следующие характерные элементы. Перечислим их: входное отверстие со звукоизоляцией R 1 , активный глушитель шума со звукоизоляцией R 2 , тройник со звукоизоляцией R 3 , реактивный глушитель шума со звукоизоляцией R 4 , дроссельная заслонка со звукоизоляцией R 5 и выпускное отверстие со звукоизоляцией R 6 . Под звукоизоляцией здесь понимается разность в дБ между звуковой мощностью в падающих на данный элемент волнах и звуковой мощности, излучаемой этим элементом после прохождения волн через него далее .

Если звукоизоляция каждого из этих элементов не зависит от всех других, то звукоизоляция всей системы может быть оценена расчетом следующим образом. Волновое уравнение для узкой трубы имеет следующий вид уравнения для плоских звуковых волн в неограниченной среде:

где c — скорость звука в воздухе, а p — звуковое давление в трубе, связанное с колебательной скоростью в трубе по второму закону Ньютона соотношением

где ρ— плотность воздуха. Звуковая мощность для плоских гармонических волн равна интегралу по площади поперечного сечения S воздуховода за период звуковых колебаний T в Вт:

где T = 1/f — период звуковых колебаний, с; f — частота колебаний, Гц. Звуковая мощность в дБ: L w = 10lg(N/N 0), где N 0 = 10 -12 Вт. В пределах указанных допущений звукоизоляция длинной линии системы вентиляции рассчитывается по следующей формуле:

Число элементов n для конкретной СВКВ может быть, конечно, больше указанных выше n = 6. Применим для расчета величин R i теорию длинных линий к вышеуказанным характерным элементам системы вентиляции воздуха.

Входное и выходное отверстия системы вентиляции с R 1 и R 6 . Место соединения двух узких труб с разными площадями поперечных сечений S 1 и S 2 по теории длинных линий — аналог границы раздела двух сред при нормальном падении звуковых волн на границу раздела. Граничные условия в месте соединения двух труб определяются равенством звуковых давлений и колебательных скоростей по обе стороны границы соединения, умноженных на площади поперечных сечений труб.

Решая полученные таким способом уравнения, получим коэффициент прохождения по энергии и звукоизоляцию места соединения двух труб с указанными выше сечениями:

Анализ этой формулы показывает, что при S 2 >> S 1 свойства второй трубы приближаются к свойствам свободной границы. Например, узкую трубу, открытую в полубесконечное пространство, можно считать с точки зрения звукоизолирующего эффекта как граничащую с вакуумом. При S 1 << S 2 свойства второй трубы приближаются к свойствам жесткой границы. В обоих случаях звукоизоляция максимальна. При равенстве площадей сечений первой и второй трубы отражение от границы отсутствует и звукоизоляция равна нулю независимо от вида сечения границы.

Активный глушитель шума R 2 . Звукоизоляцию в этом случае приближенно и быстро можно оценить в дБ, например, по известной формуле инженера А.И. Белова:

где П — периметр проходного сечения, м; l — длина глушителя, м; S — площадь поперечного сечения канала глушителя, м 2 ; α экв — эквивалентный коэффициент звукопоглощения облицовки, зависящий от действительного коэффициента поглощения α, например, следующим образом:

α 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

α экв 0,1 0,2 0,4 0,5 0,6 0,9 1,2 1,6 2,0 4,0

Из формулы следует, что звукоизоляция канала активного глушителя R 2 тем больше, чем больше поглощающая способность стенок α экв, длина глушителя l и отношение периметра канала к площади его поперечного сечения П/S. Для лучших звукопоглощающих материалов, например, марки ППУ-ЭТ, БЗМ и АТМ-1, а также других широко используемых звукопоглотителей действительный коэффициент звукопоглощения α представлен в .

Тройник R 3 . В системах вентиляции наиболее часто первая труба с площадью сечения S 3 разветвляется затем на две трубы с площадями сечения S 3.1 и S 3.2 . Такое разветвление называется тройником: через первую ветвь звук поступает, через две другие проходит дальше. В общем случае первая и вторая труба могут состоять из совокупности труб. Тогда имеем

Звукоизоляция тройника от сечения S 3 до сечения S 3.i определяется по формуле

Заметим, что из-за аэрогидродинамических соображений в тройниках стремятся обеспечить равенство площади сечений первой трубы сумме площади сечений в разветвлениях.

