Tłumiki akustyczne w instalacjach wentylacyjnych

Dzięki zastosowaniu tłumików działanie instalacji wentylacji mechanicznej stało się mniej uciążliwe i umożliwiło jej zastosowanie w pomieszczeniach, w których wymagana jest odpowiednia akustyka lub niski poziom hałasu, np. w sypialniach, kinach, teatrach, salach koncertowych czy salach operacyjnych w szpitalach. Dobierając tłumik do instalacji wentylacyjnej, należy zwrócić uwagę na:

• odpowiedni wybór lokalizacji tłumika w instalacji,
• widmo hałasu generowane przez instalację,
• zdolność tłumienną w zakresie widma przenoszonego i hałasu generowanego w danym odcinku przez instalację,
• możliwość zapewnienia odpowiedniego stanu higienicznego tłumika,
• wymiary tłumika i kształt jego przekroju poprzecznego,
• opory przepływu powietrza przez tłumik,
• szumy przepływowe generowane przez tłumik.

Tłumiki w instalacjach klimatyzacji i wentylacji instaluje się w pobliżu źródeł znacznego hałasu, do których zalicza się wentylatory. Mogą być również instalowane na głównym odcinku przewodu wentylacyjnego. Należy pamiętać, że poza wentylatorem są jeszcze inne źródła potencjalnego hałasu w instalacji, do których można zaliczyć np. regulatory przepływu, przepustnice, klapy pożarowe. Jeżeli tłumienie jest niewystarczające, stosuje się tłumiki wtórne umieszczane np. w rozgałęzieniach przewodów, bezpośrednio przed nawiewnikiem (wywiewnikiem) powietrza.

Tłumiki akustyczne można ogólnie podzielić na:

• tłumiki pasywne (bierne),
• tłumiki aktywne.

Tłumiki pasywne

Tłumiki pasywne ze względu na konstrukcję i sposób działania dzieli się na:

• tłumiki absorpcyjne, których działanie polega na tym, że energia dźwięku wnika do wnętrza materiału dźwiękochłonnego i wskutek tarcia zamienia się w ciepło. Charakteryzują się one małymi stratami ciśnienia. Wadą tych tłumików jest to, że mogą one w pewnych warunkach stwarzać dogodne warunki dla rozwoju mikroorganizmów, a tym samym być źródłem emisji zanieczyszczeń powietrza;
• tłumiki dławiące, których działanie również polega na zamianie energii dźwięku na ciepło, lecz zachodzi to podczas przepływu powietrza przez materiał porowaty o dużym oporze przepływu. Ze względu na duże opory przepływu i możliwość zatykania zanieczyszczeniami są one bardzo rzadko stosowane w technice wentylacyjnej, ale za to można je spotkać np. w instalacjach sprężonego powietrza lub w instalacjach parowych;
• tłumiki odbiciowe, stosowane np. w maszynach spalinowych.

Tłumiki pasywne nie wprowadzają dodatkowej energii akustycznej powodującej tłumienie dźwięków generowanych przez instalację. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe rozwiązania konstrukcyjne tłumików stosowanych w instalacjach wentylacji mechanicznej. Istnieją rozwiązania konstrukcyjne tłumików przeznaczonych do przewodów o przekroju prostokątnym i okrągłym.

Niektóre z wariantów konstrukcyjnych tych tłumików są szeroko rozpowszechnione w technice wentylacji (rys. 1a, b, g, h). Należy do nich zaliczyć tłumiki absorpcyjne, wykonane w postaci prostych lub zagiętych rur – przewodów tłumiących, bądź też w postaci płyt – ekranów (kulis) dźwiękochłonnych umieszczonych w blaszanym kanale, nazywanych tłumikami kulisowymi (fot. 1).

Dostępne na rynku tłumiki na ogół skutecznie likwidują fale w zakresie częstotliwości, dla których zostały zaprojektowane. Należy je dobierać tak, aby skutecznie obniżały hałas generowany przez instalację. Zakres eliminacji fal akustycznych zależy od ich cech konstrukcyjnych, w tym m.in. od wymiarów, wielkości powierzchni pochłaniającej dźwięk i zastosowanych materiałów pochłaniających. Pochłanianie dźwięków w tłumikach rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości drgań i grubości materiału pochłaniającego.

