Шумоизоляция инженерного оборудования: звукопоглощение и виброизоляция

Введение: актуальность акустического комфорта в современных зданиях

Обеспечение акустического комфорта в помещениях жилых и общественных зданий представляет собой одну из приоритетных задач современной строительной акустики. Инженерное оборудование, включающее насосные станции, вентиляционные установки и системы кондиционирования воздуха, является источником структурного и воздушного шума, который распространяется по строительным конструкциям и воздушной среде на значительные расстояния. Вибрационные колебания, генерируемые вращающимися механизмами, передаются через опорные элементы на несущие конструкции здания, возбуждая в них колебания, которые затем излучаются в виде вторичного шума в смежные помещения.

Проблема акустической изоляции инженерных помещений усугубляется тенденцией к размещению технических систем во встроенных и пристроенных помещениях многофункциональных зданий. Современные нормативные документы устанавливают строгие требования к допустимым уровням звукового давления в помещениях различного функционального назначения. Для жилых комнат эквивалентный уровень звука не должен превышать сорока децибел в дневное время и тридцати децибел в ночное время, с дополнительной поправкой минус пять децибел для шума от инженерного оборудования согласно СанПиН 1.2.3685-21 и СП 51.13330.2011. Невыполнение этих требований приводит к дискомфорту жильцов, снижению работоспособности и ухудшению качества отдыха.

Комплексная система шумоизоляции инженерного оборудования должна включать три основных компонента: виброизоляцию источников колебаний, звукопоглощающие облицовки помещений и глушители аэродинамического шума в воздуховодах. Каждый из этих элементов выполняет специфическую функцию в общей системе акустической защиты. Виброизоляторы препятствуют передаче механических колебаний на строительные конструкции, звукопоглощающие материалы снижают интенсивность отраженных звуковых волн в помещении, а глушители шума обеспечивают затухание звуковой энергии в воздуховодах систем принудительной вентиляции.

Нормативные требования к уровням шума в помещениях

Система нормирования шума в зданиях регламентируется действующими санитарными правилами СанПиН 1.2.3685-21 и сводом правил СП 51.13330.2011, которые устанавливают допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот и эквивалентные уровни звука для помещений различного назначения. Основным нормируемым параметром является эквивалентный уровень звука, измеряемый по шкале А шумомера. Для жилых комнат в многоквартирных домах допустимый уровень составляет сорок децибел в дневное время и тридцать децибел в ночное время. Для шума от систем вентиляции, кондиционирования и инженерного оборудования применяется дополнительная поправка минус пять децибел к этим значениям.

В палатах больниц и санаториев требования более строгие: допустимый уровень звука составляет тридцать пять децибел днем и двадцать пять децибел ночью. Для кабинетов врачей поликлиник и амбулаторий установлен норматив тридцать пять децибел. Рабочие помещения офисов и учебные аудитории имеют норматив сорок децибел в дневное время. В производственных помещениях и машинных залах насосных станций нормативный эквивалентный уровень звука составляет восемьдесят децибел согласно СанПиН 1.2.3685-21.

Нормируемые параметры для проникающего шума включают уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от тридцати одной целой пяти десятых до восьми тысяч герц. Такой подход позволяет корректно оценивать спектральный состав шума и подбирать эффективные средства защиты для различных частотных диапазонов. Низкочастотный шум от насосного оборудования требует применения виброизоляторов с низкой собственной частотой, в то время как для среднечастотного и высокочастотного шума эффективны звукопоглощающие облицовки с соответствующими акустическими характеристиками.

Физические основы виброизоляции насосного оборудования

Виброизоляция представляет собой снижение передачи вибрационной энергии от источника колебаний к защищаемому объекту за счет размещения между ними упругих элементов. Эффективность виброизоляторов оценивается коэффициентом передачи, равным отношению амплитуды виброперемещения защищаемого объекта к амплитуде виброперемещения источника вибрации. Виброизоляция обеспечивает снижение вибрации только при условии, что коэффициент передачи меньше единицы. Чем меньше значение коэффициента передачи, тем эффективнее работает система виброизоляции.

Ключевым параметром виброизолирующей системы является собственная резонансная частота, определяемая отношением жесткости упругих элементов к массе оборудования. Для обеспечения эффективной виброизоляции собственная частота системы должна быть существенно ниже рабочей частоты силового блока. Оптимальное соотношение между частотой возбуждения и собственной частотой колебаний системы составляет от двух целых пяти десятых до трех, что соответствует эффективности не менее восьмидесяти процентов. Для центробежного насоса с частотой вращения три тысячи оборотов в минуту рабочая частота составляет пятьдесят герц. При проектировании виброизолирующей системы с резонансной частотой двадцать герц достигается снижение амплитуды колебаний примерно на десять децибел.