Реактивный (камерный) глушитель шума R 4 . Камерный глушитель шума представляет собой акустически узкую трубу с сечением S 4 , переходящую в другую акустически узкую трубу большого сечения S 4.1 длиной l, называемой камерой, и затем вновь переходящую в акустически узкую трубу с сечением S 4 . Воспользуемся и здесь теорией длинной линии. Заменив в известной формуле звукоизоляции слоя произвольной толщины при нормальном падении звуковых волн характеристический импеданс на соответствующие обратные величины площади трубы, получим формулу звукоизоляции камерного глушителя шума

где k — волновое число. Наибольшего значения звукоизоляция камерного глушителя шума достигает при sin(kl)= 1, т.е. при

где n = 1, 2, 3, … Частота максимальной звукоизоляции

где с — скорость звука в воздухе. Если в таком глушителе используется несколько камер, то формула звукоизоляции должна применяться последовательно от камеры к камере, а суммарный эффект рассчитывается применением, например, метода граничных условий. Эффективные камерные глушители требуют иногда больших габаритных размеров. Но их преимущество состоит в том, что они могут быть эффективны на любых частотах, в том числе низких, где активные глушители практически бесполезны.

Зона большой звукоизоляции у камерных глушителей шума охватывает повторяющиеся достаточно широкие полосы частот, но они имеют также периодические зоны пропускания звука, очень узкие по частоте . Для повышения эффективности и выравнивания частотной характеристики камерный глушитель часто облицовывают изнутри звукопоглотителем .

Заслонка R 5 . Заслонка конструктивно представляет собой тонкую пластину площадью S 5 и толщиной δ 5 , зажимаемую между фланцами трубопровода, отверстие в котором площадью S 5.1 меньше внутреннего диаметра трубы (или др. характерного размера). Звукоизоляция такой дроссельной заслонки

где с — скорость звука в воздухе. В первом способе главный для нас вопрос при разработке нового метода — это оценка точности и надежности результата акустического расчета системы. Определим точность и надежность результата расчета звуковой мощности, поступающейв вентилируемое помещение — в данном случае величины

Перепишем это выражение в следующих обозначениях алгебраической суммы, а именно

Заметим, что абсолютная максимальная ошибка приближенной величины есть максимальная разность между ее точным значением y 0 и приближенным y, то есть ± ε= y 0 - y. Абсолютная максимальная ошибка алгебраической суммы нескольких приближенных величин y i равна сумме абсолютных значений абсолютных ошибок слагаемых:

Здесь принят наименее благоприятный случай, когда абсолютные ошибки всех слагаемых имеют один и тот же знак. В действительности частные ошибки могут иметь различные знаки и быть распределены по разным законам. Наиболее часто на практике погрешности алгебраической суммы распределяются по нормальному закону (распределение Гаусса). Рассмотрим эти погрешности и сопоставим их с соответствующей величиной абсолютной максимальной погрешности. Определим эту величину при предположении, что каждый алгебраический член y 0i суммы распределен по нормальному закону с центром M(y 0i) и стандартом

Тогда сумма также следует нормальному закону распределения с математическим ожиданием

Погрешность алгебраической суммы определится как:

Тогда можно утверждать, что с надежностью, равной вероятности 2Φ(t), погрешность суммы не будет превосходить величины

При 2Φ(t), = 0,9973 имеем t = 3 = α и статистическая оценка при практически максимальной надежности погрешность суммы (формула) Абсолютная максимальная погрешность в этом случае

Таким образом ε 2Φ(t) << ε. Проиллюстрируем это на примере результатов расчета по первому способу. Если для всех элементов имеем ε i = ε= ±3 дБ (удовлетворительная точность исходных данных) и n = 7, то получим ε= ε n = ±21 дБ, а (формула). Результат имеет совершенно неудовлетворительную точность, он неприемлем. Если для всех характерных элементов системы вентиляции воздуха имеем ε i = ε= ±1 дБ (очень высокая точность расчета каждого из элементов n) и тоже n = 7, то получим ε= ε n = ±7 дБ, а (формула).

Здесь результат при вероятностной оценке погрешностей в первом приближении более или менее может быть приемлем. Итак, предпочтительной является вероятностная оценка погрешностей и именно ее следует использовать для выбора «запаса на незнание», который предлагается обязательно применять в акустическом расчете СВКВ для гарантии выполнения допустимых норм шума в вентилируемом помещении (ранее этого не делалось).

Но и вероятностная оценка погрешностей результата свидетельствует в данном случае о том, что достичь высокой точности результатов расчета по первому способу затруднительно даже для очень простых схем и низкоскоростной системы вентиляции. Для простых, сложных, низко- и высокоскоростных схем СВКВ удовлетворительной точности и надежности такого расчета можно достигнуть во многих случаях лишь по второму способу.

