Шумоглушители и снижение шума в вентиляции

Шумоглушители — обязательный элемент инженерной сети приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования, обеспечивающий снижение шума, передаваемого от вентилятора и регулирующих устройств по воздуховодам в обслуживаемые помещения. Различают пластинчатые и трубчатые конструкции с волокнистым звукопоглощающим материалом, выбираемые по расходу, скорости потока, требуемому затуханию в восьми октавных полосах частот и допустимым потерям давления. Проектирование систем шумоглушения в вентиляции и кондиционировании регламентируется СП 271.1325800.2016 и СП 51.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 23-03-2003); нормирование допустимых уровней шума на рабочих местах — ГОСТ 12.1.003-2014.

Источники шума в системах вентиляции

В вентиляционной сети шум формируется несколькими независимыми источниками, каждый со своим характером спектра. Эффективное шумоподавление требует понимания доли каждого источника в суммарной звуковой мощности.

Шум вентилятора

Основной источник в большинстве систем. Складывается из двух составляющих:

• Аэродинамический шум — результат вихреобразования на лопатках рабочего колеса, неоднородности потока на входе и выходе, отрыва пограничного слоя. Содержит дискретные тона на частоте лопаточного следа (произведение числа лопаток на частоту вращения) и сплошной спектр широкополосного шума. Этот шум — обычно доминирующий компонент;
• Механический шум — вибрации подшипников, дисбаланс рабочего колеса, шум электродвигателя, передаваемые через корпус и фундамент. При исправном вентиляторе и виброизоляции в общую звуковую картину вентиляционной сети вносит меньший вклад.

Шумовые характеристики вентиляторов определяются и нормируются по комплексу стандартов: ГОСТ 31352-2007 (ИСО 5136:2003) — измерительный воздуховод, ГОСТ 31353.1...4-2007 (ИСО 13347-1...4:2004) — лабораторные методы определения уровней звуковой мощности.

Аэродинамический шум потока в каналах

Возникает при движении воздуха по воздуховодам, особенно на местных сопротивлениях: отводах, тройниках, шиберах, дроссель-клапанах, диафрагмах. При высоких скоростях потока (свыше 8–10 м/с в магистралях и 4–6 м/с на ответвлениях) аэродинамический шум сопоставим с шумом вентилятора и не может быть устранён шумоглушителем, расположенным выше по потоку.

Шум воздухораспределительных устройств

Решётки, плафоны, анемостаты при превышении расчётной скорости истечения создают собственный шум, излучаемый непосредственно в обслуживаемое помещение. Шумоглушитель в магистрали этот шум не снижает.

Шумоглушитель эффективен только против шума, передаваемого по воздуховоду от расположенных выше по потоку источников. Шум, генерируемый ниже глушителя — на регулирующих устройствах и воздухораспределителях, — он не снижает.

Стандарты и нормативная база

Проектирование систем шумоглушения в воздушном отоплении, вентиляции и кондиционировании регламентируется комплектом действующих документов федерального и межгосударственного уровня.

Санитарно-гигиеническое нормирование шума в жилых и общественных зданиях, требования к допустимым уровням звукового давления в помещениях различного назначения — по СанПиН 1.2.3685-21 (гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и/или безвредности для человека факторов среды обитания). Конкретные значения допустимых уровней зависят от назначения помещения и времени суток.

Типы шумоглушителей

Все типы канальных шумоглушителей в вентиляции относятся к классу абсорбционных (диссипативных) — снижение шума достигается за счёт поглощения звуковой энергии в волокнистом материале, обтекаемом потоком воздуха. Конструктивно различают три основные группы.

Пластинчатые шумоглушители

Прямоугольный корпус из листового металла, внутри которого параллельно потоку установлены звукопоглощающие пластины. Каждая пластина — перфорированный с боков короб, заполненный волокнистым материалом. Между пластинами образуются плоские каналы, по которым проходит воздух; звуковая волна, распространяясь вдоль канала, частично поглощается боковыми поверхностями пластин.

Трубчатые шумоглушители

Два соосных цилиндра разного диаметра. Внутренний (свободное сечение для прохода воздуха) — перфорированный; внешний — глухой. Кольцевой зазор между ними заполнен волокнистым звукопоглощающим материалом. Возможны прямоугольные исполнения с одним свободным каналом.

Камерные шумоглушители

Расширительная камера, облицованная изнутри звукопоглощающим материалом. Сочетают эффект отражения волны на изменении сечения (характерно для реактивных глушителей) с поглощением в облицовке. Применяются в специальных случаях — для снижения низкочастотного шума и в условиях ограниченной длины тракта.

Отдельно стоят канальные шумоглушители особой конструкции: с многослойной звукопоглощающей структурой, мембранные (для узких низкочастотных полос), активные с электронной обратной связью. Применение последних ограничено специальными задачами; основу инженерной практики составляют пластинчатые и трубчатые конструкции.

Звукопоглощающие материалы

Основа эффективности шумоглушителя — материал, поглощающий звуковую энергию за счёт вязких потерь при движении воздуха в его пористой структуре. Применяются три основные группы материалов:

• Минеральная вата (каменная, базальтовая) — наиболее распространённый материал. Негорючая (НГ по ГОСТ 30244-94), широкий частотный диапазон поглощения, химически стабильна. Плотность маты подбирают исходя из требуемого спектра поглощения;
• Стекловолокно — близко к минеральной вате по акустическим свойствам, негорючее. Применяется в шумоглушителях, в том числе как обкладка перфорированного корпуса пластины;
• Полиэфирные и меламиновые пены — синтетические звукопоглощающие материалы; используются ограниченно ввиду требований по горючести и долговечности в вентиляционных сетях.

Звукопоглощающий материал защищается от потока воздуха перфорированным металлическим листом или акустически прозрачной мембраной (например, стеклоткань). Защита предотвращает выдувание волокон в воздуховод — это критично для пищевых, медицинских и чистых производств.

Для систем вентиляции в помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха (медицинские, фармацевтические, пищевые производства) подбирают шумоглушители с дополнительной защитной мембраной поверх перфорации, исключающей попадание волокон материала в воздуховод. Применение синтетических пен в подобных системах ограничивается требованиями пожарной безопасности.

Акустические характеристики

По ГОСТ 28100 (издание 2007 г.) основные акустические характеристики шумоглушителя — снижение шума D_ст, уровень звуковой мощности собственного шума L_w и потери давления ΔP_полн. Они приводятся в каталогах производителей и проверяются лабораторными измерениями по ИСО 7235:2003.

Все характеристики приводятся по октавным полосам со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц — в соответствии с СП 51.13330.2011 акустический расчёт проводится в восьми октавных полосах. ГОСТ 28100 допускает измерения в третьоктавных полосах в диапазоне 50–10000 Гц (для центральных систем — 100–8000 Гц).

Расчёт затухания шума

Цель акустического расчёта — определить требуемое снижение уровня звукового давления в защищаемом помещении (расчётной точке) и подобрать шумоглушитель, обеспечивающий это снижение в каждой из октавных полос.

Принципиальная последовательность по СП 51.13330.2011

1. Определение шумовых характеристик источников — уровней звуковой мощности вентилятора и других источников шума в системе по октавным полосам; данные берутся из шумовых характеристик оборудования, нормированных в технической документации производителя.
2. Выявление путей распространения шума от вентилятора до расчётной точки в защищаемом помещении.
3. Расчёт потерь звуковой энергии на каждом пути: затухание в прямых участках воздуховода, потери в отводах, тройниках, переходах сечения, рассеяние на воздухораспределителе, затухание в шумоглушителе, снижение за счёт расстояния и звукопоглощения в помещении.
4. Сравнение с допустимыми уровнями. Если ожидаемые уровни в расчётной точке выше допустимых, рассчитывают требуемое снижение в каждой октавной полосе ΔL_тр = L_ож − L_доп.
5. Подбор шумоглушителя с гарантированным снижением D в каждой октавной полосе не меньше требуемого ΔL_тр.
6. Проверочный расчёт уровней звукового давления после установки выбранного глушителя.

Базовая формула снижения уровня

Требуемое снижение определяется отдельно для каждой из восьми октавных полос; затем подбирается шумоглушитель, в спектральной характеристике которого затухание не меньше требуемого во всех полосах с возможным запасом 2–3 дБ.

Низкочастотный шум (полосы 63 и 125 Гц) подавляется заметно хуже среднечастотного. При невозможности обеспечить требуемое затухание стандартной конструкцией применяют шумоглушитель увеличенной толщины пластин, последовательную установку нескольких глушителей или комбинированные решения с реактивной (камерной) секцией.

Подбор длины и габаритов

В первом приближении затухание абсорбционного глушителя пропорционально длине активной части и обратно пропорционально ширине воздушного канала между пластинами. Чем толще слой звукопоглощающего материала, тем эффективнее поглощаются низкие частоты.

Алгоритм инженерного подбора:

1. Расход воздуха и допустимая скорость. Сечение шумоглушителя выбирают так, чтобы скорость потока в свободных каналах между пластинами не превышала 8–10 м/с в магистральных системах (для трубчатых конструкций ограничение ниже). Превышение приводит к росту собственного шума и аэродинамического сопротивления.
2. Толщина пластины. Подбирают по требуемому затуханию на низких частотах. Тонкие пластины (около 100 мм) эффективны в средне- и высокочастотной области; толстые (200 мм и более) расширяют рабочий диапазон в сторону низких частот.
3. Длина активной части. Выбирается по спектральной характеристике из каталога производителя так, чтобы во всех восьми октавных полосах обеспечивалось не меньшее снижение, чем требуемое. На практике длина пластинчатых глушителей ограничивается 3 м в одной секции, трубчатых — 2 м; при недостаточном затухании устанавливают две секции с разделительным воздуховодом длиной 0,8–1,0 м.
4. Аэродинамическое сопротивление. Проверяют, что суммарные потери давления в шумоглушителе и присоединительных переходах не превышают резерв давления вентилятора.
5. Контроль собственного шума. При высокой скорости потока собственный шум глушителя (звуковая мощность L_w) может оказаться выше уровня сигнала, поступающего из вентилятора, после ожидаемого подавления — глушитель тогда не достигает заявленной эффективности.

Компоновка в вентиляционной сети

Эффективность шумоглушителя зависит не только от его собственных характеристик, но и от места установки в сети.

1. Глушитель на нагнетании после вентилятора. Снижает шум, попадающий из вентилятора в воздуховод приточной системы. Между вентилятором и глушителем устанавливают гибкую вибровставку (мягкую неметаллическую вставку длиной 50–100 мм) для развязки структурного шума.
2. Глушитель на всасывании перед вентилятором. Снижает шум, излучаемый вентилятором против потока. Применяется во встречных и вытяжных схемах.
3. Глушитель перед воздухораспределителем. Снижает остаточный шум, переданный по магистрали, перед поступлением воздуха в помещение. Особенно важен в помещениях с повышенными акустическими требованиями (студии, аудитории, переговорные).
4. Прямой участок воздуховода перед глушителем длиной не менее 2–3 калибров (диаметров) для стабилизации потока. Это снижает турбулизацию на входе и собственный шум глушителя.
5. Прямой участок после глушителя — для предотвращения возбуждения шума в ближайшем местном сопротивлении (отвод, тройник).
6. Между двумя секциями последовательно установленных глушителей — прямой воздуховод длиной 0,8–1,0 м (по практическим рекомендациям руководств по расчёту вентиляции). Без этого зазора косвенные пути распространения звука обходят активную зону.

При установке шумоглушителя в венткамере наружные стенки кожуха излучают звук в помещение. В шумных вентустановках применяют глушители с повышенной звукоизоляцией кожуха или размещают их за пределами венткамеры в магистральном тракте.

Регенерация шума и аэродинамическое сопротивление

При высоких скоростях потока в каналах между пластинами шумоглушитель начинает сам генерировать аэродинамический шум — это явление называется регенерацией. Уровень собственного шума растёт с пятой-шестой степенью скорости потока; при превышении некоторого порога он превосходит остаточный шум сигнала, и динамическое затухание D_дин оказывается меньше статического D_ст.

Рекомендации по скорости потока:

• Для пластинчатых шумоглушителей в магистральных системах — типично до 8–10 м/с в свободном сечении канала;
• Для трубчатых конструкций — до 10–12 м/с в свободном сечении воздуховода;
• Для систем с повышенными акустическими требованиями (студии звукозаписи, концертные залы, переговорные) — скорости снижают в 1,5–2 раза.

Аэродинамическое сопротивление шумоглушителя складывается из потерь на входе и выходе в канал между пластинами и потерь по длине. Рост сопротивления пропорционален примерно квадрату скорости и определяется конструкцией пластин. Каталожные значения приводятся для нескольких расчётных скоростей; при отличающейся скорости потери пересчитывают пропорционально (v/v_ном)².

Чрезмерное увеличение длины пластинчатого глушителя для подавления низких частот приводит к росту аэродинамических потерь и собственного шума. Эффективнее использовать комбинированную схему: пластинчатый абсорбционный глушитель + камерная секция, обеспечивающая отражение низкочастотной составляющей.

Типичные ошибки проектирования

1. Подбор шумоглушителя по суммарному уровню шума в дБА вместо спектрального расчёта по октавным полосам. В результате остаются непогашенными отдельные полосы (чаще низкочастотные), и итоговый уровень в помещении превышает допустимый.
2. Установка глушителя ниже регулирующих устройств по потоку. Шум, генерируемый дроссель-клапаном или шибером после глушителя, не подавляется. Решение — устанавливать глушитель ниже всех значительных местных сопротивлений или применять второй глушитель ближе к воздухораспределителю.
3. Превышение допустимой скорости потока. Регенерация шума резко снижает эффективность; в крайних случаях глушитель оказывается источником шума, превосходящим вентилятор. Решение — увеличение сечения глушителя за счёт переходов.
4. Отсутствие гибкой вставки между вентилятором и глушителем. Структурный шум от вентилятора передаётся по стенкам жёсткого воздуховода в глушитель и далее — мимо звукопоглощающего канала. Виброизоляция вентилятора обязательна.
5. Игнорирование шума, излучаемого корпусом глушителя в венткамеру. При высокой звуковой мощности на входе тонкостенный кожух становится источником вторичного излучения; требуется дополнительная звукоизоляция корпуса.
6. Применение трубчатого глушителя при больших сечениях. Эффективное затухание в трубчатой конструкции достигается только при ограниченных диаметрах. Для крупных магистралей применяют пластинчатые глушители.
7. Слишком короткие переходы между сечениями. Конфузор перед глушителем и диффузор после него с большим углом раскрытия создают отрыв потока и дополнительный шум. Углы раскрытия не должны превышать рекомендованных значений (как правило, до 30° для диффузора, не более 60° для конфузора).
8. Неучёт собственного шума глушителя. При тихом источнике (вентилятор с малой звуковой мощностью) на расчётной точке доминирует собственный шум глушителя — фактическая эффективность системы шумоглушения ниже расчётной.

Часто задаваемые вопросы