piątek, październik 20, 2017

 Najnowsze wydania

 EKO
Schowek02TRH
I&M 2/2017

PI 6/2017

001 Okladka PI06

001 Okladka IM02 2017

Akustyka w wentylacji i klimatyzacji Czy dobrze rozumiesz podstawowe pojęcia?

akustykaAby właściwie dobierać urządzenia i elementy wentylacyjne czy klimatyzacyjne, trzeba mieć podstawową wiedzę w zakresie terminologii akustycznej – właśnie temu zagadnieniu poświecono artykuł. Nie przedstawia on kompleksowej wiedzy dotyczącej zagadnień akustycznych, lecz tę jej część, która, zdaniem autora, jest niezbędna inżynierowi zajmującemu się wentylacją i klimatyzacją.

Instalacje wentylacji i klimatyzacji stanowią jeden z ważniejszych elementów wyposażenia technicznego współczesnych budynków. Ich stosowanie powoduje z jednej strony poprawę jakości powietrza w pomieszczeniach, a z drugiej – może być związane z nadmiernym hałasem. W związku z tym ważne jest, aby projektanci instalacji byli w pełni świadomi zagrożeń związanych z przekroczeniem dopuszczalnego poziomu hałasu, analizując kompleksowo związane z tym zagadnienia. Jednym z nich jest prawidłowe zrozumienie pojęć akustycznych związanych z projektowaniem instalacji i wentylacji. Producenci publikują dane dotyczące właściwości akustycznych swoich wyrobów, ale bez zrozumienia ich istoty oraz sposobu ich wykorzystania, mają one małą wartość.

Ciśnienie akustyczne

akustyka1
1.Krzywe korekcyjne A, B i C uwzględniane przy określaniu poziomu dźwięku
Fale akustyczne w powietrzu to fale podłużne powodujące zmiany ciśnienia powyżej i poniżej wartości ciśnienia atmosferycznego w kierunku ich rozchodzenia. Ciśnienie akustyczne jest mierzone w paskalach. Ze względu na duży zakres wartości ciśnienia akustycznego, które występują w praktyce (próg słyszalności do progu bólu mają się do siebie jak 1:1014), przyjęto skalę wygodniejszą do stosowania, proporcjonalną do logarytmu tej wielkości, określaną w decybelach. Liczbowo decybel stanowi iloczyn 10 i logarytmu o podstawie 10 stosunku dwóch wartości proporcjonalnych do mocy akustycznej lub energii (1):

Lp = 10 log (p/pref )2) = 20 log (p/20) (1)

gdzie:
Lp – poziom ciśnienia akustycznego [dB];
p – wartość skuteczną ciśnienia akustycznego określoną przez pierwiastek kwadratowy ze średniego kwadratu amplitudy ciśnienia z czasu obserwacji;
pref – ciśnienie odniesienia równe 20 μPa, które odpowiada w przybliżeniu progowi słyszalności ucha ludzkiego dla częstotliwości 1000 Hz.

Poziom ciśnienia akustycznego nie jest dobrą miarą oceny głośności, ponieważ nie uwzględnia zmiennej wrażliwości ucha ludzkiego na dźwięki o różnych częstotliwościach. Z tego powodu do oceny warunków akustycznych w pomieszczeniach stosowany jest poziom dźwięku.

Poziom dźwięku

Poziom dźwięku stanowi ważony poziom ciśnienia akustycznego z uwzględnieniem poprawek korekcyjnych (krzywych ważenia) A, B lub C (rys. 1). W dziedzinie wentylacji i klimatyzacji stosowana jest wyłącznie korekcja typu A i zgodnie z obowiązującą w naszym kraju terminologią, wielkość tę określa się jako „poziom dźwięku A”. W normach krajowych podane są dopuszczalne wartości poziomu dźwięku A w różnych pomieszczeniach [1], które są podstawą do projektowania instalacji wentylacji i klimatyzacji pod względem akustycznym. Stosowanie krzywej ważenia A pozwala uwzględnić cechę ucha ludzkiego polegającą na tym, że jest ono bardziej wrażliwe na dźwięki o wyższej częstotliwości niż na dźwięki o niskiej częstotliwości. Poprawki korekcyjne wynikające z krzywej ważenia A w zakresie pasm oktawowych od 63 Hz do 8 kHz podano w tabeli 1 [2]. 