Второй способ акустического расчета . На морских судах давно используют способ расчета, основанный частично на аналитических зависимостях, но решающим образом — на экспериментальных данных . Используем опыт таких расчетов на судах для современных зданий. Тогда в вентилируемом помещении, обслуживаемом одним j-м воздухораспределителем, уровни шума L j , дБ, в расчетной точке следует определять по следующей формуле:

где L wi — звуковая мощность, дБ, генерируемая в i-м элементе СВКВ, R i — звукоизоляция в i-м элементе СВКВ, дБ (см. первый способ),

величина, учитывающая влияние помещения на шум в нем (в строительной литературе иногда вместо Q используют B). Здесь r j — расстояние от j-го воздухораспределителя до расчетной точки помещения, Q — постоянная звукопоглощения помещения, а величины χ, Φ, Ω, κ— эмпирические коэффициенты (χ— коэффициент влияния ближнего поля, Ω— пространственный угол излучения источника, Φ— фактор направленности источника, κ— коэффициент нарушения диффузности звукового поля).

Если в помещении современного здания размещены m воздухораспределителей, уровень шума от каждого из которых в расчетной точке равен L j , то суммарный шум от всех них должен быть ниже допустимых для человека уровней шума, а именно:

где L H — санитарная норма шума . По второму способу акустического расчета звуковая мощность L wi , генерируемая во всех элементах СВКВ, и звукоизоляция R i , имеющая место быть во всех этих элементах, для каждого из них находится предварительно экспериментально. Дело в том, что за последние полтора-два десятилетия сильно прогрессировала электронная техника акустических измерений, совмещенная с компьютером .

В результате предприятия, выпускающие элементы СВКВ, должны указывать в паспортах и каталогах характеристики L wi и R i , измеренные в соответствии с национальными и международными стандартами . Таким образом, во втором способе учитывается генерация шума не только в вентиляторе (как в первом способе), но и во всех остальных элементах СВКВ, что для средне- и высокоскоростной систем может иметь существенное значение.

Кроме того, поскольку невозможно рассчитать звукоизоляцию R i таких элементов системы как кондиционеры, отопительные агрегаты, регулирующие и воздухораспределительные устройства, поэтому их в первом способе нет. Но ее можно определить с необходимой точностью путем стандартных измерений, что и делается теперь для второго способа. В итоге, второй способ, в отличие от первого, охватывает практически все схемы СВКВ.

И, наконец, второй способ учитывает влияние свойств помещения на шум в нем, а также значения допустимых для человека шума согласно в данном случае действующих строительных норм и правил . Основной недостаток второго метода состоит в том, что в нем нет учета акустического взаимодействия между элементами системы — интерференционных явлений в трубопроводах.

Суммирование по указанной формуле акустического расчета СВКВ звуковых мощностей источников шума в ваттах, а звукоизоляции элементов в децибелах справедливо лишь, по меньшей мере, когда интерференции звуковых волн в системе нет. А когда интерференция в трубопроводах есть, то она может быть источником мощного звука, на чем основано, например, звучание некоторых духовых музыкальных инструментов.

Второй метод уже вошел в учебное пособие и в методические указания по курсовым проектам строительной акустики для студентов старших курсов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета . Неучет интерференционных явлений в трубопроводах увеличивает «запас на незнание» или требует в ответственных случаях экспериментальной доводки результата до нужной степени точности и надежности.

Для выбора «запаса на незнание» предпочтительной является, как было показано выше для первого способа, вероятностная оценка погрешностей, которую предлагается обязательно применять в акустическом расчете СВКВ зданий для гарантии выполнения допустимых норм шума в помещениях при проектировании современных зданий.

Третий способ акустического расчета . Этот метод учитывает интерференционные процессы в узком трубопроводе длинной линии. Такой учет может кардинально повысить точность и надежность результата. С указанной целью предлагается для узких труб применить «способ импедансов» академика АН СССР и РАН Бреховских Л.М., который он использовал при расчете звукоизоляции произвольного числа плоскопараллельных слоев .