W literaturze podaje się, że najistotniejsze znaczenie dla obliczeń akustycznych mają przede wszystkim częstotliwości 125 i 250 Hz, co związane jest z częstotliwością dźwięków emitowanych przez wentylator (rys. 2 i rys. 3):

gdzie:

n – obroty na minutę,
z – liczba łopatek wirnika

Przy wyższych częstotliwościach tłumienie jest przeważnie mocniejsze, co jest zaletą w przypadku większej liczby łopatek oraz prędkości obrotowej wentylatora.

Stosowany niekiedy uproszczony sposób obliczania tłumików hałasu polega na założeniu, że wielkość tłumienia powinna spełniać wymagania przy częstotliwości 250 Hz. Jednak takie uproszczenie w obliczeniach akustycznych powoduje, że nie jesteśmy w stanie określić, jak zachowa się tłumik dla innych częstotliwości.

Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe oktawowe tłumienie sekcji tłumiącej centrali wentylacyjnej w przedziale niskich częstotliwości. Lepiej zatem wykonać dokładniejsze obliczenia uwzględniające zachowanie się tłumika w możliwie szerokim spektrum częstotliwości, np. w pasmach oktawowych od 63 do 8 kHz, dzięki którym będzie można przewidzieć poziom hałasu wprowadzanego przez instalację wentylacyjną do pomieszczenia.

W konstrukcji każdego tłumika absorpcyjnego istotną rolę pełni materiał pochłaniający. Materiał ten charakteryzuje indywidualny współczynnik pochłaniania dźwięku w danym paśmie widma akustycznego. Ponadto istotną rolę w zdolności tłumiennej tłumika odgrywają jego wymiary i zastosowane rozwiązania konstrukcyjne. Wraz ze wzrostem długości tłumika absorpcyjnego rośnie jego tłumienie – rys. 5.

Tłumiki te wykonuje się bardzo często z przewodów sztywnych lub giętkich wyłożonych wełną mineralną. Materiał pochłaniający wykłada się folią aluminiową, perforowaną blachą lub inną powłoką ochronną. Powłoka dźwiękochłonna powinna charakteryzować się: dużą zdolnością pochłaniania dźwięku, bezwonnością, niepalnością, niehigroskopijnością i trwałością.

Stosowane materiały pochłaniające dźwięki mają na ogół strukturę porowatą, co niewątpliwie sprzyja ich zanieczyszczaniu i zawilgoceniu. Dlatego tłumiki mogą stwarzać na swoich powierzchniach dogodne warunki do rozwoju mikroorganizmów, co w konsekwencji może wpłynąć na pogarszanie się jakości powietrza dostarczanego do pomieszczeń.

Niestety, starzejący się z upływem lat materiał dość często ulega rozwłóknianiu i wykruszaniu, a tym samym wprowadzany jest do powietrza wentylacyjnego. Aby zapobiec tym niepożądanym zjawiskom, materiały pochłaniające pokrywane są bardzo często powłokami ochronnymi, utrudniającymi przenikanie zanieczyszczeń i wilgoci do wnętrza materiału tłumiącego, a ponadto mogą być powlekane środkami utrudniającymi np. wzrost grzybów pleśniowych. Zawilgocenie tłumika powoduje również zmianę jego tłumienności.

Dlatego w tłumikach ulegających opisanym zjawiskom wskazana jest okresowa wymiana materiału pochłaniającego lub nawet całego tłumika. Uwzględniając powyższe fakty, w praktyce eksploatacyjnej uzasadnione jest poddawanie tłumików okresowym przeglądom. Wśród absorpcyjnych tłumików hałasu na uwagę zasługują tłumiki kulisowe. Składają się z ułożonych równolegle obok siebie kulis (płyt – ekranów) z materiałem pochłaniającym i temu zawdzięczają swą nazwę. Całość złożona jest w jeden moduł, umożliwiający połączenie dwóch stron tłumika z instalacją wentylacyjną. Bardzo często tłumiki kulisowe zblokowane są w tzw. sekcje tłumiące wchodzące w skład centrali wentylacyjnej, które instaluje się bezpośrednio za wentylatorami.