Tabela1. Poprawki według krzywej
ważenia A.

tabela akustyka

Podawanie poziomu dźwięku nie ma sensu, gdy jednocześnie nie jest określony punkt, do którego wartość ta się odnosi. W praktyce może to być np. punkt w pomieszczeniu (poziom dźwięku zmierzony np. w środku pomieszczenia lub w sąsiedztwie miejsca pracy) albo konkretna odległość od źródła dźwięku (najczęściej 1 m od źródła). Bezcelowe jest zatem także podawanie poziomu dźwięku wentylatora, gdy nie jest wskazane, w jakiej odległości od wentylatora zmierzono tę wielkość. Pomiarów poziomu dźwięku A dokonuje się za pomocą miernika poziomu dźwięku (sonometru), który ma wbudowany moduł korekcyjny A, umożliwiający bezpośredni odczyt tej wielkości. Niektóre przyrządy umożliwiają ponadto pomiar ciśnienia akustycznego w poszczególnych pasmach częstotliwości, co umożliwia doświadczonemu specjaliście ustalić na podstawie dominujących częstotliwości, które z urządzeń jest głównym źródłem hałasu w pomieszczeniu (np. hałas od wentylatora, czy hałas wytwarzany przez nawiewniki lub wywiewniki).

Moc akustyczna

Moc akustyczna jest wielkością wykorzystywaną do oceny źródeł dźwięku, którymi w dziedzinie wentylacji i klimatyzacji są przede wszystkim wentylatory, centrale wentylacyjne, klimatyzatory, agregaty chłodzące i pompy, a także takie elementy instalacji, jak: nawiewniki i wywiewniki, przepustnice wentylacyjne i inne. Wielkość ta stanowi także parametr wejściowy do obliczeń akustycznych instalacji wentylacji i klimatyzacji. Z definicji moc akustyczna jest to całkowita energia akustyczna wytworzona przez urządzenie lub instalację. Z podobnych względów jak w przypadku ciśnienia akustycznego, do określenia mocy akustycznej przyjęto skalę logarytmiczną, która stanowi względną miarę (poziom) mocy akustycznej, odniesioną do mocy odniesienia. Poziom mocy akustycznej wyraża wzór (2):

Lw = 10 log (w/wref ) (2)

gdzie:
Lw – poziom mocy akustycznej [dB];
w – moc akustyczna emitowana przez źródło dźwięku [W];
wref – moc odniesienia równa 10-12 [W].
Moc akustyczna zależy od warunków działania urządzenia lub elementu stanowiącego źródło dźwięku, a nie zależy ani od odległości od tego źródła, ani od warunków akustycznych w pomieszczeniu. Można więc w sposób niezależny od tych warunków dokonać porównania różnych źródeł dźwięku, wybierając rozwiązanie optymalne pod względem akustycznym.

Wszystkie podstawowe urządzenia i elementy stosowane w instalacjach wentylacji i klimatyzacji powinny mieć sprawdzoną laboratoryjnie charakterystykę akustyczną.

W przypadku najczęściej spotykanych w praktyce źródeł dźwięku – central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, dane akustyczne, zgodnie z [4], powinny zawierać wartości poziomu mocy akustycznej w pasmach oktawowym od 125 Hz do 8 kHz (w dB) oraz wartość całkowitego poziomu mocy akustycznej emitowanej do przewodów i przez obudowę (w dB). Poziom mocy LWA oblicza się na podstawie wartości poziomu mocy akustycznej w pasmach oktawowych z uwzględnieniem krzywej ważenia A (tabela 1). W przypadku nawiewników i wywiewników dane akustyczne, zgodnie z normą [5], powinny obejmować zależność poziomu mocy akustycznej od warunków działania (strumienia objętości powietrza lub straty ciśnienia) w pasmach częstotliwości od 63 Hz do 8 kHz.

Tłumienie wtrącenia tłumika

Pojęcie tłumienia wtrącenia odnosi się do urządzeń przeznaczonych specjalnie do zmniejszenia hałasu wywołanego pracą instalacji – tłumików hałasu. Zgodnie z [6], tłumienie wtrącenia tłumika D jest to zmniejszenie poziomu mocy akustycznej w danym miejscu za tłumikiem, spowodowane umieszczeniem tłumika w przewodzie w miejscu odcinka przewodu o ściankach twardych akustycznie:

D = LwII – LwI (3)

gdzie:
LwI – poziom mocy akustycznej w pasmach częstotliwości w przewodzie pomiarowym lub w komorze pogłosowej w warunkach zainstalowania tłumika;
LwII – poziom mocy akustycznej w pasmach częstotliwości w przewodzie pomiarowym lub w komorze pogłosowej w warunkach, gdy badany tłumik zastąpiono przewodem zastępczym. W przypadku tłumików hałasu rozpatruje się pasma o szerokości jednej trzeciej oktawy z częstotliwościami środkowymi od 50 Hz do 10 kHz. W przypadku wielu zastosowań wystarczy zakres częstotliwości między 100 Hz i 8 kHz [6].