Итак, определим сначала входной импеданс плоскопараллельного слоя толщиной δ 2 , постоянная распространения звука которого γ 2 = β 2 + ik 2 и акустическое сопротивление Z 2 = ρ 2 c 2 . Обозначим акустическое сопротивление в среде перед слоем, откуда падают волны, Z 1 = ρ 1 c 1 , а в среде за слоем имеем Z 3 = ρ 3 c 3 . Тогда звуковое поле в слое, при опущении фактора i ωt, будет представлять собой суперпозицию волн, бегущих в прямом и обратном направлениях, со звуковым давлением

Входной импеданс всей системы слоев (формула) может быть получен простым (n - 1)-кратным применением предыдущей формулы, тогда имеем

Применим теперь, как в первом способе, теорию длинных линий к цилиндрической трубе . И таким образом, при интерференции в узких трубах имеем формулу звукоизоляции в дБ длинной линии системы вентиляции :

Входные импедансы здесь могут быть получены как, в простых случаях, расчетом , так и, во всех случаях, измерением на специальной установке современной акустической аппаратурой . По третьему способу, аналогично первому способу, имеем звуковую мощность, исходящую из воздуховода нагнетания в конце длинной линии СВКВ и поступающую в вентилируемое помещение по схеме:

Далее идет оценка результата, как в первом способе с «запасом на незнание», и уровня звукового давления помещения L, как во втором способе. Окончательно получаем следующую основную формулу акустического расчета системы вентиляции и кондиционирования воздуха зданий:

При надежности расчета 2Φ(t)= 0,9973 (практически высшая степень надежности) имеем t = 3 и величины погрешностей равны 3σ Li и 3σ Ri . При надежности 2Φ(t)= 0,95 (высокая степень надежности) имеем t = 1,96 и величины погрешностей равны примерно 2σ Li и 2σ Ri , При надежности 2Φ(t)= 0,6827 (инженерная оценка надежности) имеем t = 1,0 и величины погрешностей равны σ Li и σ Ri Третий способ, устремленный в будущее, более точен и надежен, но и более сложен — требует высокой квалификации в областях строительной акустики, теории вероятностей и математической статистики, современной измерительной техники.

Его удобно использовать в инженерных расчетах с применением компьютерных технологий. Он, по мнению автора, может быть предложен в качестве нового метода акустического расчета системы вентиляции и кондиционирования воздуха зданий.

Подводя итоги

Решение назревших вопросов разработки нового метода акустического расчета должно учитывать лучшее из уже имеющихся способов. Предлагается такой новый метод акустического расчета СВКВ зданий, который имеет минимальный «запас на незнание"BB, благодаря учету погрешностей методами теории вероятностей и математической статистики и учету интерференционных явлений методом импедансов.

Представленные в статье сведения о новом методе расчета не содержат некоторых необходимых подробностей, полученных дополнительными исследованиями и практикой работы, и которые составляют «ноу-хау» автора. Конечная цель нового метода — обеспечить выбор комплекса средств снижения шума системы вентиляции и кондиционирования воздуха зданий, который увеличивает, по сравнении с существующим, эффективность, уменьшая вес и стоимость СВКВ.

Технические регламенты в области промышленного и гражданского строительства пока отсутствуют, поэтому разработки в области, в частности, снижения шума СВКВ зданий актуальны и должны быть продолжены, по меньшей мере, до принятия таких регламентов .