Расчет параметров виброизоляции

При подборе виброизоляторов необходимо учитывать массу оборудования, рабочую частоту и требуемую эффективность защиты. Жесткость упругих элементов подбирается таким образом, чтобы статическая осадка под нагрузкой обеспечивала требуемую собственную частоту системы. Для пружинных виброизоляторов собственная частота вертикальных колебаний при номинальной нагрузке составляет от двух до четырех герц, что подтверждается техническими характеристиками промышленно выпускаемых виброизоляторов. Эластомерные материалы типа полиуретановых эластомеров имеют собственную частоту в диапазоне от восьми до двенадцати герц.

Важным аспектом проектирования является учет демпфирования в системе виброизоляции. Демпфирование обеспечивает снижение резонансных колебаний при прохождении через зону резонанса при запуске или останове оборудования. Металлические пружины обладают минимальным демпфированием, в то время как эластомерные материалы имеют коэффициент потерь от десяти до двадцати процентов. Для низкооборотных насосов с частотой вращения менее полутора тысяч оборотов в минуту, которые медленно выходят на рабочую частоту, применяются пружинные виброизоляторы с дополнительными демпфирующими элементами.

Типы виброизоляторов и их подбор

Современная практика виброизоляции инженерного оборудования предусматривает применение различных типов виброизолирующих опор в зависимости от характеристик оборудования и требований к эффективности защиты. Пружинные виброизоляторы обеспечивают низкую собственную частоту системы от двух до четырех герц и применяются для низкооборотных насосов с частотой вращения менее полутора тысяч оборотов в минуту, промышленных вентиляторов и дизель-генераторов. Стальные пружины имеют высокую несущую способность, долговечность и стабильность характеристик при изменении температуры, что делает их предпочтительным выбором для тяжелого оборудования.

Эластомерные виброизоляторы из материалов типа полиуретана обладают хорошими демпфирующими свойствами и компактными размерами. Они применяются для циркуляционных насосов систем отопления, малых вентиляторов и другого оборудования с частотой вращения более полутора тысяч оборотов в минуту. Материалы характеризуются собственной частотой в диапазоне от восьми до двенадцати герц, что обеспечивает эффективность более восьмидесяти процентов на рабочих частотах выше двадцати пяти герц. Эластомеры чувствительны к температуре и старению, поэтому их применение ограничивается температурным диапазоном от минус двадцати до плюс восьмидесяти градусов Цельсия.

Резиновые виброизоляторы и прокладки

Резиновые виброизоляторы представляют собой наиболее простое и экономичное решение для виброизоляции малого насосного оборудования в тепловых пунктах. Согласно СП 30.13330.2020, во встроенных и пристроенных тепловых пунктах под опоры трубопроводов и оборудования при их креплении к строительным конструкциям здания необходимо предусматривать виброизолирующие прокладки. Эти элементы имеют собственную частоту от десяти до пятнадцати герц и обеспечивают эффективность более семидесяти процентов на частотах выше тридцати герц.

Для насосных станций наружных систем водоснабжения, значительно удаленных от жилых и административных зданий, насосы обычно устанавливаются на массивные бетонные фундаменты. В каждом конкретном случае необходимо оценивать целесообразность применения виброкомпенсаторов с учетом потенциального риска аварийных ситуаций. Разрыв резинового компенсатора большого диаметра в заглубленной насосной станции может привести к серьезным последствиям, превосходящим потенциальную выгоду от увеличения срока службы оборудования.

Комбинированные виброизолирующие системы

Для магистральных насосных агрегатов большой мощности применяются комбинированные системы виброизоляции, сочетающие стальные пружины с эластомерными демпфирующими элементами. Такая конфигурация обеспечивает собственную частоту от пяти до семи герц при одновременном демпфировании резонансных колебаний. Эффективность комбинированных систем превышает девяносто пять процентов на частотах выше двадцати герц, что позволяет практически полностью исключить передачу вибраций на строительные конструкции здания. Дополнительное преимущество заключается в возможности точной настройки характеристик системы путем подбора параметров пружин и эластомеров.

Звукопоглощающие облицовки: материалы и конструкции

Звукопоглощающие материалы представляют собой пористые структуры, механизм действия которых основан на превращении энергии звуковой волны в тепловую энергию за счет вязкого трения в капиллярах пор. Эффективность звукопоглощающих материалов оценивается коэффициентом звукопоглощения, который показывает долю звуковой энергии, поглощенной материалом, по отношению к падающей энергии звуковой волны. Согласно нормативным документам, материалы считаются звукопоглощающими при коэффициенте не менее нуля целых четырех десятых на частоте тысяча герц. Коэффициент звукопоглощения является частотно-зависимым параметром и изменяется в широких пределах в зависимости от частоты звука и толщины материала.

