CC BY
25
акустика
К вопросу о распространении шума в крупногабаритных газовоздушных каналах
В.П. Гусев, М.А. Солодова
Системы тяги и дутья котлов ТЭЦ и других энергетических объектов городов и крупных населенных пунктов при работе излучают шум в окружающую среду, который воздействует на прилегающую застройку. Необходимость снижения шума этих источников связана с повышенным шумовым воздействием, близким расположением к жилым районам, непрерывностью цикла работы в течение суток, а также с тональным характером излучаемого шума. Основными источниками шума систем являются дымососы (сторона нагнетания) и дутьевые вентиляторы (сторона всасывания). Их шум распространяется по газовоздушным каналам, затем через устья дымовых труб и воз-духозаборы в открытое пространство [1, 2].
Уровни шума названных систем в любой точке пространства или на передней кромке жилой застройки могут быть определены по формуле:
I = 1-М - М ,
р ркан п
(1)
где ¿. — уровень звукового давления в расчетной точке;
¿. — уровень звуковой мощности источника; ДL — затухание в газовоздушном канале; Д^— снижение уровня звукового давления на пути распространения.
Как видно, для выполнения акустического расчета необходимо и достаточно иметь шумовые характеристики тягодутьевых машин и данные о затухании звуковой мощности в газовоздушном канале ДL .
Затухание М складывается как из собственно за-
ркан
тухания (переход энергии звуковых волн в теплоту), так и обусловленного реактивным сопротивлением, связанным с отражением звуковых волн в месте изменения условий распространения. Суммарное затухание в канале в общем виде равно:
= + Мпов + Мотв + Мцтр + Д1тр + Мок (2)
где ДL — снижение уровня звуковой мощности на прямых участках канала;
ДL — снижение уровня звуковой мощности на поворотах;
Д^отв— снижение уровня звуковой мощности в ответвлениях;
Д^цтр — снижение уровня звуковой мощности в цоколе трубы;
ДL — снижение уровня звуковой мощности в трубе;
— снижение уровня звуковой мощности в результате отражения звука от открытого конца канала.
Предполагая таким образом, что в газовоздушном канале затухание складывается из суммы затуханий в элементах, последовательно расположенных по ходу звуковых волн, мы тем самым исключаем влияние его отдельных элементов друг на друга. В действительности, разумеется, последовательность фасонных элементов и прямых участков образуют единую волновую систему. Принцип независимости затуханий не оправдывается в общем случае на чистых синусоидальных тонах. В октавных полосах частот стоячие волны, создаваемые отдельными составляющими, компенсируют друг друга.
Каналы энергетических газовоздушных систем имеют поперечные размеры от 3 м2 до 20 м2 и более, а длину 50-300 м. Они могут быть металлическими, кирпичными или железобетонными, облицованными внутри кирпичом, что существенно влияет на снижение в них уровня звуковой мощности. В этих крупногабаритных каналах с поперечными размерами равными и превышающими длины звуковых волн физические процессы отличаются от таковых в малых каналах, поперечные размеры которых меньше длины звуковой волны. Методика расчета снижения уровня шума в малых каналах зависит от частоты, описывается волновым уравнением и хорошо проработана [3]. Снижение шума в крупногабаритных каналах с этой точки зрения представляет интерес.
При распространении шума в канале поток звуковой энергии уменьшается как на прямых участках, так и в различных элементах. Шум в гладких каналах снижается, во-первых, из-за вязкого трения стенках каналов, вследствие чего происходит переход энергии колебаний в теплоту, во-вторых, из-за акустической реакции конструкции канала, вызывающей отражение звука обратно к источнику. Такие элементы каналов, как повороты, разветвления, изменения поперечного сечения, камеры, а также прямые участки с ребристой поверхностью (с переменным сечением), обладают не только гидравлическим сопротивлением, но и сопротивлени-
акустика
ем при распространении звука. В них происходит отражение части звуковой энергии обратно к источнику шума и рассеивание звуковых волн.
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 [4]. Основным ее понятием является диффузное звуковое поле, которое характеризуется изотропностью и однородностью.
Для оценки точности расчетных методов требуются экспериментальные данные (критерием теории является практика). В реальных каналах измерения провести практически невозможно, так как к ним отсутствует доступ. Можно изготовить модели крупногабаритных каналов и в них провести исследования, но подходящие для этих целей размеры моделей таковы, что возникают проблемы с их размещением в существующих измерительных помещениях. Поэтому мы пошли по пути поиска и использования аналогов реальных крупногабаритных каналов или их фрагментов.