1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах // М.: Издательство Академии наук СССР. 1957.
2. Исакович М.А. Общая акустика // М.: Издательство «Наука», 1973.
3. Справочник по судовой акустике. Под редакцией И.И. Клюкина и И.И. Боголепова. - Ленинград, «Судостроение», 1978.
4. Хорошев Г.А., Петров Ю.И., Егоров Н.Ф. Борьба с шумом вентиляторов // М.: Энергоиздат, 1981.
5. Колесников А.Е. Акустические измерения. Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электроакустика и ультразвуковая техника» // Ленинград, «Судостроение», 1983.
6. Боголепов И.И. Промышленная звукоизоляция. Предисловие акад. И.А. Глебова. Теория, исследования, проектирование, изготовление, контроль // Ленинград, «Судостроение», 1986.
7. Авиационная акустика. Ч. 2. Под ред. А.Г. Мунина. - М.: «Машиностроение», 1986.
8. Изак Г.Д., Гомзиков Э.А. Шум на судах и методы его снижения // М.: «Транспорт», 1987.
9. Снижение шума в зданиях и жилых районах. Под ред. Г.Л. Осипова и Е.Я. Юдина. - М.: Стройиздат, 1987.
10. Строительные нормы и правила. Защита от шума. СНиП II-12-77. Утверждены постановлением Государственного комитета Совета Министров СССР по делам строительства от 14 июня 1977 г. №72. - М.: Госстрой России, 1997.
11. Руководство по расчету и проектированию шумоглушения вентиляционных установок. Разработано к СНиПу II-12–77 организациями НИИ строительной физики, ГПИ сантехпоект, НИИСК. - М.: Стройиздат, 1982.
12. Каталог шумовых характеристик технологического оборудования (к СНиП II-12–77). НИИ строительной физики Госстроя СССР // М.: Стройиздат, 1988.
13. Строительные нормы и правила Российской Федерации. Защита от шума (Sound protection). СНиП 23-03–2003. Приняты и введены в действие постановлением Госстроя России от 30 июня 2003 г. №136. Дата введения 2004-04-01.
14. Звукоизоляция и звукопоглощение. Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» под ред. Г.Л. Осипова и В.Н. Бобылева. - М.: Издательство АСТ-Астрель, 2004.
15. Боголепов И.И. Акустический расчет и проектирование системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Методические указания к курсовым проектам. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет // Санкт-Петербург. Издательство СПбОДЗПП, 2004.
16. Боголепов И.И. Строительная акустика. Предисловие акад. Ю.С. Васильева // Санкт-Петербург. Издательство Политехнического университета, 2006.
17. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции. Теория, техника и проектирование на рубеже столетий // Санкт-Петербург, Издательство AT-Publishing, 2007.
18. www.integral.ru. Фирма «Интеграл». Расчет уровня внешнего шума систем вентиляции по: СНиПу II-12–77 (ч. II) - «Руководство по расчету и проектированию шумоглушения вентиляционных установок». Санкт-Петербург, 2007.
19. www.iso.org - сайт в Интернете, на котором имеется полная информация о Международной организации по стандартизации ISO, каталог и Интернет-магазин стандартов, через который можно приобрести любой действующий в настоящее время стандарт ISO в электронном или печатном виде.
20. www.iec.ch - сайт в Интернете, на котором имеется полная информация о Международной электротехнической комиссии IEC, каталог и Интернет-магазин ее стандартов, через который можно приобрести действующий в настоящее время стандарт IEC в электронном или печатном виде.
21. www.nitskd.ru.tc358 - сайт в Интернете, на котором имеется полная информация о работе технического комитета ТК 358 «Акустика» Федерального агентства по техническому регулированию, каталог и Интернет-магазин национальных стандартов, через который можно приобрести действующий в настоящее время необходимый российский стандарт в электронном или печатном виде.
22. Федеральный закон от 27 декабря 2002 г. №184-ФЗ «О техническом регулировании» (с изменениями от 9 мая 2005 г.). Принят Государственной Думой 15 декабря 2002 г. Одобрен Советом Федерации 18 декабря 2002 г. О реализации настоящего Федерального закона см. приказ Госгортехнадзора РФ от 27 марта 2003 г. №54.
23. Федеральный закон от 1 мая 2007 г. №65-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «О техническом регулировании».

Инженерно-строительный журнал, N 5, 2010 год
Рубрика: Технологии

Д.т.н., профессор И.И.Боголепов

ГОУ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
и ГОУ Санкт-Петербургский государственный морской технический университет;
магистр А.А.Гладких,
ГОУ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВКВ) - важнейшая система для современных зданий и сооружений. Однако, кроме необходимого качественного воздуха, система транспортирует в помещения шум. Он идет от вентилятора и других источников, распространяется по воздуховоду и излучается в вентилируемое помещение. Шум несовместим с нормальным сном, учебным процессом, творческой работой, высокопроизводительным трудом, полноценным отдыхом, лечением, получением качественной информации . В строительных нормах и правилах России сложилась такая ситуация. Метод акустического расчета СВКВ зданий, использовавшийся в старом СНиПе II-12-77 "Защита от шума " , устарел и не вошел поэтому в новый СНиП 23-03-2003 "Защита от шума " . Итак, старый метод устарел, а нового общепризнанного пока нет . Ниже предлагается простой приближенный способ акустического расчета СВКВ в современных зданиях, разработанный с использованием лучшего производственного опыта, в частности, на морских судах .

Предлагаемый акустический расчет основан на теории длинных линий распространения звука в акустически узкой трубе и на теории звука помещений с практически диффузным звуковым полем . Он выполняется с целью оценки уровней звукового давления (далее - УЗД) и соответствия их значений действующим нормам допустимого шума . Он предусматривает определение УЗД от СВКВ вследствие работы вентилятора (далее - "машина") для следующих типовых групп помещений:

1) в помещении, где расположена машина;

2) в помещениях, через которые воздуховоды проходят транзитом;

3) в помещениях, обслуживаемых системой.