Poziom mocy akustycznej hałasu spowodowanego przepływem przez tłumik

Z punktu widzenia projektanta instalacji jest to bardzo ważna wielkość, ponieważ powinna być uwzględniona w obliczeniach akustycznych oraz podczas doboru tłumika w konkretnej sytuacji. Nieprawidłowo dobrany tłumik może być bowiem źródłem nadmiernego hałasu, co może zniweczyć korzyści wynikające z jego stosowania. Ze względu na szumy własne generowane w tłumiku, w skrajnym przypadku może wystąpić sytuacja, gdy poziom mocy akustycznej za tłumikiem jest wyższy niż przed tłumikiem. W związku z tym w odniesieniu do tłumików hałasu wymagane jest określenie poziomu mocy akustycznej hałasu spowodowanego przepływem. Dane te powinny być podane w warunkach wielkości i kierunku przepływu, które odpowiadają przewidywanemu zastosowaniu tłumika, w rozpatrywanych pasmach oktawowych.

Pasma częstotliwości a stosowanie tłumików
Jak rozpatrywać widmo dźwięku? Cały słyszalny zakres widma dźwięku można podzielić na równe pasma o częstotliwościach środkowych: 31,5 Hz, 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz i 16 kHz. Są to pasma oktawowe, które charakteryzują się tym, że stosunek częstotliwości wyższej do częstotliwości niższej wynosi 2. W praktyce instalacyjnej istotne są pasma oktawowe odpowiadające częstotliwościom środkowym od 63 Hz do 8 kHz. W pewnych przypadkach, np. zastosowania tłumików hałasu, celowe jest jednak bardziej szczegółowe rozpatrywanie widma dźwięku przy dzieleniu każdej oktawy na trzy pasma (pasma tercjowe): 25 Hz, 31,5 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 63 Hz, 80 Hz, 100 Hz, 125 Hz, 160 Hz, 200 Hz, 250 Hz, 315 Hz, 400 Hz, 500 Hz, 630 Hz, 800 Hz, 1 kHz, 1,25 kHz, 1,6 kHz, 2 kHz, 2,5 kHz, 3,15 kHz, 4 kHz, 5 kHz, 6,3 kHz, 8 kHz, 10 kHz, 12,5kHz, 16 kHz, 20 kHz. Poziom mocy akustycznej w określonych pasmach częstotliwości może w decydujący sposób oddziaływać na charakterystykę akustyczną różnych wyrobów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Na przykład wyroby z wentylatorem wytwarzają najwyższy poziom dźwięku w paśmie 125 Hz, chociaż w przypadku wyższych prędkości obrotowych maksimum może przesunąć się do pasma 250 Hz. Ten niskoczęstotliwościowy hałas, ze względu na większą długość fali akustycznej, jest trudny do wytłumienia za pomocą najczęściej stosowanych tłumików kulisowych. Z kolei nawiewniki wytwarzają najwyższy poziom dźwięku w zakresach od 500 Hz do 2000 Hz. Pomimo tego, że częstotliwości te są traktowane jako nakładające się na mowę, dźwięki te są łatwiejsze do wytłumienia za pomocą konwencjonalnych tłumików [3].

Tłumienie naturalne w instalacji

Energia akustyczna wytwarzana przez wentylator zmniejsza się stopniowo na drodze między tym urządzeniem a pomieszczeniem w wyniku tłumienia naturalnego w instalacji. Wielkość ego tłumienia zależy od sposobu ukształtowania sieci przewodów, a także od liczby i typu urządzeń oraz elementów instalacji, w których występuje tłumienie naturalne. Tłumienie naturalne występuje w prostych przewodach wentylacyjnych, łukach i kolanach, nawiewnikach oraz w urządzeniach wentylacyjnych, takich jak nagrzewnice, chłodnice, filtry, czerpnie.

