Шум вентиляторов

Шум вентиляторов — это волны сжатия/расширения, возникающие в результате работы вентилятора, распространяющиеся в воз­духе в диапазоне частот, доступном восприятию ухом человека (примерно 16— 16000 Гц)

Характеристики шума

Шум вентиляторов, как и другой измеряют с использованием в основ­ном трёх физических величин: звуковое давление р (Па), интенсивность звука I (Вт/м²) и звуковую мощность W (Вт). Шум вентиляторов Рассмотрим эти параметры.

Звуковое давление

Звуковое давление р определяет силовое воздействие звуковой волны (волны сжатия/расширения) в заданной точке пространства на мембрану уха или за­меняющий ее микрофон. Это силовая характеристика выбранной точки звуко­вого поля. Звуковое давление р применяется для измерения шума от работы вентилятора в конкретной точке, например на рабочем месте или в месте отдыха. Кроме того, звуковое давление используется для измерения корпусного шума вентилятора (звуковое давление в определенной точке свободного пространства на некотором фиксированном расстоянии от поверхности корпуса вентилято­ра), а также для характеристики шума на выходе в свободном пространстве, окружающем крышный вентилятор (на некотором фиксированном расстоянии). Термин «свободное пространство» означает отсутствие вокруг измеряемого объекта (вентилятора) каких-либо посторонних источников шума или отражаю­щих поверхностей, которые могут исказить результаты измерений. Фактически те или иные помехи при реальных измерениях всегда имеют место, и поэтому необходимо пользоваться соответствующими ГОСТ, в которых установлены тре­буемые условия измерений и оценка возникающих при этом помех.

Интенсивность звука

Интенсивность звука I характеризует перенос энергии при распростране­нии звуковой волны, т. е. плотность потока звуковой мощности W[1]. Эта физи­ческая величина связана со звуковым давлением в общем случае сложными уравнениями акустики. В простейшем случае плоской звуковой волны в свобод­ном пространстве (которое моделируется для некоторого частотного диапазона в измерительных заглушенных камерах при испытаниях вентиляторов) интен­сивность звука I связана со звуковым давлением р формулой, которая играет большую роль в акустических измерениях:

где p² — средний квадрат звукового давления; р — плотность воздуха (при нор­мальных атмосферных условиях — 1,2 кг/м³); с — скорость звука (при нормаль­ных атмосферных условиях — 344 м/с).

Звуковая мощность

Звуковая мощность W определяет энергию звуковой волны, проходящую в единицу времени через заданную поверхность:

где S — выбранная поверхность, через которую проходит звуковая волна, мощность которой определяется; I_п — составляющая интенсивности звука, нормальная к выбранной поверхности. В простейшем случае плоской звуковой волны

Звуковая мощность W используется для характеристики шума вентилятора, распространяющегося по воздуховодам системы, на входе/выходе воздуховодов или вентилятора. Следует иметь в виду, что в большинстве случаев, например в воздуховодах, при сильных отражениях звука, при резонансах звуковое давле­ние не является характеристикой источника шума и поэтому используется звуко­вая мощность. Кроме того, шум, излучаемый из какого-либо отверстия вентиля­ционной системы, входного или выходного отверстий вентилятора, в общем случае имеет диаграмму направленности, т.е. излучается неравномерно по на­правлению.

Как распространяется шум вентиляторов

Для понимания физической сути величин р и W, а также диаграммы направ­ленности можно провести аналогию между звуковым излучением выхода вентиля­тора и светом фонаря (рис. 7.1).

Мощность лампы является прямым аналогом зву­ковой мощности W выхода вентилятора и, как известно, не зависит от расстояния. Освещенность является аналогом интенсивности звука I и зависит от расстояния от источника. На оси фонаря освещенность максимальная и уменьшается по ква­драту расстояния. Но если выделить сферу R, то на сфере по мере удаления от оси фонаря освещенность будет из­меняться (в большинстве случаев уменьшаться). Например, осве­щенность в точке А (на расстоя­нии R, под углом 45° к оси фона­ря) меньше, чем максимальная освещенность. Изменение осве­щенности по сфере по мере удаления от оси излучения на­зывается диаграммой направлен­ности. У вентиляторов излуче­ние шума происходит примерно так же. Таким образом, звуковое давление в точке А, строго гово­ря, не является характеристикой шума излучаемого объекта, т. к. необходимо знать диаграмму на­правленности излучения.

Измерения шума вентиляторов

При акустических измерениях шума, вентилятор работает на стационарном аэроди­намическом режиме, т.е. его аэродинамические и акустические характеристики не меняются со временем. В процессе экспериментов измеряются, как правило, звуковое давление в определенной точке пространства или распределение звуко­вого давления по некоторой поверхности, определенной конкретным стандартом, если вычисляется звуковая мощность объекта. Кроме того, в последнее время появились международные и отечественные стандарты определения акустической мощности источника, опирающиеся на измерение акустической интенсивности. Измеряют звуковое давление с помощью микрофонов и обрабатывают с помощью шумомеров разных типов в зависимости от поставленной задачи.

Так как человеческое ухо чувствительно к звуку в очень широком диапазоне громкостей, то в акустике принято использовать логарифмическую шкалу — шкалу в децибелах, позволяющую охватить широкий диапазон громкостей и наиболее приближенную к характеристике чувствительности уха. Значение па­раметра в децибелах пропорционально логарифму отношения соответствующей величины к пороговому значению.

Так уровень звукового давления, дБ:

где р₀ = 2 • 10ˉ⁵ Па — пороговое значение звукового давления.

Именно эту величину — звуковое давление, выраженное в децибелах, — по­казывают стандартные шумомеры.

Интенсивность звука

Здесь Li — уровень интенсивности звука, дБ; I₀ = 10^-12 Вт/м² — пороговое значение интенсивности звука.

Звуковая мощность

Здесь Lw— уровень звуковой мощности, дБ; W₀ = 10^-12 Вт — пороговое значе­ние звуковой мощности.

Поскольку для воздуха при нормальных условиях рс ≈ 400 Па • с/м, то уровни звукового давления и интенсивности в плоской волне L_р ≈ Li а уровень звуковой мощности  Lw ≈ Lp+10 lg S.

Из формул следует, что если звуковые давления отличаются в два раза, то раз­ница уровней звукового давления равна 6 дБ, в три раза — 10 дБ. А если звуко­вые мощности отличаются в два раза, то разница уровней звуковой мощности равна 3 дБ.

Для сферической волны с радиусом распространения R справедливо соотно­шение W = I(4пR²), и, следовательно, если мощность источника шума известна, то можно определить интенсивность на требуемом расстоянии R. Если расстоя­ние велико, то звуковую волну можно считать плоской и уровни звукового дав­ления примерно равны уровням интенсивности:

В случае крышного вентилятора с известной звуковой мощностью на выходе, принимая свободное пространство вокруг него в виде полусферы, можно полу­чить следующее выражение:

Отсюда видно, что удаление в два раза в свободном пространстве от крышного вентилятора, или воздухозаборной решетки, или от выхода вентиляционной системы приведет к снижению уровней шума на 6 дБ.

Общее представление о шуме некоторых типичных источников дает нагляд­ная картинка (рис. 7.2). Как видно, уровень звукового давления, измеренный в лесу, 17—20 дБ, а в жилой комнате — около 40—50 дБ. Эти цифры полезно пом­нить, т. к. зачастую в каталогах дают заведомо неправдоподобные уровни шума вентиляторов или приточных установок.