Исходные данные и требования

Расчет, проектирование и контроль защиты людей от шума предлагается выполнять для наиболее важных для человеческого восприятия октавных полос частот, а именно: 125 Гц, 500 Гц и 2000 Гц. Октавная полоса частот 500 Гц является среднегеометрической величиной в диапазоне нормируемых по шуму октавных полос частот 31,5 Гц - 8000 Гц . Для постоянного шума расчет предусматривает определение УЗД в октавных полосах частот по уровням звуковой мощности (УЗМ) в системе. Величины УЗД и УЗМ связаны общим соотношением = - 10, где - УЗД относительно порогового значения 2·10 Н/м; - УЗМ относительно порогового значения 10 Вт; - площадь распространения фронта звуковых волн, м.

УЗД должны определяться в расчетных точках нормируемых по шуму помещений по формуле = + , где - УЗМ источника шума. Величина , учитывающая влияние помещения на шум в нем, рассчитывается по формуле:

где - коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля; - пространственный угол излучения источника шума, рад.; - коэффициент направленности излучения, принимается по экспериментальным данным (в первом приближении равен единице); - расстояние от центра излучателя шума до расчетной точки в м; = - акустическая постоянная помещения, м; - средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей помещения; - суммарная площадь этих поверхностей, м; - коэффициент, учитывающий нарушение диффузного звукового поля в помещении.

Указанные величины, расчетные точки и нормы допустимого шума регламентируются для помещений различных зданий СНиПом 23-03-2003 "Защита от шума " . Если расчетные значения УЗД превосходят норму допустимого шума хотя бы в одной из указанных трех полос частот, то необходимо спроектировать мероприятия и средства снижения шума.

Исходными данными для акустического расчета и проектирования СВКВ являются:

- компоновочные схемы, применяемые в конструкции сооружения; размеры машин, воздуховодов, регулирующей арматуры, колен, тройников и воздухораспределителей;

- скорости движения воздуха в магистралях и ответвлениях - по данным технического задания и аэродинамического расчета;

- чертежи общего расположения помещений, обслуживаемых СВКВ - по данным строительного проекта сооружения;

- шумовые характеристики машин, регулирующей арматуры и воздухораспределителей СВКВ - по данным технической документации на эти изделия.

Шумовыми характеристиками машины являются следующие уровни УЗМ воздушного шума в октавных полосах частот в дБ: - УЗМ шума, распространяющегося от машины в воздуховод всасывания; - УЗМ шума, распространяющегося от машины в воздуховод нагнетания; - УЗМ шума, излучаемого корпусом машины в окружающее пространство. Все шумовые характеристики машины определяются в настоящее время на основании акустических измерений по соответствующим национальным или международным стандартам и другим нормативным документам .

Шумовые характеристики глушителей, воздуховодов, регулируемой арматуры и воздухораспределителей представлены УЗМ воздушного шума в октавных полосах частот в дБ:

- УЗМ шума, генерируемого элементами системы при прохождении потока воздуха через них (генерация шума); - УЗМ шума, рассеиваемого или поглощаемого в элементах системы при прохождении через них потока звуковой энергии (снижение шума).

Эффективность генерации и снижения шума элементами СВКВ определяются на основании акустических измерений. Подчеркнем, что значения величин и должны быть указаны в соответствующей технической документации.

Должное внимание уделяется при этом точности и надежности акустического расчета, которые закладываются в погрешность результата величинами и .

Расчет для помещений, где установлена машина

Пусть в помещении 1, где установлена машина, имеется вентилятор, уровень звуковой мощности которого, излучаемый в трубопровод всасывания, нагнетания и через корпус машины, есть величины в дБ , и . Пусть у вентилятора на стороне трубопровода нагнетания установлен глушитель шума с эффективностью глушения в дБ (). Рабочее место находится на расстоянии от машины. Разделяющее помещение 1 и помещение 2 стена находится на расстоянии от машины. Постоянная звукопоглощения помещения 1: = .

Для помещения 1 расчет предусматривает решение трех задач.

1-я задача . Выполнение нормы допустимого шума .

Если всасывающий и нагнетательный патрубки выведены из помещения машины, то расчет УЗД в помещении, где она расположена, производится по следующим формулам.

Октавные УЗД в расчетной точке помещения определяются в дБ по формуле:

где - УЗМ шума, излучаемого корпусом машины с учетом точности и надежности с помощью . Величина , указанная выше, определяется по формуле:

Если в помещении размещены n источников шума, УЗД от каждого из которых в расчетной точке равны , то суммарный УЗД от всех их определяется по формуле:

В результате акустического расчета и проектирования СВКВ для помещения 1, где установлена машина, должно быть обеспечено выполнение в расчетных точках норм допустимого шума .

