Пластинчатые глушители шума вентиляционных установокОпубликовано: 03.09.2018 Summary: Пластинчатые глушители шума вентиляционных установок Акустические и аэродинамические характеристикиОписание:Для снижения шума систем вентиляции, распространяющегося по воздуховодам от вентилятора, а также от фасонных элементов и путевой арматуры, предназначены разнообразные шумоглушители. Их применяют в тех случаях, когда рациональным выбором параметров вентиляционной системы, ее соответствующей компоновкой, использованием малошумного вентилятора нельзя добиться уровня звукового давления, допустимого для данного помещения, зоны или объекта. Акустические и аэродинамические характеристикиВ. П. Гусев , доктор техн. наук, зав. лаб. защиты от шума вентиляционного и инженерно-технологического оборудования; М. Ю. Лешко , старший научный сотрудник, НИИСФ Для снижения шума систем вентиляции, распространяющегося по воздуховодам от вентилятора, а также от фасонных элементов и путевой арматуры, предназначены разнообразные шумоглушители. Их применяют в тех случаях, когда рациональным выбором параметров вентиляционной системы, ее соответствующей компоновкой, использованием малошумного вентилятора нельзя добиться уровня звукового давления, допустимого для данного помещения, зоны или объекта. В общем, выбор конструкции глушителя зависит от спектра требуемого снижения шума, размеров воздуховода и допустимой скорости воздушного потока в нем, имеющегося запаса по давлению в сети, располагаемого места для его установки. Поскольку указанные элементы вентиляционных систем излучают аэродинамический шум с широкополосным спектром, для его снижения наиболее пригодны абсорбционные глушители (со звукопоглощающим материалом), обеспечивающие удовлетворительную эффективность в том же широком диапазоне частот. Это, прежде всего, трубчатые и пластинчатые глушители [1]. Конструктивно простые трубчатые глушители (круглые и прямоугольные) эффективны в воздуховодах с небольшими поперечными размерами (до 450–500 мм). Затухание в трубчатом глушителе зависит от длины активной части, периметра проходного сечения, равного периметру воздуховода, толщины слоя звукопоглощающего материала (ЗПМ) и коэффициента звукопоглощения ЗПМ, зависящего от его физико-механических свойств. При увеличении слоя ЗПМ эффективность трубчатого глушителя возрастает на низких частотах (наиболее важный с точки зрения шумоглушения диапазон). Поэтому для обеспечения требуемого снижения шума бывает достаточно, например, вместо глушителя длиной 1 м с толщиной слоя ЗПМ 50 мм установить глушитель длиной 0,5 м, но с толщиной слоя ЗПМ 100 мм. Для увеличения затухания в воздуховодах с большими поперечными размерами прибегают к равномерному распределению ЗПМ по их сечению. Этот принцип использован в пластинчатом глушителе. Толщина пластин 2 d и расстояние между ними 2d0 часто сохраняются по всему сечению канала. Исключение составляет расстояние между крайней пластиной и корпусом (кожухом) глушителя, равное d0. При схеме с крайними пластинами, установленными вплотную к стенкам корпуса, их толщина должна быть равной d – половине толщины других пластин. Эффективность пластинчатого глушителя D Lгл зависит от физико-механических свойств ЗПМ, величины его сопротивления продуванию, типа и толщины слоя ЗПМ, расстояния между поглощающими поверхностями и от других параметров. В то же время она практически не зависит от количества пластин (каналов для воздуха), а также от высоты пластин и от схемы компоновки глушителя [2]. Зависимость эффективности глушителя от расстояния между пластинами 2d0 показана на рис. 1. В глушителях длиной 2 000 мм использовались пластины с защитным слоем ЗПМ (супертонкого стекловолокна, r зпм = 20 кг/м3) из стекло-ткани марки ЭЗ–100 и перфорированного листа (диаметр отверстий 6 мм, шаг 12 мм).
На рисунке видно, что с уменьшением 2d0, т. е. с уменьшением фактора свободной площади глушителя ( jсв), эффективность возрастает. Фактор свободной площади – это относительное свободное сечение глушителя (в процентах). Если расстояние между пластинами (2d0) остается неизменным, а толщина пластин (2 d) увеличивается (при j св = const), область максимального затухания смещается в сторону более низких частот. Это иллюстрирует рис. 2, на котором представлены спектрограммы эффективностей пластинчатых глушителей. Видно, что по мере увеличения толщины пластин эффективность увеличивается в низкочастотном диапазоне частот.
Приведенные на рис. 2 данные получены по результатам испытаний трех пластинчатых глушителей с длиной активной части 980 мм. Толщина пластин: 100, 200 и 400 мм, расстояние между пластинами, соответственно, 100, 200 и 400 мм. ЗПМ – маты из базальтового супертонкого волокна (БСТВ) (плотность 12,6 кг/м3). Защитное покрытие ЗПМ от выдувания и механических повреждений – стеклоткань типа Э3–100 + перфорированный стальной оцинкованный лист с диаметром отверстий 10 мм (процент перфорации 20 %). С увеличением плотности ЗПМ ( rзпм) и связанного с ней сопротивления продуванию r максимум эффективности уменьшается по абсолютной величине, однако область высоких значений D Lгл резко расширяется в обе стороны. Дальнейшее увеличение плотности ЗПМ ведет к увеличению реактивной составляющей акустического импеданса слоя материала и тем самым к снижению эффективности в диапазоне низких и средних частот и к некоторому ее повышению на высоких частотах [2].