Przewody wentylacyjne. Tłumienie na długości przewodu wynika ze strat energii spowodowanych wprowadzeniem w drgania jego ścianek i zależy od sztywności przewodu. Tłumienie w przewodach prostokątnych jest więc intensywniejsze niż w okrągłych. Tłumienie w niskich częstotliwościach jest intensywniejsze niż w wysokich. W przypadku przewodów bardzo sztywnych (np. z betonu), tłumienia nie uwzględnia się [7].

Łuki i kolana. Te o łagodnych zmianach kierunku (po promieniu), z kierownicami lub bez kierownic, praktycznie nie tłumią hałasu. Natomiast kolana o ostrej krawędzi zmiany kierunku odbijają część energii akustycznej w kierunku źródła, co może znacząco wpływać na hałas emitowany przez to źródło [7].

Odgałęzienia przewodów. W przypadku odgałęzień można przyjąć, że energia akustyczna dzieli się proporcjonalnie do powierzchni przekroju poprzecznego przewodów odgałęźnych. Wynika z tego, że całkowita energia akustyczna pozostaje na stałym poziomie, ale ulega podziałowi na poszczególne odgałęzienia w ten sposób, że energia za każdym odgałęzieniem jest mniejsza niż przed odgałęzieniem. Tłumienie w odgałęzieniu jest niezależne od częstotliwości [7].

Zakończenia przewodów. W zakończeniach przewodu, np. w nawiewnikach, występuje zjawisko tzw. odbicia końcowego. Odbicie od zakończenia przewodu następuje wówczas, gdy dźwięk przechodzi przez przewód gwałtownie zmieniający powierzchnię przekroju poprzecznego, jak np. w miejscu zakończenia przewodu w pomieszczeniu lub w swobodnej przestrzeni. Gdy zachodzi tego typu odbicie, część energii akustycznej ulega odbiciu z powrotem do przewodu, zamiast rozproszyć się w pomieszczeniu lub w swobodnej przestrzeni [4]. Daje to dodatkowy efekt tłumienia naturalnego

Specyfika tłumienia naturalnego – ważne dane od producentów. Tłumienie naturalne występuje także w innych urządzeniach i elementach wentylacyjnych, przy czym wielkość tego tłumienia powinna być przyjmowana na podstawie informacji producentów. Każde urządzenie i element ma typowy dla siebie przebieg widma akustycznego. Na przykład w przypadku urządzeń, w których działanie tłumiące polega na odbijaniu energii akustycznej, największe tłumienie występuje w niskich częstotliwościach, natomiast gdy dominuje pochłanianie energii akustycznej – w wysokich częstotliwościach [7].

akustyka

2.Badanie mocy akustycznej urządzenia klimatyzacyjnego w warunkach laboratoryjnych

Wielkości akustyczne w obliczeniach

Projektant instalacji wentylacji i klimatyzacji, względnie akustyk budowlany, powinien w taki sposób zaprojektować instalację, aby poziom dźwięku A w pomieszczeniach nie przekraczał wartości dopuszczalnych [1]. Punktem wyjścia do obliczenia poziomu dźwięku w pomieszczeniu jest określenie mocy akustycznej doprowadzonej do pomieszczenia przez nawiewniki i wywiewniki [7]. Podstawowym źródłem hałasu w instalacji jest wentylator (centrala wentylacyjna/ klimatyzacyjna), lecz emitentami hałasu mogą być także inne urządzenia i elementy między wentylatorem i nawiewnikiem/wywiewnikiem. Równocześnie, jak wspomniałem wcześniej, elementy te mają określone właściwości tłumienia, które należy uwzględnić w obliczeniach. Moc akustyczna doprowadzona do pomieszczenia jest sumą wartości mocy akustycznej emitowanej przez wentylator i wszystkie elementy sieci na drodze do pomieszczenia (Lwi), pomniejszoną o sumę wartości tłumienia, jakie występują na tej drodze (ΔLwi):

akustyka.wzór4

Obliczenia według powyższego wzoru powinny być przeprowadzone w pasmach oktawowych od 63 Hz do 8 kHz. Należy również zwrócić uwagę, że sumowanie wartości mocy akustycznej (pierwszy człon równania (4)) należy wykonać logarytmicznie, a sumowanie poszczególnych wartości tłumienia – arytmetycznie. Sumowanie logarytmiczne mocy akustycznych wykonuje się według następującego wzoru:

