Akustyka w wentylacji

Akustyka – temat-rzeka, do tego stopnia, że potrzeba 5-letnich studiów magisterskich, żeby ten temat zgłębić. Jednakże, jako inżynierzy sanitarni w pracy zawodowej, coraz częściej przekonujemy się, że musimy być niejako ludźmi renesansu i nie tylko mieć pojęcie, ale dość sprawnie poruszać się po wielu różnych gałęziach sztuki inżynierskiej.

Generalnie w naszej branży temat, a raczej problem, akustyki pojawia się głównie przy projektowaniu systemów wentylacyjnych. Chcemy wyeliminować mniejszy lub większy hałas generowany przez nasze urządzenia. Z iloma projektantami nie rozmawiałam, w ilu zakładach pracy nie pracowałam, tyle różnych sposobów doboru tłumików poznałam. Jaki jest więc ten właściwy, najbardziej wiarygodny i wygodny sposób? Postaram się zgłębić ten temat i przedstawić go w tym artykule.

Najpierw garść teorii.

Dwa najistotniejsze parametry, które podawane są przez producentów urządzeń (wentylatorów, tłumików) w każdym katalogu, w każdej DTR to poziom ciśnienia i mocy akustycznej. Właściwe ich zrozumienie jest kluczem do całego tematu tłumienia hałasu. Warto je dobrze poznać, żeby nie dać się chociażby omamić producentom odnośnie wyższości jednego urządzenia nad drugim.

Te dwa pojęcia są często mylone, co powoduje sporo problemów. Dzieje się tak głównie ze względu na jednostkę, która w obu przypadkach jest taka sama – dB. Taka sama jednostka dla ciśnienia i mocy? Coś tu nie gra…

Rzeczywiście – bel (B) bowiem, nie jest stricte jednostką taką jak metr czy sekunda, jest „kryptojednostką”. W tym skrócie zawarta jest informacja, że wartość liczbowa, za którą znajduje się symbol dB jest wartością ilorazową, logarytmiczną. Oba bowiem parametry, zarówno poziom mocy jak i ciśnienia akustycznego, są wartościami bezwymiarowymi. Są to stosunki mierzonej przez nas wartości do wartości odniesienia, a jak wiemy przy dzieleniu jednostki w liczniku i mianowniku skracają się i oto finalnie voi la – mamy wartość bezwymiarową.

Ciśnienie akustyczne

Słyszalne przez nas dźwięki rozchodzą się falą w ośrodku jakim jest powietrze atmosferyczne. Mówiąc obrazowo: taka fala uderza w nasz bębenek w uchu z pewną siłą zależną oczywiście od źródła dźwięku, który słyszymy. Ta siła wywierana na powierzchnię, którą jest nasz bębenek jest ciśnieniem akustycznym, wyrażonym w Pascalach.

Oczywiście, przez to, że fala dźwiękowa od źródła rozchodzi się sferycznie, czyli coraz bardziej rozprasza się im dalej od źródła dźwięku, wartość siły będzie zmniejszała się wraz ze zwiększaniem tej odległości. Dlatego w katalogach przy wartości poziomu ciśnienia akustycznego powinna znaleźć się informacja, w jakiej odległości od urządzenia wentylacyjnego dokonany był pomiar. Zwykle jest to 1 m, ale „sprytny” producent może podać tę wartość w większej odległości, przez co jego urządzenie wydawać się będzie korzystniejsze akustycznie. Warto zwrócić na to uwagę.

Poziom ciśnienia akustycznego, podawany w decybelach i zwykle podawany w dokumentacji technicznej urządzeń wentylacyjnych, jest to stosunek ciśnienia akustycznego pochodzącego od interesującego nas źródła hałasu do ciśnienia odniesienia. Ciśnieniem odniesienia jest umowna najmniejsza wartość ciśnienia akustycznego, którą jest w stanie wychwycić „gołe” ludzkie ucho.

Po co takie komplikacje, czemu nie można byłoby podawać tych wartości po prostu w Pascalach i uniknąć problemów i nieporozumień? Otóż poziomy dźwięku słyszalne przez ludzkie ucho i powodujące różnicę w odbiorze są na tyle rozłożone na osi, że wygodniej po prostu posługiwać się skalą logarytmiczną.