Для заданной толщины поглощающего слоя существует оптимальное значение сопротивления продуванию rопт данного материала, которому соответствует область высоких значений D Lгл. В частности, для локально реагирующего и изотропного слоя толщиной 250 мм из супертонкого стеклянного волокна (СТВ) и базальтового супертонкого волокна (БСТВ) rопт составляет около 0,23 см-1. Это соответствует объемной плотности 18–21 кг/м3 при диаметре волокна 1–3 мкм. Для очень рыхлых ( rзпм = 5 кг/м3) волокнистых материалов величина r в продольном направлении влияет на величину D Lгл только в резонансной области частот. С увеличением r зпм пик эффективности уменьшается по абсолютной величине и сдвигается в сторону высоких частот [2]. Волокнистые ЗПМ типа СТВ, БСТВ и другие могут применяться в глушителях только с акустически прозрачными защитными покрытиями. Наиболее распространенными покрытиями, применявшимся несколько десятилетий, были металлические перфорированные листы в сочетании со стеклотканями, пленками или с тонким слоем войлока ПВХ. Акустические свойства перфорированного покрытия (листа) характеризуются импедансом (его действительной и мнимой компонентами) или его эффективной массой, величина которой зависит от диаметра отверстий, их шага и толщины листа [3]. Импеданс покрытия (Zпок) существенно зависит от того, насколько плотно лист прилегает к поверхности слоя ЗПМ. Когда имеется зазор в 2–3 мм, действительную компоненту импеданса принимают равной нулю, а мнимую компоненту определяют из выражения [4]: где d – концевая поправка к толщине перфорированного покрытия, см; h – коэффициент перфорации, %; l0 – толщина листа, см; k – волновое число для воздуха, см-1. Для круглого отверстия диаметром (dотв) концевую поправку при h ≤ 10 % определяют по приближенной формуле При плотном контакте перфорированного покрытия и слоя волокнистого поглотителя импеданс Zпок зависит не только от величины h , dотв, l0 и d , но и от структурной характеристики материала. В последнее время небольшие пластины изготавливают с защитным слоем без перфорированного листа. Для этого используют плиты ЗПМ, кашированные стеклохолстом. В результате в диапазоне высоких частот эффективность глушителей несколько повышается, а в низкочастотном диапазоне понижается. У изготовителей глушителей часто возникает важный практический вопрос, связанный с акустической эквивалентностью звукопоглощающих материалов. Периодически по разным причинам требуется замена одного ЗПМ на другой и прогнозирование эффективности глушителя с новым материалом, которая, как минимум, не должна снижаться. Для решения данной задачи существует простое выражение. Оно получено на основе предпосылки, что волокнистый материал 1 с плотностью r 1, кг/м3, и диаметром волокна d1, мкм, является акустически эквивалентным материалу 2 с плотностью r 2 и диаметром d2 при условии равенства их импедансов, т. е. Импеданс слоя толщиной l, расположенный на жестком основании, может быть рассчитан по выражению: где W – волновое сопротивление; g – постоянная распространения звука в волокнистой среде, 1/м. Для решения равенства (3) с учетом (4) используются эмпирические формулы для величин W и g в их комплексной форме, полученные в работах [5, 6]: где k = 2 pf/c0 – волновое число, 1/м; f – частота звука, Гц; c0 – скорость звука в воздухе, м/с; Q – безразмерная структурная характеристика, вычисляемая из выражения: где m = 185 х 105 – коэффициент динамической вязкости, Па с; r0 – плотность воздуха, кг/м3; q0 – множитель, равный q0 = 1 + 0,25 × 104 / (1 – H)2, где H = 1 – r / r в – пористость; rв – плотность материала волокна, кг/м3. Тогда равенство (3) с учетом (4)– (7) может быть сведено к равенству Q1 = Q2, которое может быть записано в виде: Выражение (8) позволяет определить объемную плотность выбранного нового ЗПМ, которым можно заменить в пластинчатом глушителе с заданной эффективностью существующий ЗПМ. Для этого достаточно определить или знать диаметр и плотность волокон нового ЗПМ. Например, чтобы эффективность глушителя, где в качестве ЗПМ использована минеральная вата ( r1 = 80 кг/м3, d1 = 10 мкм, плотность материала волокна r в1 = 2 600 кг/м3), не претерпела существенных изменений в заданном диапазоне частот, при замене ее на стекловолокно марки «Изовер» (d2 = 5,5 мкм, r в2 = 2 450 кг/м3) плотность последнего r 2 должна быть около 40 кг/м3. Для подтверждения справедливости данного вывода на рис. 3 представлены экспериментальные данные. На нем сравниваются эффективности глушителя с пластинами 100 мм, установленными на расстоянии 100 мм, и глушителя с пластинами 200 мм, установленными на расстоянии 200 мм, заполненными минеральной ватой, с эффективностями идентичных глушителей, в которых в качестве ЗПМ использовано стекловолокно марки «Изовер». Там же приводится плотность материалов. Длина активной части испытываемых глушителей – 950 мм. Видно, что ожидаемый результат достигнут. При замене в звукопоглощающих пластинах минеральной ваты на «Изовер» с рекомендуемыми параметрами эффективности двух испытанных глушителей с пластинами разной толщины не уменьшились. В диапазоне частот 500–2 000 Гц эффективность глушителя с пластинами 100 мм, заполненными стекловолокном, даже более высокая, чем прогнозировалось. К сожалению, изготовителями глушителей плотность звукопоглощающего материала в пластинах не задается и строго не контролируется. Поэтому в реальных условиях она может существенно отличаться от оптимальной (рекомендуемой). Основным фактором при заполнении пластин часто является экономия ЗПМ и сокращение материальных затрат на их изготовление. В результате такого подхода, как показали наши систематические испытания на стенде НИИСФ, эффективность глушителей не достигает максимальных значений. Она существенно зависит от используемого ЗПМ, а также от того, насколько плотность этого ЗПМ отличается от оптимальной величины (рис. 4, 5).