Istotną funkcję w tłumieniu dźwięków przez tłumik kulisowy spełniają m.in.:

• rodzaj materiału tłumiącego, a tym samym jego zdolność do tłumienia dźwięków,
• grubość izolacji akustycznej, liczba kulis,
• odległość między kulisami,
• wymiary tłumika, w tym jego długość i szerokość.

Zwiększenie powierzchni tłumiącej zwiększa zdolność tłumienia dźwięków. Można stwierdzić, że zdolność tłumienia dźwięków przez tłumik poprawia się, gdy: zwiększa się grubość (rys. 6) i powierzchnia izolacji akustycznej, liczba kulis oraz długość tłumika (rys. 4).

Aby tłumik wytłumiał daną falę akustyczną, odległość „s” między ekranami musi być mniejsza od długości tej fali. Gdy odległość między ekranami będzie większa od długości fali akustycznej – fala nie wytłumi się (rys. 7). Zazwyczaj odległość ta jest mniejsza od 200 mm (rys. 8).
Wielkość tłumienia określa wzór [1]:

gdzie:
α – współczynnik pochłaniania dźwięku,
d – grubość warstwy materiału pochłaniającego dźwięk [m],
S – wolny przekrój [m²].

Mały tłumik, zbyt ciasno obsadzony ekranami tłumiącymi powoduje wzrost oporów przepływu powietrza. Ponadto zbyt duża prędkość przepływu powietrza przez tłumik jest przyczyną powstawania tzw. szumów przepływowych. Zalecane prędkości przepływu powietrza na wlocie do tłumika wynoszą od 3 do 5 m/s. Małe prędkości przepływu powietrza zmniejszają ryzyko powstawania szumów przepływowych.

Na rysunku 9 przedstawiono przykładowe widmo akustyczne szumu przepływowego powstającego przy przepływie powietrza przez tłumik absorpcyjny. Moc akustyczna szumu przepływowego jest w przybliżeniu równa [1]:

gdzie:
v – prędkość powietrza w tłumiku [m/s],
S – wolny przekrój [m²],
A – przekrój przewodu na dopływie powietrza [m²].

Tłumiki aktywne

Poza tłumikami pasywnymi istnieją jeszcze tzw. tłumiki aktywne. Działanie tych tłumików polega na aktywnej redukcji hałasu. Jest to, inaczej mówiąc, zwalczanie hałasu „antyhałasem”. Tłumiki te nie są szeroko rozpowszechnione w technice wentylacji, jednak ten sposób tłumienia dźwięków jest coraz częściej przytaczany w literaturze tematu. Ma on niewątpliwe zalety, a mianowicie nie wpływa na zwiększenie oporów przepływu i nie zajmuje dodatkowej znacznej przestrzeni w układzie wentylacyjnym.

Niestety, dla zapewnienia działania tych tłumików niezbędne jest dostarczanie energii do ich elementów detekcji, przetwarzania i generacji drgań. Skuteczność działania tłumika zależy od zdolności wygenerowania takich fal akustycznych, które umożliwiają wytłumienie fal powstających w instalacji w rzeczywistych warunkach pracy. Ze względu na złożoność akustyczną powstających w instalacjach fal dźwiękowych powstają techniczne problemy redukcji hałasu. Należy jednak spodziewać się, że w miarę postępu technicznego aktywne metody redukcji hałasu będą coraz częściej przedstawiane jako alternatywa dla metod pasywnych, szczególnie w zakresie niskich częstotliwości.

Literatura

1. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E. R., Ogrzewanie i klimatyzacja. Poradnik, Wydawnictwo EWFE, Gdańsk 1994.