Moc akustyczna

Fala dźwiękowa, powstaje w ośrodku (powietrzu atmosferycznym) ponieważ, przykładowo, silnik wentylatora w trakcie swojej pracy przenosi drgania na jego obudowę, a ta z kolei na otaczające ją cząsteczki powietrza. Tak poruszone cząsteczki powietrza, rozchodzą się ponieważ zostały obdarzone przez wentylator energią kinetyczną. To ile tej energii (wyrażonej w J) zostanie wyemitowane w jednostce czasu jest właśnie mocą akustyczną. Jak wiemy J/s to W, dlatego moc akustyczna wyrażona jest w watach.

Jak widać jest to parametr opisujący bezpośrednio źródło dźwięku a nie falę, interesuje nas ilość energii wydzielona przez wentylator w czasie, dlatego na moc akustyczną nie ma wpływu odległość od źródła, mierzy się ją bezpośrednio przy źródle, to tak w dużym uproszczeniu.

Analogicznie jak przy ciśnieniu akustycznym, ze względu na charakter dźwięku, łatwiej i wygodniej wyrażać zmiany mocy akustycznej przy pomocy jej stosunku logarytmicznego do mocy odniesienia. Podobnie jak w przypadku ciśnienia akustycznego – mocą odniesienia jest minimalna moc źródła dźwięku słyszalna przez człowieka.

Poziom dźwięku

Często w opracowaniach, literaturze, czy materiałów producentów autorzy posługują się zagadkowym terminem „poziom dźwięku”. Mimo dość mało fizycznej nazwy, jest to po prostu skrót myślowy odnoszący się do poziomu ciśnienia akustycznego skorygowanego wg krzywej częstotliwościowej.

Co to są i po co te krzywe częstotliwościowe?

Krzywe korekcyjne mają za zadanie skorygować wartości rzeczywistego ciśnienia akustycznego dostosowując je do faktycznych właściwości, odczuć ludzkiego ucha. Człowiek najlepiej słyszy w zakresie średnich częstotliwości, natomiast najgorzej w niskich i wysokich. Na podstawie tych badań ucha ludzkiego stworzono krzywe korekcyjne A, B, C, D. W naszej branży jednak, ze względu na skalę hałasu, wykorzystuje się krzywą A. Zwykle mierniki ciśnienia akustycznego podają już wartości „przemielone” przez tą poprawkę. W danych urządzeń oznaczenie, że dany pomiar został skorygowany przez krzywą A oznacza się podając jako jednostkę dB(A).

Tłumienie dźwięku

Jak łatwo się domyślić, zadaniem tłumików i materiałów tłumiących jest zapobieżenie rozprzestrzenianiu się fal dźwiękowych od źródła dźwięku lub zmniejszenie ciśnienia akustycznego tej fali – mocy nie zmniejszymy, taką moc generuje nasze urządzenie przy zadanym trybie pracy, to jest jego parametr.

Hałas, niechciana fala dźwiękowa, który generuje np. urządzenie wentylacyjne rozchodzi się w ośrodku sprężystym (powietrzu) z taką mocą i siłą jaka została nadana cząsteczkom energia kinetyczna.

Hałas w instalacji wentylacyjnej powstaje głównie od silnika wentylatora – na stronę ssawną i tłoczną, ale również generuje go powietrze zmieniając prędkość przepływu i lawirując, często zawiłymi i krętymi „ścieżkami” kanałów wentylacyjnych.  

Żeby ten hałas zredukować wstawiamy materiał tłumiący, tłumik, który tworzy barierę przed tą falą uderzeniową. Część fali odbije się od tego materiału, część zostanie zaabsorbowana, a część przejdzie przez niego, wywołując drgania cząstek po drugiej stronie tłumika.

Właśnie strata, różnica w poziomie dźwięku przed i za przegrodą, wyrażona w decybelach, jest miarą izolacyjności akustycznej materiału. Odnosi się to nie tylko do tłumików, ale również do wszystkich przegród budowlanych.

Materiały służące do tłumienia w wentylacji to zwykle: wełna mineralna lub wełna szklana. Dzięki swojej porowatej, nieregularnej strukturze stwarzają spory opór dla fali akustycznej. Energia fali akustycznej zamiast być przekazana dalej, dzięki temu oporowi zostaje zamieniona w energię cieplną.

Właśnie proces obniżania poziomu ciśnienia akustycznego nazywa się tłumieniem dźwięku.

Wyróżniamy 2 zasadnicze rodzaje tłumienia – naturalnie i sztucznie. Cząsteczki powietrza powodujące hałas wytracają swoją energię wraz z pokonywaniem kolejnych odległości od źródła hałasu, nawet w kanale. Niestety, jak pisałam wcześniej, hałas jest również generowany przez przepływ powietrza przez kanały, a zwłaszcza kształtki wentylacyjne, co w praktyce pozwala pominąć tłumienie naturalne jako efektywne.

Tłumienie sztuczne odbywa się poprzez zastosowanie tłumików akustycznych. Najefektywniej robić to od razu za źródłem hałasu.

Tłumiki w zależności od potrzeb i rodzaju kanału mamy prostokątne i okrągłe.

Prostokątny tłumik jest zbudowany z obudowy z blachy ocynkowanej, a wewnątrz posiada tzw. kulisy – wkłady z wełny mineralnej ustawione wzdłuż przepływu powietrza przez kanał. Fala akustyczna przepływając przez tłumik wytraca swoją energię kinetyczną na kulisach.

Tłumiki okrągłe zbudowane są z rury spiro, która od środka wyłożona jest absorpcyjnym materiałem tłumiącym, który absorbuje energię kinetyczną fali dźwiękowej.

Poniżej kilka zasad dotyczących doboru tłumików:

Tłumić należy hałas generowany przez wentylator do wartości podanych w normie dotyczącej wymaganych poziomów ciśnień akustycznych dla poszczególnych pomieszczeń. Dla uproszczenia można założyć, że tłumienie naturalne w kanałach oraz wzrost poziomu hałasu w kanałach wzajemnie się znoszą. Doboru dokonujemy dla częstotliwości 125 i 250 Hz, przy większych częstotliwościach tłumienie jest z reguły wyższe niż wymagane.

Ważną kwestią wymagającą zwrócenia szczególnej uwagi są tzw. szumy własne tłumika, inaczej szumy przepływowe, pojawiające się przy przepływie powietrza przez tłumik. Jest to można powiedzieć, wypadkowa dźwięku, który powstaje z połączenia fali dźwiękowej wchodzącej do tłumika, obniżona o zaabsorbowany poziom ciśnienia akustycznego, ale znów powiększona o hałas, który powstaje przez opory przepływu przez tłumik. Tłumik, by tłumić wyłożony jest, jak pisałam wcześniej, materiałem dźwiękochłonnym, czyli niegładkim. Fala dźwiękowa nie ślizga się po nim bez strat, tylko częściowo wchłania w niego, częściowo odbija pod przypadkowymi kątami generując dźwięk.

To jak duży poziom ciśnienia akustycznego będzie generowany przez tłumik zależy w głównej mierze od prędkości powietrza, które przez niego przepływa. Większa prędkość, generuje większe zawirowania, wibracje, przez co zwiększa dodatkowy hałas, a przecież naszym celem jest hałas od wentylatora zmniejszyć, a nie dodawać go od dodatkowych czynników.

W literaturze podaje się, na podstawie licznych pomiarów, że optymalny zakres prędkości, który należy przyjmować przy doborze tłumików to 3-5 m/s. Generalnie z własnego doświadczenia i obserwacji dodam, że 8 m/s to graniczna prędkość do której „opłaca się” dobierać tłumiki. Powyżej tej prędkości szumy własne zwykle przekraczają zakładane przez nas poziomy ciśnienia akustycznego, które chcemy osiągnąć.  

Kolejnym parametrem, na który należy zwrócić uwagę dobierając tłumik, może już nie do końca akustycznym, jest opór przepływu na tłumiku. Wiadomo – im więcej kulis lub im grubsza izolacja w tłumiku, tym tłumienie będzie skuteczniejsze. Jednak strumień powietrza płynący przez kanał wytłumiając się, wytraca energię kinetyczną na tłumiku. Im więcej ma przeszkód, tym bardziej ją wytraca, przez co może jej nie starczyć na dalsze rozprowadzenie powietrza. Najlepszym rozwiązaniem będzie więc również i pod tym względem zachowanie niskiej prędkości przepływowej.

Powyższe porady stanowią tak naprawdę kompendium najistotniejszych informacji potrzebnych do prawidłowego doboru, bądź zweryfikowania doboru automatycznego, tłumika akustycznego do własnych potrzeb. Można to zrobić dokładniej, licząc skoki ciśnienia akustycznego na każdej kształtce, wytłumienia na prostkach, analizując całe pasmo oktawowe lub jeszcze bardziej upraszczając. Jak pisałam na początku, ilu projektantów, tyle pomysłów na dobór tłumika. Subiektywnie uważam, że obecnie, przy ogromie programów doborowych, absolutnie wystarczającym są podane wyżej informacje, chociażby dla zweryfikowania doborów, które sugerują programy.