akustyka.wzór5

gdzie:
Lwi – sumowane poziomy mocy akustycznej [dB]. Poziom mocy akustycznej doprowadzony do pomieszczenia należy przeliczyć na wielkość związaną z fizjologicznym odczuwaniem hałasu przez człowieka – na poziom ciśnienia akustycznego. Teoretyczny związek między doprowadzoną mocą akustyczną Lw i ciśnieniem akustycznym w danym punkcie pomieszczenia Lp przedstawia następująca zależność:

akustyka.wzór

gdzie:
A – równoważna powierzchnia absorbująca [m2];
Q – współczynnik kierunkowy;
r – odległość punktu w pomieszczeniu od nawiewnika lub wywiewnika [m]. Równoważną powierzchnię absorbującą A można obliczyć ze wzoru:

akustyka.wzór7

gdzie:
V – kubatura pomieszczenia [m3];
T – czas pogłosu pomieszczenia [s].
Obliczenie według zależności (6) należy wykonać w pasmach oktawowych od 63 Hz do 8 kHz. Otrzymane w ten sposób wartości poziomu ciśnienia akustycznego należy następnie skorygować zgodnie z krzywą ważenia A (tabela 1). Obliczymy wtedy poziomy ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu w pasmach oktawowych w skali (A).
Na koniec, w celu uzyskania wartości poziomu dźwięku A (LA), który można porównać z wartością dopuszczalną według [1], należy dokonać sumowania logarytmicznego wartości poziomów ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu w pasmach oktawowych w skali (A) zgodnie
z poniższą zależnością:

akustyka.wzór8

gdzie:

LAi – poziom ciśnienia akustycznego w pasmach oktawowych z uwzględnieniem korekty według krzywej A.

akustyka3
3.Badanie mocy akustycznej klimakonwektora wentylatorowego

Nie mylmy pojęć!

W artykule przedstawiono podstawowe wielkości akustyczne, z którymi ma do czynienia projektant instalacji wentylacji i klimatyzacji. Wielkości te, a w szczególności poziom mocy akustycznej i poziom ciśnienia akustycznego, są czasem mylone i zdarza się, że są stosowane w złym kontekście.

Istotne jest rozróżnienie, że poziom mocy akustycznej charakteryzuje źródła dźwięku w instalacji, a więc przede wszystkim wentylator, centralę wentylacyjną lub klimatyzacyjną, natomiast poziom ciśnienia akustycznego lub ustalony w przepisach poziom dźwięku A – to wielkości charakterystyczne dla warunków akustycznych panujących w pomieszczeniu. Poziom dźwięku A zależy bezpośrednio od mocy akustycznej źródła dźwięku, ale także od tłumienia naturalnego i sztucznego w instalacji oraz od warunków akustycznych w samym pomieszczeniu.

Jak przedstawiono w artykule, wszystkie te wielkości można uwzględnić w czasie projektowania instalacji wentylacji i klimatyzacji, pod warunkiem, że są dostępne wiarygodne dane akustyczne dostarczone przez producentów urządzeń i elementów instalacji.

Literatura:
[1] PN-B-02151-02:1987 Akustyka budowlana – Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynkach – Dopuszczalne wartości poziomu dźwięku w pomieszczeniach
[2] Poradnik Recknagel 08/09, OMNI SCALA. Wrocław 2008
[3] Zimmerman R.: Sound Advice. Acoustical Specifications for Air Terminals & Air Outlets. ASHRAE Journal 7/2013
[4] PN-EN 13053+A1:2011 Wentylacja budynków – Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne – Klasyfikacja i charakterystyki działania urządzeń, elementów składowych i sekcji
[5] PN-EN ISO 5135:2002 Akustyka – Określanie poziomu mocy akustycznej urządzeń przyłączających powietrze, zespołów urządzeń przyłączających powietrze, przepustnic oraz zaworów za pomocą pomiarów w komorze pogłosowej
[6] PN-EN ISO 7235:2009 Akustyka – Metody laboratoryjne pomiaru tłumików kanałowych oraz elementów końcowych – Tłumienie wtrącenia, hałas przepływu i strata ciśnienia całkowitego
[7] Pykacz S., Kostyrko M.: Wytyczne projektowania instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych pod kątem zabezpieczeń akustycznych. COBRTI INSTAL 1995

Autor: Sławomir Pykacz

homeWyszukiwarka

homeNewsletter

Repowermap

homeTagi

homeReklama

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem