Глушители шума систем вентиляции и их акустические характеристики

В. П. Гусев, канд. техн. наук

М. Ю. Лешко, инженер

В современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяются в основном диссипативные (со звукопоглощающим материалом (ЗПМ)) шумоглушители: пластинчатые, трубчатые, цилиндрические и так называемые канальные. При акустическом проектировании глушителей возникает вопрос выбора оптимальных параметров звукопоглощающей конструкции, обеспечивающих максимальную эффективность в требуемом диапазоне частот. Ниже приводятся наиболее важные результаты экспериментальных исследований глушителей пластинчатого типа, полученные в разное время на аэроакустическом стенде НИИСФ.

Величина и область максимальной эффективности шумоглушителя зависит от типа материала и величины сопротивления продуванию. Наибольшие значения эффективности (DL_гл) соответствуют очень рыхлой набивке с поперечными перегородками. С увеличением объемной плотности и, следовательно, сопротивления продуванию (r) максимум эффективности уменьшается по абсолютной величине, однако область высоких значений DL_гл резко расширяется в обе стороны измеряемого диапазона частот. 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 незначительному повышению ее на высоких частотах. Для заданной толщины поглощающего слоя и данного вида материала существует оптимальное значение сопротивления продуванию r_опт, которому соответствует расширенная область высоких значений DL_гл.

Рисунок 1. Снижение уровней шума пластинчатым глушителем в зависимости от толщины пластин при jсв=const   - Звукопоглощающая конструкция пластин: - маты СТВ, g=15–20 кг/м3 - стеклоткань Э–0.1 - перфорированный лист, Fперф=19,6%   1–2h=100 мм, а=100 мм, gств=20 кг/м3 2–2h=200 мм, а=200 мм, gств=15 кг/м3 3–2h=400 мм, а=400 мм, gств=15 кг/м3 4–2h=800 мм, а=800 мм, gств=15 кг/м3

Сопротивление продуванию вдоль слоя ЗПМ существенно не влияет на характеристику снижения уровней шума глушителя. Для двух типов облицовок – локально реагирующей и изотропной толщиной 250 мм – оптимальное r для супертонкого стекловолокна (СТВ) и ультратонкого базальтового волокна (БСТВ) составляет примерно 0,23 см^-1, что соответствует объемной плотности 17–20 кг/м³ при диаметре волокон 1–3 мк. Для очень рыхлых (g_зпм=5 кг/м³) волокнистых материалов сопротивление продуванию в продольном направлении влияет на величину DL_гл только в резонансной области частот. С увеличением g_зпм пик эффективности уменьшается по абсолютной величине и сдвигается в сторону высоких частот. На низких и высоких частотах характер зависимости DL_гл от величины r остается постоянным.

Область максимальных значений эффективности для изотропного и анизотропного типов звукопоглощающей конструкции составляет 1–1,5 октавы, поэтому эффективность звукопоглощающего канала с очень рыхлым ЗПМ невелика. Наиболее целесообразными для практики являются глушители с плотностью g_зпм=20 кг/м³. Их эффективность в диапазоне низких и высоких частот (исключая область лучевого эффекта) выше на 10–15 дБ, чем у глушителей с g_зпм=5 кг/м³. Установка перегородок в слое ЗПМ в целом мало влияет на характер частотной характеристики DL_гл. Только в диапазоне частот 125–250 Гц анизотропный глушитель на 3–4 дБ эффективнее изотропного. В диапазоне высоких частот наибольшую эффективность имеют глушители с ЗПМ большей плотности. Для таких материалов, как СТВ и БСТВ и им подобных оптимальное с точки зрения акустических качеств значение сопротивления продуванию составляет r_опт=0,23–0,25 см^-1.

Рисунок 2. Влияние расстояния между пластинами на величину снижения уровней шума глушителем   Звукопоглощающая конструкция пластин: - маты СТВ, g=20 кг/м3 - стеклоткань ЭЗ–100 - перфорированный лист, dав=6 мм - шаг 12 мм   1–а=100 мм, jсв=50% 2–а=166 мм, jсв=64% 3–а=300 мм, jсв=75%

В зависимости от толщины слоя ЗПМ оптимальная объемная плотность материалов с диаметром волокон 1–2 мк находится в пределах 17–25 кг/м³. Увеличение r вдоль слоя ЗПМ посредством установки поперечных перегородок слабо влияет на частотную характеристику эффективности глушителя и лишь незначительно увеличивает затухание звука в диапазоне 125–315 Гц. Максимальную эффективность в узкой полосе резонансной области частот дает использование в глушителях анизотропных материалов с малой объемной плотностью – 5 кг/м³. На высоких частотах эффективнее более плотные изотропные материалы с плотностью около 40 кг/м³.

Волновые параметры волокнистых ЗПМ, непосредственно определяющие его акустические качества, существенно зависят от диаметра волокон (d) и плотности. Поэтому вопрос об акустической эквивалентности различных ЗПМ сводится по существу к определению соответствующих объемных плотностей (g_зпм) этих материалов в зависимости от диаметра их волокон. Определенным значениям d_вол соответствует конкретная оптимальная плотность ЗПМ в глушителе. Для БСТВ и СТВ, имеющих диаметр волокон 2–3 мк, оптимальная плотность заполнения ЗПМ составляет 15–20 кг/м³ при толщине активного слоя 200 мм.