Минераловатные плиты на основе базальтового или стеклянного волокна являются наиболее распространенными звукопоглощающими материалами в строительной акустике. Плиты плотностью от пятидесяти до восьмидесяти килограммов на кубический метр толщиной пятьдесят миллиметров обеспечивают коэффициент звукопоглощения от нуля целых двух десятых на частоте сто двадцать пять герц до нуля целых девяти десятых на частоте тысяча герц. При увеличении толщины до ста миллиметров коэффициент на низких частотах возрастает до нуля целых семи десятых, что особенно важно для поглощения шума от насосного оборудования, имеющего значительную низкочастотную составляющую.

Перфорированные звукопоглощающие конструкции

Перфорированные панели с размещенным за ними звукопоглощающим материалом обеспечивают дополнительное поглощение звуковой энергии на определенных частотах. Процент перфорации, представляющий собой отношение площади отверстий к общей площади панели, влияет на частотную характеристику конструкции. При проценте перфорации от пятнадцати до двадцати пяти процентов достигается эффективное поглощение в широком диапазоне частот с коэффициентом от нуля целых шести десятых на частоте двести пятьдесят герц до нуля целых восьми целых пяти сотых на частоте пятьсот герц. Размер и форма отверстий, их шаг и глубина оказывают влияние на коэффициент звукопоглощения, увеличивая его более чем на десять-двенадцать процентов по сравнению с непрерфорированными плитами.

Акустическая эффективность звукопоглощающих облицовок возрастает при размещении материала на расстоянии от стены, что называется размещением на относе. Воздушный зазор между материалом и стеной увеличивает эффективность поглощения на низких частотах. При зазоре пятьдесят миллиметров коэффициент звукопоглощения на частоте сто двадцать пять герц может увеличиваться в полтора-два раза по сравнению с плотным прилеганием к стене. Это особенно важно для технических помещений с насосным оборудованием, генерирующим интенсивный низкочастотный шум.

Глушители шума в системах вентиляции

Глушители шума представляют собой специализированные устройства для снижения аэродинамического шума, распространяющегося по воздуховодам систем вентиляции и кондиционирования. Принцип действия диссипативных глушителей основан на разделении воздушного потока на несколько частей с последующим снижением скорости движения и поглощении звуковой энергии пористыми материалами. В качестве звукопоглотителя применяются материалы с высоким коэффициентом звукопоглощения: минеральная вата, стекловолокно, защищенные от прямого воздействия потока перфорированными металлическими листами или стеклотканью.

Акустическая эффективность глушителей определяется величиной снижения уровня звукового давления в октавных полосах частот и зависит от нескольких параметров: длины активной части, периметра сечения воздушного канала, толщины и количества слоев звукопоглощающего материала, его плотности и коэффициента звукопоглощения. Пластинчатые глушители прямоугольного сечения с активной частью длиной тысяча миллиметров обеспечивают снижение шума от десяти до пятнадцати децибел на частоте сто двадцать пять герц и от тридцати пяти до сорока пяти децибел на частоте две тысячи герц. Трубчатые глушители круглого сечения имеют несколько меньшую эффективность при тех же габаритных размерах.

Размещение глушителей в вентиляционной системе

Правильное размещение глушителей в системе вентиляции критически важно для достижения требуемой акустической эффективности. Наиболее оптимальным считается установка глушителя в толще стены между техническим помещением и защищаемым пространством, что обеспечивает максимальное поглощение шума, возникающего как в воздуховоде, так и вне канала. При невозможности такого размещения глушитель устанавливается непосредственно перед стеной, что также обеспечивает высокую эффективность. Установка глушителя внутри технического помещения допустима, однако следует учитывать, что часть шума проникает в воздуховод уже после шумоглушителя.

Для увеличения акустической эффективности применяется последовательная установка нескольких глушителей с промежутками прямых участков воздуховода. Глушители и прямые участки соединяются гибкими вставками для предотвращения передачи вибраций. При скорости потока воздуха более двадцати пяти метров в секунду эффективность глушителя снижается на два-три децибела вследствие конвективного переноса звуковой энергии. Допустимая скорость потока в глушителе определяется уровнем генерируемого шума и зависит от допустимых уровней звукового давления в обслуживаемом помещении.

Специальные типы глушителей

Гибкие шумопоглощающие воздуховоды представляют собой особый класс глушителей, эффективных не только на высоких, но и на низких частотах. Акустическая эффективность гибкого воздуховода длиной один метр на частоте шестьдесят три герца составляет десять децибел и повышается до двадцати трех децибел на частоте двести пятьдесят герц. С увеличением длины эффективность значительно возрастает, что делает гибкие воздуховоды привлекательным решением для систем с ограничениями по габаритам. Следует учитывать повышенное аэродинамическое сопротивление таких воздуховодов, которое может составлять от сорока до шестидесяти паскалей на метр длины.