Пользуясь результатами испытаний глушителей, приведенными на рис. 4, 5, обращаем внимание читателя на существование того факта, что на низких частотах (до 250 Гц) эффективность пластинчатых глушителей относительно низкая и не может превышать 15–17 дБ. Несмотря на это, некоторые фирмы-изготовители не стесняются приводить в каталогах данные, свидетельствующие об эффективности их глушителей на частоте 125 Гц – более 15 дБ, а на частоте 250 Гц – более 20 дБ.
Воздушный поток, проходя через каналы глушителя, генерирует так называемый собственный шум глушителя. Уровень звуковой мощности собственного шума, генерируемого в глушителе, зависит от его конструкции, размеров и скорости набегающего потока в воздуховоде. Если снижение уровня шума в глушителе велико (например, при длине 3 м), то уровень звуковой мощности от вентилятора за глушителем может оказаться сопоставимым с уровнем звуковой мощности шумообразования в самом глушителе. Чем дальше от помещения устанавливается глушитель, тем большую скорость воздуха можно принять при определении требуемой площади его поперечного сечения. В общем случае допустимую скорость воздуха в глушителе следует выбирать в зависимости от располагаемых потерь давления и допустимого уровня звуковой мощности шумообразования в самом глушителе. При этом величину LPдоп определяют по формуле: где LPвх – октавный уровень звуковой мощности на входе в глушитель, дБ; DLтр – требуемое снижение октавного уровня звуковой мощности, дБ. Если глушитель устанавливается на конечном участке воздуховода перед помещением, то допустимую скорость воздуха можно ориентировочно принимать в зависимости от допустимого уровня звука в помещении по табл. 1.
Уменьшение расстояния между пластинами 2d0, с одной стороны, приводит к увеличению эффективности глушителя, с другой стороны, существенно возрастает его аэродинамическое сопротивление, которое является причиной образования шума в нем. Аэродинамическое сопротивление глушителей (Па) рассчитывается по формуле: где x – коэффициент местного сопротивления; для пластинчатых глушителей принимается по табл. 2 в зависимости от фактора свободной площади и конструктивных особенностей пластин, для трубчатых глушителей x = 0; l – длина глушителя, м; l – коэффициент трения (табл. 3); Dг – гидравлический диаметр, м; r – плотность воздуха, кг/м3; n – скорость воздуха в живом сечении глушителя, м/с.
Существенное снижение аэродинамического сопротивления пластинчатых глушителей достигается за счет обтекателей (полуцилиндров), устанавливаемых на торцы пластин (по всей высоте) на входе в глушитель. Авторы надеются, что публикуемые в статье данные будут использованы при проектировании и изготовлении пластинчатых глушителей. Это приведет к созданию глушителей, обеспечивающих высокие акустические качества и создающих минимальное аэродинамическое сопротивление потоку воздуха (минимальные гидравлические потери) в вентиляционных сетях. Литература1. Гусев В. П. Средства снижения воздушного и структурного шума систем вентиляции, кондиционирования и холодо-снабжения // АВОК. – 2005. – № 4. 2. Гусев В. П. Акустические характеристики абсорбционных глушителей для защиты зданий и территорий застройки от вентиляционного шума // БЖД. – 2003. – № 8. 3. Рассадина И. Д. Глушители шума мотороиспытательных станций. Автореферат канд. дисс. – М., 1969. 4. Науменко З. Н. Глушители шума аэрогазодинамических установок. Автореферат канд. дисс. – М., 1970. 5. Voronina. N. Acoustic Properties of Fibrous Materials. Applied Acoustics, vol. 42, 3, 1994. 6. Voronina. N. Improved Empirical of Sound Propagation Through a Fibrous Material. Applied Acoustics, vol. 48, № 2, 1996.
Тел. (495) 482-40-33 |