Волокнистые ЗПМ могут применяться только в сочетании с акустически прозрачными защитными покрытиями. В качестве защитных покрытий нередко применяют металлические перфорированные листы в сочетании со стеклотканями или пленками. Акустические свойства перфорированного листа определяются его эффективной массой, величина которой зависит от диаметра отверстий, их шага и толщины листа. Влияние размера и шага отверстий на величину снижения шума глушителями исследовалось с использованием в качестве защитного экрана промышленных образцов перфорированных листов с диаметром отверстий 6 мм и шагом 12 мм. Степень перфорации таких покрытий составляет 19,5%, и они считаются акустически прозрачными. С увеличением расстояния между отверстиями эффективность глушителя в диапазоне средних частот несколько ухудшается в результате увеличения инерционной массы покрытия и уменьшения поглощающей поверхности. Эффективность глушителя в наиболее важном диапазоне частот 125–250 Гц увеличивается при увеличении диаметра отверстий до 12 мм и шага до 25 мм.

Одной из наиболее важных с практической точки зрения особенностей пластинчатого глушителя является возможность качественной регулировки частотной характеристики глушителя. Реализация ее достигается изменением расстояния между поглощающими поверхностями и толщиной пластин. Область максимальных значений эффективности и ее положение на частотной характеристике определяется толщиной пластин (рис. 1). С увеличением толщины пластин максимальные значения эффективности уменьшаются по абсолютной величине и одновременно сдвигаются в сторону низких частот. Пик обусловлен явлением резонанса активного слоя ЗПМ и определяется скоростью распространения звука в материале (c_м) и толщиной активного слоя ЗПМ (b). Частота резонанса (f_рез) соответствует условию: f_рез=[c_м/4b]n, (n=1, 2, 3,...).

При одинаковой толщине пластин эффективность глушителя уменьшается с увеличением расстояния между пластинами, причем наиболее резкое уменьшение DL_гл происходит в резонансной области частот (рис. 2). В области низких частот 63–315 Гц величина, достигнув наибольшего значения (для данной толщины пластин) при j_св=62%, существенно не меняется с уменьшением j_св.

Величина DL_гл не пропорциональна длине глушителя (пластин). Наиболее эффективно работает начальный его участок. Неравномерность затухания шума в глушителе связана с изменением характера звукового поля по мере его распространения вдоль поглощающего слоя и объясняется расхождением в скоростях затухания нормальных волн высоких номеров и нулевой нормальной волны (рис. 3).

Рисунок 3. Экспериментальные кривые снижения уровней шума  пластинчатым глушителем в зависимости от его длины   Звукопоглощающая конструкция пластин: - маты БСТВ, g=17 кг/м3 - стеклоткань марки ЭЗ–100 - перфорированный металлический лист, dотв=12 мм - шаг 25 мм   1–длина глушителя l=1,0 м 2–длина глушителя l=1,5 м 3–длина глушителя l=2,0 м 4–длина глушителя l=2,5 м 5–длина глушителя l=3,0 м

Влияние воздушного потока на затухание звука в глушителе в диапазоне низких частот kh<p (где k=w/с₀, h – расстояние между пластинами), обусловленное явлением конвекции, становится заметным при скоростях более 15 м/с. Уменьшение величины DL_гл в указанном диапазоне при скорости потока 15 м/с составляет от 1 до 1,5 дБ. При скорости потока 25 м/с величина DL_гл снижается на 2–3 дБ. Более существенное влияние конвекции на затухание звука может оказаться только при больших скоростях потока, поскольку скорость конвективного переноса должна быть порядка фазовой скорости волн в глушителе.

Допустимая скорость v_доп потока воздуха в глушителе определяется уровнем генерируемого шума. Она тем больше, чем выше допустимые уровни звукового давления в обслуживаемом вентиляционной системой помещении, чем больше его объем и чем выше затухание звуковых волн в элементах вентиляционной сети. Величина vдоп может быть также определена из условия, чтобы уровни звуковой мощности (L_p) собственного шума глушителя были не менее, чем на 6 дБ ниже остаточного уровня шума от источника после глушителя.

С учетом изложенного эффективность пластинчатого шумоглушителя:

- зависит от типа используемого ЗПМ и сопротивления продуванию защитного покрытия;

- не увеличивается с увеличением его поперечных размеров (не зависит от количества и высоты пластин);

- зависит от толщины пластин и расстояния между ними (уменьшается с увеличением расстояния между пластинами);

- возрастает с увеличением длины пластин (оптимальная длина глушителя не более 3 м);

- снижается с ростом скорости потока в его свободном сечении.

С практической точки зрения важно помнить, что, во-первых, глушители следует устанавливать непосредственно у источников шума; во-вторых, площадь свободного сечения глушителя должна быть равна площади сечения воздуховода в месте его установки (достигается подбором высоты и количества пластин), при уменьшении свободного сечения глушителя в нем возрастает скорость потока и гидравлическое сопротивление, соответственно, возрастает генерируемый дополнительный шум; в-третьих, эффективность глушителя длиной 3 м не равна сумме эффективностей трех глушителей длиной по 1 м, установленных последовательно.

Тел. (095) 482-4033