Экспериментальные исследования шума в аналоге крупногабаритных воздушных каналов

3/2011_МГСу ТНИК

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА В АНАЛОГЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ВОЗДУШНЫХ КАНАЛОВ

EXPERIMENTAL STUDY OF NOISE IN CHANNELS LIKE LARGE-SIZED AIR DUCTS

M. А. Солодова

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН

Приводятся результаты измерений уровней звукового давления, создаваемого всенаправленным источником, по всей длине импровизированного канала. Получено представление о величине снижения звуковой энергии на его прямых участках, поворотах и сужении.

The results of measurements of sound pressure levels produced by an omni-directional source, the entire length of the improvised channel. Get an idea of the value of reducing the acoustic energy at its straights, bends and narrowing.

Под габаритами воздушных каналов понимаются, как правило, их поперечные размеры. Воздушные каналы малых и средних размеров (до 1,5-2,0 м) широко используются в сетях общеобменной вентиляции. Это металлические воздуховоды, включающие прямые участки, повороты, отводы, разветвления. Крупногабаритные воздушные каналы (КВК) с поперечными размерами более 2,0-2,5 м используются в метрополитене, в системах дутья котлов ТЭЦ. В системах общеобменной вентиляции они также применяются, но преимущественно на крупных объектах.

Ограждения КВК могут быть из кирпича, железобетонных плит (иногда облицованных кирпичом), из различных бетонных блоков. Каналы всех размеров объединяет наличие в них шума, который распространяется по ним от его источников (в основном от вентиляторов, воздуходувок) и излучается их открытыми концами (устьями дымовых труб, воздухозаборными и выбросными шахтами) в окружающее пространство, воздействуя на здания различного назначения и территории городской застройки [1, 2]. Достаточно точно оценить звуковую мощность названных наружных источников и шумовое воздействие на окружающую среду можно при известных шумовых характеристиках первичных источников, если известны закономерности распространения шума в тех или иных воздушных каналах (например, характер звукового поля), и, как следствие, зависимая от частоты величина снижения (затухания) уровня потока звуковой энергии.

Исходя из общепринятого представления, поток звуковой энергии уменьшается как на прямых участках канала, так и в различных его элементах. Шум в гладких каналах снижается, во-первых, из-за вязкого трения на стенках, вследствие чего происходит переход энергии колебаний в теплоту, во-вторых, из-за акустической реакции конструкций каналов, вызывающих отражение звука обратно к источнику. Такие их эле-

ВЕСТНИК 3/2011

менты, как повороты, разветвления, изменения поперечного сечения, камеры, а также прямые участки с ребристой поверхностью (с переменным сечением), обладают не только гидравлическим сопротивлением, но и сопротивлением при распространении звука. В них происходит отражение части звуковой энергии обратно к источнику шума и рассеивание звуковых волн.

Методика расчета снижения уровня звуковой мощности в малых и средних вентиляционных каналах, описывается волновым уравнением и хорошо проработана [3]. Распространение и снижение шума в крупногабаритных каналах особенно с поперечными размерами, значительно превышающими длины полуволн исследуемого диапазона частот, физические процессы отличаются от происходящих в каналах малых и средних размеров, вместе с тем, по ряду причин изучены недостаточно. Наиболее важной причиной этого является отсутствие доступа к реальным каналам на действующих или строящихся объектах для обследования, тем более, для проведения каких-либо измерений. Практически единственный путь изучения вопроса - использование для экспериментальных исследований аналогов КВК.

В качестве одного из таких аналогов нами был использован длинный коридор на третьем этаже акустического корпуса НИИСФ РААСН. Форма, продольные и поперечные размеры этого аналога КВК - коридора представлены в работе [4]. Коридор имеет два прямоугольных поворота, а его общая длина около 45 м. За вторым поворотом площадь его поперечного сечения несколько уменьшается. В середине коридор имеет сужение до дверного проема с размерами 1,6 х 2,0 м. Стены коридора кирпичные, оштукатуренные и окрашенные масляной краской. Потолок подвесной - слой гипсокартона по металлическому каркасу на относе. Поверхность потолка окрашена водоэмульсионной краской. Пол коридора покрыт керамической плиткой.

В связи с тем, что импровизированный канал имеет геометрические параметры и акустические характеристики такие же, как у реальных КВК, есть основание ожидать в них идентичность физических процессов. Таким образом, появилась возможность для исследования шума в КВК, изучения характера звукового поля и процесса распространения звуковой энергии.

Существуют различные подходы к описанию процесса распространения звука в каналах. Более точные теории, сводящиеся к теории акустического волновода с потерями, решают вопрос о затухании звуковых при скольжении вдоль поглощающих стенок акустических волноводов. Однако, они достаточно сложные для инженерных расчетов. Наиболее простой является статистическая энергетическая теория, в представлении которой рассматривается просто некий поток энергии, распространяющийся по каналу [5]. Она может быть использована, если в канале существует диффузное звуковое поле, характеризующееся изотропностью и однородностью. Экспериментальные данные, полученные в работе [4], свидетельствуют о том, что звуковое поле в канале с приведенными размерами аналога на частотах выше граничной частоты (у = с/2 а ,

где С - скорость звука, а - наибольший размер поперечного сечения канала) можно охарактеризовать как близкое к диффузному или квазидиффузное. Некоторое представление об изотропности и однородности поля дают результаты измерений УЗД в девяти сечениях канала (корректированные УЗД в шести точках четырех сечениях приведены на рис. 1). В диапазоне самых низких частот (в полосе частот первой октавы) распространяется только плоская звуковая волна, на фронте которой УЗМ не изменяются. Этот диапазон расположен ниже одной из граничных частот нашего прямоугольного канала, которая равна 55 Гц и находится в полосе частот второй октавы. Выше указанной частоты звуковую энергию несут косые моды, число которых сначала

(с ростом частоты) ограничено и они оказывают разное воздействие на измерительные точки. С повышением частоты их число быстро возрастает и воздействие на каждую из точек выравнивается (звуковое поле становится однородным). Результаты исследований отнесены в пользу справедливости использования статистической энергетической теории для описания процесса распространения звука в КВК и разработки достаточно простых методов расчета при некотором упрощении расчетной модели отраженного звукового поля [6].

I

III

87,6

$7,4

88.ъ 88,6 В7.2

? Т

Ш

ш

V,I

7¥ $

Щ7 Ш7 Щ*

ф I 51

Ш

I

? т

Риг ) - Сечении «счала (тгта оперений!

В данной работе ставится задача определить относительно плавное изменение уровня звукового давления по длине канала и затухание уровня потока звуковой энергии. Кстати, эти понятия часто ошибочно отождествляют. Так, например, при движении плоской звуковой волны по каналу общее количество звуковой энергии, которую она несет, уменьшается, но это не обязательно означает уменьшение УЗД. В сужающемся канале УЗД может увеличиваться вследствие увеличения плотности звуковой энергии, а общий поток энергии при этом затухать. В расширяющемся канале, наоборот, плотность энергии и УЗД могут уменьшаться быстрее, чем общая звуковая энергия (мощность). Затухание звука (снижение уровня звуковой энергии) на участке канала с переменным сечением равно:

М№ = А - Ь2 + 101ё V ^

где Ь1, Ь2 - средние УЗД в начальном и конечном по ходу звуковых волн сечениях

1; 51,52 - площади поперечных сечений соответственно в

начальном и конеч-

ном сечении канала.

В качестве излучателя энергии в канал - источника (ИШ) широкополосного так называемого розового шума использован всенаправленный источник звука типа Д 301 (додекаэдр). Он располагался на высоте 0,5 м от пола и на расстоянии 1,8 м от торцевой стены с металлической дверью в заглушённую камеру (рис. 2). Стена является отражателем, т.е. дополнительным (вторичным) излучателем шума, распределенным по сечению канала.

Измерения УЗД проводились по всей длине канала в 80 точках (расположение каждой из них показано на рис. 2). Расстояние между измерительными точками строго фиксировалось и составляло 0,6 м, микрофон располагался на высоте 1,5 мот пола и направлялся в сторону источника шума.

Рис. 2. План импровизированного канала

По результатам измерений можно отметить в основном следующее: 1. Звуковая энергия на прямом участке длиной 9-10 м (между измерительными точками 27-42) изменилась не существенно. Как видно на рис. 3, снижение уровней шума в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 1258000 Гц (в 3-9 октавах) составило 1-3 дБ.