Одним из таких аналогов, на наш взгляд, является длинный коридор на третьем этаже акустического корпуса нашего института. Его геометрические параметры (форма, продольные и поперечные размеры) представлены на рис. 1.
Как видно, длина коридора более 45 м. Он имеет два прямоугольных поворота. 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.
5
т
°° га ? §
-810 £ э
>5 Л £ о. га
о с
^ а
т о
^ 2 о ц->
■5
■Я +
оо га =
5 * т о
о оТ
-О -с
о о «о
0001?
° С
РЧ
о мз 41 ■
00££
гч 00 см
08«
о
т
(Ч
о
1Л>
го т
а о
5 £ 1) Г
га £
14
О Ю О ш л £ т О с
и >
а
и \о а и
ю к а
и %
<и а
а о з
X
а о
с С
059г
09£г
8ЕК
акустика
Стены коридора кирпичные, оштукатуренные и окрашенные масляной краской. Потолок подвесной — слой гипсокартона по металлическому каркасу. Поверхность потолка окрашена водоэмульсионной краской. Пол коридора покрыт керамической плиткой.
Физические процессы, которые могут происходить под воздействием того или иного источника шума, установленного в этом канале, связаны не только с его геометрическими параметрами, но и с акустическими качествами поверхностей. Разумеется, оптимально, если они будут такими, как у реальных кирпичных, не оштукатуренных, или у железобетонных без покрытий газовоздушных каналов.
Чтобы иметь возможность их сравнить, определим важную акустическую характеристику поверхностей ограждений коридора (канала) — средний коэффициент звукопоглощения аср. Математическое выражение для него при небольших значениях аср вытекает из формулы Сэбина для времени реверберации:
(3)
где А —общее поглощение в помещении, м2; 5 — площадь ограждающих поверхностей, м2; V — объем помещения, м3;
Т — время реверберации, с.
Видно, что все величины в выражении (3) известны, кроме времени реверберации Т, характеризующего процесс поглощения звуковой энергии в помещении. Понятно, что на высоких частотах (выше 2000 Гц) звуковая энергия поглощается не только при отражениях, но и на пути свободного пробега из-за вязкости и теплопроводности воздуха.
Время реверберации, определялось в четырех условных помещениях — в четырех полузамкнутых объемах в канале, расположенных между торцевой стеной с металлической дверью и сечением II (объем 1), между торцевой стеной со шкафом и сечением V (объем 2), между сечением VI и VII (объем 3), между сечением VIII и IX (объем 4).
Измерения выполнены с помощью акустического многофункционального устройства «ЭКОФИ-ЗИКА». В качестве источника звука использован стартовый пистолет. Полученные значения Т в указанных условных помещениях в октавных полосах частот представлены в таблице 1. Там же указаны размеры этих помещений и принятые в расчет эквивалентные площади ограждений в них.
По полученным данным из выражения А = 0,16V/T определены значения общих поглощений помещений, которые сведены в табл. 2.
Помещения Г на среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1. (У=51,87м3; Б= 17,776м2) 4,7 3,9 3,5 2,5 2,2 2,0 1,5 0,9
2. (У=76,41м3; Б=24,752м2) 1,3 2,3 1,9 1,8 1,5 1,3 1,1 0,9
3. (У=60,39м3; 5=19,481м2) 0,9 1,1 1,5 1,4 1,3 1,1 0,8 0,5
4. (У=15,48м3; Б=4,992м2) 0,8 1,8 1,6 1,7 1,4 1,4 1,0 0,6
Таблица 1. Измеренное время реверберации
Помещение 7* на среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1. 1,77 2,13 2,37 3,32 3,77 4,15 5,53 9,22
2. 9,40 5,32 6,44 6,79 8,15 9,40 11,11 13,58
3. 10,74 8,78 6,44 6,90 7,43 8,78 12,08 19,33
4. 3,10 1,38 1,55 1,46 1,77 1,77 2,48 4,13
Таблица 2. Общие поглощения условных помещений
Помещение аср на среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1. 0,10 0,12 0,13 0,19 0,21 0,23 0,31 0,52
2. 0,38 0,22 0,26 0,27 0,33 0,38 0,45 0,55
3. 0,55 0,45 0,33 0,35 0,38 0,45 0,62 0,99
4. 0,62 0,28 0,31 0,29 0,35 0,35 0,50 0,83
Таблица 3. Средние коэффициенты звукопоглощения
3 2010 213
акустика
Искомые средние коэффициенты звукопоглощения, характеризующие акустические качества аналога фрагмента подобного крупногабаритного газовоздушного канала, приведены в табл. 3.