Комплексный подход к шумозащите инженерных помещений

Эффективная система акустической защиты инженерных помещений требует комплексного применения различных методов снижения шума и вибрации. Изолированное использование только одного типа мероприятий, как правило, не обеспечивает достижения нормативных требований. Вибрация от работающего насосного оборудования распространяется как по твердым поверхностям строительных конструкций, так и через жестко закрепленные к ним трубопроводы. Поэтому необходимо предусматривать виброизоляцию как самого оборудования, так и присоединенных коммуникаций с применением виброкомпенсаторов на трубопроводах и виброизолирующих креплений согласно требованиям СП 30.13330.2020.

Акустическая обработка технического помещения звукопоглощающими материалами снижает уровень отраженного звука и улучшает условия в самом помещении, но не решает полностью проблему структурного шума, передающегося на смежные помещения. При разработке проектов котельных и насосных помещений целесообразно рассматривать применение системы плавающего пола, которая учитывает общую массу оборудования, размещенного на полу, массу бетонной стяжки, шумовые характеристики оборудования и звукоизоляционную способность стен и потолка помещения. Однако реализация плавающего пола требует остановки эксплуатации оборудования на время проведения работ.

Практический пример комплексной системы

Рассмотрим практическую реализацию комплексной системы шумоизоляции для котельной, расположенной в жилом здании. Исходный уровень шума в котельной составлял семьдесят децибел, что не превышает предельно допустимые уровни для производственного помещения. Однако в жилой комнате квартиры уровень достигал тридцати двух децибел с ярко выраженной тональностью, что заметно превышало санитарные нормы для ночного времени суток. Высокая собственная звукоизоляция перекрытий от воздушного шума и наличие технического этажа показали бесполезность дополнительной изоляции перекрытия, выполненной управляющей компанией.

Решение включало несколько компонентов: виброизоляционные опоры для насосного оборудования и котлов, виброизоляционные рамы для трубопровода, размещенного на полу и подвешенного к потолку, гибкие резиновые вставки в местах крепления насосов с трубопроводом. Использовались виброизоляторы с собственной частотой вибрации от четырех до двенадцати герц в зависимости от материала и способа установки. Трубопровод в непосредственной близости к насосам и арматура закреплялись на виброизоляционной раме. При недостаточной высоте источника виброизоляторы выносились на свободные участки котельной, перенося нагрузку на виброизолирующие элементы.

Практические расчеты и примеры реализации

Для проектирования эффективной системы виброизоляции необходимо выполнить расчет основных параметров. Рассмотрим центробежный насос мощностью двести киловатт с частотой вращения тысяча четыреста восемьдесят пять оборотов в минуту. Рабочая частота составляет двадцать четыре целых семьдесят пять сотых герца. Для достижения эффективности виброизоляции более восьмидесяти процентов собственная частота системы должна быть менее десяти герц согласно оптимальному соотношению частот. При массе оборудования пятьсот килограммов требуемая жесткость виброизолирующих опор подбирается исходя из необходимой статической осадки.

При измерении вибрации насосного оборудования контролируются три взаимно перпендикулярных направления: вертикальное, горизонтально-поперечное и горизонтально-осевое по отношению к оси вала. Горизонтальные составляющие измеряются на уровне оси вала против середины длины опорного вкладыша, вертикальная составляющая измеряется на верхней части крышки подшипника над серединой длины вкладыша. Нормы вибрации для динамических насосов установлены ГОСТ Р 55265.7-2012, который определяет границы зон состояния оборудования в зависимости от мощности и скорости вращения.

Расчет звукопоглощающих облицовок

Снижение уровня шума за счет звукопоглощающих конструкций в зоне отраженного звука определяется изменением постоянной помещения до и после акустической обработки. Постоянная помещения представляет собой величину, характеризующую акустические свойства помещения, и зависит от общей площади ограждающих поверхностей и среднего коэффициента звукопоглощения. Для технического помещения размером десять на восемь метров с высотой три метра общая площадь ограждений составляет двести двадцать восемь квадратных метров. При среднем коэффициенте звукопоглощения необлицованных поверхностей нуль целых ноль пять сотых постоянная помещения равна двенадцати квадратным метрам.

При облицовке потолка и стен минераловатными плитами толщиной пятьдесят миллиметров с коэффициентом звукопоглощения нуль целых семь десятых на частоте тысяча герц средний коэффициент увеличивается до нуля целых пяти десятых, а постоянная помещения возрастает до ста двадцати восьми квадратных метров. Снижение уровня шума в помещении составляет десять целых три десятых децибела, что является значительным улучшением акустических условий. Следует отметить, что эффективность звукопоглощающей обработки максимальна на средних и высоких частотах, для низкочастотного шума требуется увеличение толщины материала или применение конструкций на относе.