2-я задача. Расчет величины УЗМ в воздуховоде нагнетания из помещения 1 в помещение 2 (помещение, через который воздуховод проходит транзитом), а именно величины в дБ производится по формуле

3-я задача. Расчет величины УЗМ, излучаемой стенкой площадью со звукоизоляцией помещения 1 в помещение 2, а именно величины в дБ, выполняется по формуле

Таким образом, результатом расчета в помещении 1 является выполнение норм по шуму в этом помещении и получение исходных данных для расчета в помещении 2.

Расчет для помещений, через которые воздуховод проходит транзитом

Для помещения 2 (для помещений, через которые воздуховод проходит транзитом) расчет предусматривает решение следующих пяти задач.

1-я задача. Расчет звуковой мощности, излучаемой стенками воздуховода в помещение 2, а именно определение величины в дБ по формуле:

В этой формуле: - см. выше 2-ю задачу для помещения 1;

=1,12 - эквивалентный диаметр сечения воздуховода с площадью поперечного сечения ;

- длина помещения 2.

Звукоизоляция стенок цилиндрического воздуховода в дБ рассчитывается по формуле:

где - динамический модуль упругости материала стенки воздуховода, Н/м;

- внутренний диаметр воздуховода в м;

- толщина стенки воздуховода в м;


Звукоизоляция стенок воздуховодов прямоугольного сечения рассчитывается по следующей формуле в ДБ:

где = - масса единицы поверхности стенки воздуховода (произведение плотности материала в кг/м на толщину стенки в м);

- среднегеометрическая частота октавных полос в Гц.

2-я задача. Расчет УЗД в расчетной точке помещения 2, находящейся на расстоянии от первого источника шума (воздуховод) выполняется по формуле, дБ:

3-я задача. Расчет УЗД в расчетной точке помещения 2 от второго источника шума (УЗМ, излучаемой стеной помещения 1 в помещение 2, - величина в дБ) выполняется по формуле, дБ:

4-я задача. Выполнение нормы допустимого шума .

Расчет ведется по формуле в дБ:

В результате акустического расчета и проектирования СВКВ для помещения 2, через которое воздуховод проходит транзитом, должно быть обеспечено выполнение в расчетных точках норм допустимого шума . Это первый результат.

5-я задача. Расчет величины УЗМ в воздуховоде нагнетания из помещения 2 в помещение 3 (помещение, обслуживаемое системой), а именно величины в дБ по формуле:

Величина потерь на излучение звуковой мощности шума стенками воздуховодов на прямолинейных участках воздуховодов единичной длины в дБ/м представлена в таблице 2. Вторым результатом расчета в помещении 2 является получение исходных данных для акустического расчета системы вентиляции в помещении 3.

Расчет для помещений, обслуживаемых системой

В помещениях 3, обслуживаемых СВКВ (для которых система в конечном счете и предназначена), расчетные точки и нормы допустимого шума принимаются в соответствии со СНиП 23-03-2003 "Защита от шума " и техническим заданием.

Для помещения 3 расчет предусматривает решение двух задач.

1-я задача. Расчет звуковой мощности, излучаемой воздуховодом через выпускное воздухораспределительное отверстие в помещение 3, а именно определение величины в дБ, предлагается выполнять следующим образом.

Частная задача 1 для низкоскоростной системы со скоростью воздуха v << 10 м/с и = 0 и трех типовых помещений (см. ниже пример акустического расчета) решается с помощью формулы в дБ:

Здесь



() - потери в глушителе шума в помещении 3;

() - потери в тройнике в помещении 3 (см. ниже формулу);

- потери в результате отражения от конца воздуховода (см. таблицу 1 ).

Общая задача 1 состоит в решении для многих из трех типовых помещений с помощью следующей формулы в дБ:



Здесь - УЗМ шума, распространяющегося от машины в воздуховод нагнетания в дБ с учетом точности и надежности величиной (принимается по данным технической документации на машины);

- УЗМ шума, генерируемого воздушным потоком во всех элементах системы в дБ (принимается по данным технической документации на эти элементы);

- УЗМ шума, поглощающегося и рассеивающегося при прохождении потока звуковой энергии через все элементы системы в дБ (принимается по данным технической документации на эти элементы);

- величина, учитывающая отражение звуковой энергии от концевого выходного отверстия воздуховода в дБ, принимается по таблице 1 (эта величина равна нулю, если уже включает в себя );

- величина, равная 5 дБ для низкоскоростной СВКВ (скорость воздуха в магистралях меньше 15 м/с), равная 10 дБ для среднескоростной СВКВ (скорость воздуха в магистралях меньше 20 м/с) и равная 15 дБ для высокоскоростной СВКВ (скорость в магистралях меньше 25 м/с).