Как ожидалось, они не высокие, но при этом сравнимы или несколько выше соответствующих значений в реальных кирпичных и бетонных каналах, в которых октавные значения аср изменяются в пределах 0,2-0,46. Более высокие значения аср в нашем канале получены, должно быть, за счет относительно высокой поглощающей способности подвесного потолка.
Таким образом, мы имеем импровизированный канал с геометрическими и акустическими характеристиками, как у реальных крупногабаритных каналов газовоздушных систем. Он дает возможность для достаточно подробного изучения характера звукового поля и процесса распространения звуковой
мощности в крупногабаритных каналах. Полученные результаты представляют научный интерес и будут использованы при оценке точности расчетных методов.
В канале возбуждался так называемый белый шум. Источником шума (ИШ) служил всенаправ-ленный источник звука Д 301 (додекаэдр). Он располагался на высоте 0,5 м от пола и на расстоянии 1,6 м от торцевой стены (металлической двери в заглушенную камеру), как показано на рис. 1. Кстати сказать, эта стена — хороший отражатель и дополнительный (вторичный) излучатель шума, распределенный по сечению канала.
Измерение уровней звукового давления (УЗД) проводились в девяти сечениях канала. На каждом из них микрофон располагался в шести точках. Некоторые характерные сечения с расположением измерительных точек показаны на рис. 2. На них приводятся
о о
о о IV о 89,3 ° ф ТСю 90,2 Г© 90,6 О 91,6 90,4 700 ®
о о (V 91,3
, 2360
87,6
©
87,4
©
88,4 88,0 87,2
© © ©
88,2
©
2610
VI
VIII
о о
78,7 ©
77,9 71,7
© ■а Г©
О
79,1 О IV 72,7
© ^ о <Э
о IV
79,7 79,4 т 72,7 73,1 72,3
© © ®50С ®500®
л 4 Л
80,3 о IV 72,8
© ©
2380 1560
Рисунок 2. Сечения канала (места измерений)
акустика
размеры сечений и измеренные корректированные уровни звука в каждой точке. Несложно оценить, что по сечению УЗД изменяются в основном на 1-2 дБ. Это признаки диффузности звукового поля, а также его изотропности и однородности.
Изменение средних корректированных уровней звука от сечения к сечению наглядно демонстрирует рис. 3.
Как видно, по мере перемещения места измерительной плоскости по каналу они снижаются.
Общее снижение средних корректированных УЗД в канале составляет около 20 дБ.
Снижение октавных УЗД существенно зависит от частоты (рис.4). На высоких частотах оно достигает 30 дБ, а на средних и низких находится в пределах от 18 до 23 дБ.
Как ожидалось, перед сужением канала (сечение V) средние уровни шума повышаются. Это повышение примерно равно величине снижения УЗД на расстоянии от сечения IV. Это видно по резуль-
^р, дБА
100л
90-
80-
70-
60-
50-
40-
30-
20-
10-
0-
сечение
1 Ш2 ЭЗ ПЛ И5
□ 7 Ш8
Рисунок 3. Средние по сечению корректированные уровни шума.
1 - I; 2 - II; 3 - III; 4 - IV; 5 - V; 6 - VI; 7 - VII; 8 - VIII; 9 - IX.
95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45
дБ
*
■ ▲
■—1 . - - "в*Т ж
—Ж-^. • +
А У -л У ЧА 0
г * X V
\ д \ Ж N.
/ ч
У \ \ V *
О V
31,5
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 г, Гц УЗ в дБА рисунок 4. Средние уровни шума в
1 ■ ~> ■ ■ -к - ■3 - -х- 4 О —Ж- с а / сечениях канала.
I ■ А — 7 _ о 3 • и 1 - I; 2 - II; 3 - III; 4 - IV; 5 - V;
/ О О У 6 - VI; 7 - VII; 8 - VIII; 9 - IX.