На первом повороте снижение уровней шума в 4-9 октавах составило 4-5 дБ (рис. 4). Видно, что в третьей октаве уровни шума меняются более значительно на 8 дБ. Подобная картина наблюдается на втором и третьем поворотах.

Максимальное снижение уровня шума (звуковой энергии) получено на сужении канала (рис. 5). Оно составило 5-8 дБ, причем во всем измеряемом диапазоне частот. Как ожидалось, перед входом в повороты и сужение звуковая мощность несколько возрастает за счет отражений.

На всей длине канала корректированный уровень звукового давления снизился значительно, спад уровня звука составил 18,5 дБ А. При этом уровень звуковой мощности снизился на 20,5 дБ А.

2. 3.

4.

5.

6. 7.

Ц дБ

Ц дБ

Ц ДБ

90 85 -80 -75 70

—-—

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 УЗ в

дБ А

-30 — Ж— 33

-36 —39

Рис. 3 - Уровни шума в точках: 27, 30, 33, 36, 39, 42

8

т

+

ж

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Гц УЗ в

дБ А

-14 —О—16 —О—18 -Ж-20 ——22 —1— 24 26

Рис. 4 - Уровни шума в точках: 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26

1

(ж? + X

V/. Ту

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 ГЧ УЗ в

ДБ А

Рис. 5 - Уровни шума в точках: 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48

65

60

95

90

85

80

75

70

65

90

85

80

75

70

65

60

ВЕСТНИК 3/2011

-D-6 -0-31 -Ж-51 —О— 69 —•— 78

Рис. 6 - Уровни шума в точках: 6, 31, 51, 69, 78

Литература

1. Гусев В.П. Снижение шума в газовоздушных трактах энергетических объектов / В.П. Гусев // Архитектурная и строительная акустика. Шумы и вибрации: сб. тр. XI сес. Российского акустического общества. - М., 2001. - Т.4. - С. 31-42.

2. Гусев В.П. Определение уровней шума газовоздушных систем ТЭЦ на территории застройки / В.П. Гусев // Архитектурная и строительная акустика. Шумы и вибрации: сб. тр. XI сес. Российского акустического общества. - М., 2001. - Т.4. - С. 25-30.

3. Юдин Е.Я., Терехин А.С. Борьба с шумом шахтных вентиляторных установок // М.: Недра,

1985.

4. Гусев В.П., Солодова М.А. К вопросу о распространении шума в крупногабаритных газовоздушных каналах // Academia. Архитектура и строительство. 2010. С. 211-219

5. Леденев, В.И. Статистические энергетические методы расчета шумовых полей при проектировании производственных зданий /В.И. Леденев - Тамбов, 2000. - 156 с.

6. Гусев В.П., Солодова М. А. Активные методы компенсации звукового поля и их возможности при реализации в воздушных каналах систем вентиляции.

Literature

1. Gusev V.P. Noise reduction in gas-energy paths of objects / V.P. Gusev // Architectural and building acoustics. Noise and vibration: Sb. tr. XI session by the Russian Acoustical Society. - M., 2001. - T.4. - pp. 31-42.

2. Gusev V.P. Determination of levels of noise gas-systems Thermoelectric plant on the territory of the-construction / V.P. Gusev // Architectural and building acoustics. Noise and vibration: Sb. tr. XI session by Russian Acoustical Society. - M., 2001. - T.4. - pp. 25-30.

3. Yudin E.Y., Terekhin A.S. Noise control mine fan installations // Moscow: Nedra, 1985.

4. Gusev V.P., Solodova M.A. On the Issue on distribution of noise in large-sized air-gas ducts // Academia. Architecture and Construction. 2010. pp. 211-219.

5. Ledenev V.I. Statistical methods for calculating the energy of noise fields in the design of industrial buildings / V.I. Ledenev - Tambov, 2000. - p. 156.

6. Gusev V.P., Solodova M.A. Active compensation methods of the sound field and its possibilities for implementation in the air ducts of ventilation systems.

Ключевые слова: глушитель, звуковые волны, источник шума, звуковое давление, газовоздушный канал, первичный источник, вторичный источник, вентилятор, микрофон.

Keywords: silencer, sound waves, noise source, sound pressure, air-gas channel, primary source, secondary source, fan, microphone.

E-mail gusevw@rambler.ru, marina.solod@rambler.ru, gsiad@mail.tambov.ru