Таблица 1. Величина в дБ. Октавные полосы

Расчет вентиляции

В зависимости от способа перемещения воздуха вентиляция бывает естественная и принудительная.

Параметры воздуха, поступающего в приемные отверстия и проемы местных отсосов технологических и других устройств, которые расположены в рабочей зоне, следует принимать в соответствии с ГОСТ 12.1.005-76. При размерах помещения 3 на 5 метров и высоте 3 метра, его объем 45 куб.м. Следовательно, вентиляция должна обеспечивать расход воздуха в 90 куб.м/час. В летнее время следует предусмотреть установку кондиционера с целью избежания превышения температуры в помещении для устойчивой работы оборудования. Необходимо уделить должное внимание количеству пыли в воздухе, так как это непосредственно влияет на надежность и ресурс эксплуатации ЭВМ.

Мощность (точнее мощность охлаждения) кондиционера является главной его характеристикой, от неё зависит на какой объем помещения он рассчитан. Для ориентировочных расчетов берется 1 кВт на 10 м 2 при высоте потолков 2,8 - 3 м (в соответствии со СНиП 2.04.05-86 "Отопление, вентиляция и кондиционирование").

Для расчета теплопритоков данного помещения использована упрощенная методика:

где:Q - Теплопритоки

S - Площадь помещения

h - Высота помещения

q - Коэффициент равный 30-40 вт/м 3 (в данном случае 35 вт/м 3)

Для помещения 15 м 2 и высотой 3 м теплопритоки будут составлять:

Q=15·3·35=1575 вт

Кроме этого следует учитывать тепловыделение от оргтехники и людей, считается (в соответствии со СНиП 2.04.05-86 "Отопление, вентиляция и кондиционирование") что в спокойном состоянии человек выделяет 0,1 кВт тепла, компьютер или копировальный аппарат 0,3 кВт, прибавив эти значения к общим теплопритокам можно получить необходимую мощность охлаждения.

Q доп =(H·S опер)+(С·S комп)+(P·S принт) (4.9)

где:Q доп - Сумма дополнительных теплопритоков

C - Тепловыделение компьютера

H - Тепловыделение оператора

D - Тепловыделение принтера

S комп - Количество рабочих станций

S принт - Количество принтеров

S опер - Количество операторов

Дополнительные теплопритоки помещения составят:

Q доп1 =(0,1·2)+(0,3·2)+(0,3·1)=1,1(кВт)

Итого сумма теплопритоков равна:

Q общ1 =1575+1100=2675 (Вт)

В соответствии с данными расчетами необходимо выбрать целесообразную мощность и количество кондиционеров.

Для помещения, для которого ведется расчет, следует использовать кондиционеры с номинальной мощностью 3,0 кВт.

Расчет уровня шума

Одним из неблагоприятных факторов производственной среды в ИВЦ является высокий уровень шума, создаваемый печатными устройствами, оборудованием для кондиционирования воздуха, вентиляторами систем охлаждения в самих ЭВМ.

Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте оператора.

Уровень шума, возникающий от нескольких некогерентных источников, работающих одновременно, подсчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников:

L = 10·lg (Li n), (4.10)

где Li - уровень звукового давления i-го источника шума;

n - количество источников шума.

Полученные результаты расчета сравнивается с допустимым значением уровня шума для данного рабочего места. Если результаты расчета выше допустимого значения уровня шума, то необходимы специальные меры по снижению шума. К ним относятся: облицовка стен и потолка зала звукопоглощающими материалами, снижение шума в источнике, правильная планировка оборудования и рациональная организация рабочего места оператора.

Уровни звукового давления источников шума, действующих на оператора на его рабочем месте представлены в табл. 4.6.

Таблица 4.6 - Уровни звукового давления различных источников

Обычно рабочее место оператора оснащено следующим оборудованием: винчестер в системном блоке, вентилятор(ы) систем охлаждения ПК, монитор, клавиатура, принтер и сканер.

Подставив значения уровня звукового давления для каждого вида оборудования в формулу (4.4) , получим:

L=10·lg(104+104,5+101,7+101+104,5+104,2)=49,5 дБ

Полученное значение не превышает допустимый уровень шума для рабочего места оператора, равный 65 дБ (ГОСТ 12.1.003-83). И если учесть, что вряд ли такие периферийные устройства как сканер и принтер будут использоваться одновременно, то эта цифра будет еще ниже. Кроме того при работе принтера непосредственное присутствие оператора необязательно, т.к. принтер снабжен механизмом автоподачи листов.