акустика
Ь дБ
95
90 85 80 75 70 65
■
а 1
'' ^ - --
¿и
/7
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Гц УЗ в дБА
А ° л Ж г .. ш .. л
■ А ж э Л. 4 Ж J ш о
Рисунок 5. Уровни шума в сечении II
I, дБ
90
85 80 75 70 65 60
*
у, ж- у
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 и Гц УЗ в дБА
- -1
I- 2 А 3 —*—4 — -Ж— 5
Рисунок 6. Уровни шума в измерительных точках в сечении IV
татам измерений и в октавных полосах частот (рис. 4), и корректированных уровней звука в дБА (рис. 3). Менее выраженная, но подобная картина наблюдается и перед вторым поворотом (сечение VII).
Признаться, наибольший интерес представляют спектры шума, измеренные на всех девяти сечениях канала. Поскольку они мало отличаются друг от друга, приводим только некоторые (рис. 5-8), измеренные на четырех сечениях.
Как видно, во всех шести точках в первой ок-тавной полосе (со среднегеометрической частотой 31 Гц) УЗД практически совпадают, а во второй
октаве (63 Гц), значительно различаются (различие достигает 10 дБ). По мере увеличения частоты эти различия сокращаются и в последней октаве (8000 Гц) сводятся к минимуму.
В сечении после сужения канала картина несколько иная (рис. 7). Возросло различие УЗД, но на это есть свои причины. Одна из них, должно быть, связана с сокращением числа мод, распространяющихся после сужения канала, за счет отражения обратно к источнику.
Происходящие в канале физические процессы, проиллюстрированные полученными эксперимен-
акустика
I, дБ
85
80 75 70 65 60 55
\
А // К
// /
х, ж \ ч.
?
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 л Гц уз в дБА
--♦- 1
Я 2 —*—3 —X—4 — -Ж — 5
Рисунок 7. Уровни шума в измерительных точках в сечении VI
I, дБ
75
70 65 60 55 50 45
1
А. ¿¿як
\
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 {, Гц УЗ в дБА
—1
* - - 3 —X—4 —Ж —5
Рисунок 8. Уровни шума в измерительных точках в сечении VIII
тальными данными, имеют объяснение, основанное на теории. В прямоугольных каналах до граничной частоты ^ = с/2а, где с — скорость звука, а — наибольший размер поперечного сечения канала, распространяется только плоские звуковые волны. Другими словами, начиная с частоты ^ , для которой один из поперечных размеров прямоугольного канала достигает половины длины волны, в канале могут распространяться и другие волны.
Одна из граничных частот данного прямоугольного крупногабаритного канала равна 55 Гц (находится в полосе частот второй октавы), поэтому в нем в диапазоне самых низких частот (в полосе ча-
стот первой октавы) распространяется только плоская звуковая волна, на фронте которой УЗМ не изменяются. Выше этой частоты звуковую энергию несут косые моды, число которых сначала ограничено, соответственно они оказывают разное воздействие на измерительные точки, а с повышением частоты их число быстро возрастает и воздействие выравнивается. Это значит, что звуковое поле в указанном диапазоне можно охарактеризовать как близкое к диффузному или квазидиффузное, а для описания процесса распространения звука в крупногабаритном канале использовать статистическую энергетическую теорию.
акустика
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 /
B.П. Гусев // Архитектурная и строительная акустика. Шумы и вибрации: сб. тр. XI сес. Российского акустического общества. — М., 2001. — Т.4. —
C. 25-30.
3. Юдин Е.Я., Терехин А.С. Борьба с шумом шахтных вентиляторных установок // М.: Недра, 1985.
4. Леденев В.И. Статистические энергетические методы расчета шумовых полей при проектировании производственных зданий /В.И. Леденев — Тамбов, 2000. — 156 с.
К вопросу о распространении шума
в крупногабаритных газовоздушных каналах
Приводятся результаты исследования шума в аналоге реального крупногабаритного газовоздушного канала с соответствующими геометрическими параметрами и акустическими характеристиками. На основе измерений уровней звуко-
вого давления в сечениях такого канала, распределенных по всей длине, получено представление о характере звукового поля в нем, распространении и снижении звуковой энергии.
On the Issie on distribution of noise in large-sized air-gas ducts
by V. P. Gusev, M. A. Solodova
The research results of noise in analogue of the real large-sized air-gas duct with the applicable geometrical parameters and acoustic characteristics are adduced. On the basic of the sound pressure level measurements in the sections of this duct, distributed throughout entire length, conception about character of a sound field in it, distribution and decrease the acoustical energy is received.
Ключевые слова: газовоздушные системы, шум в крупногабаритных каналах, распространение и снижение звуковой энергии, расчетные методы.
Key words: air-gas systems, noise in the large-sized ducts, distribution and decrease the acoustical energy, calculated methods.
