Akustyka w klimatyzacji Cz. 1. Wybrane zagadnienia akustyki pomieszczeń i instalacji

Organizm człowieka jest przystosowany do określonego ciśnienia, zakresu temperatury, wilgotności powietrza itp. Zmysły reagują na określony zakres natężenia światła (wzrok), częstotliwości i natężenia dźwięku (słuch). Jedynie pewien zakres dźwięku jest dla człowieka optymalny – nie zwykliśmy przebywać ani w idealnej ciszy, ani w hałasie.

Zwykle towarzyszy nam poziom natężenia dźwięku odpowiadający głośności w zakresie od ok. 20 do 50 fonów. Począwszy od ok. 50 fonów wyższe poziomy głośności stają się coraz bardziej dokuczliwe. Zmiany wywołane w organizmie, nawet początkowo niezauważalne, z czasem kumulują się i doprowadzają do uszkodzeń organu słuchu oraz zaburzeń i chorób układu nerwowego, krążenia, równowagi i układu pokarmowego.

Problem hałasu został podniesiony po raz pierwszy w raporcie Sekretarza Generalnego ONZ w 1969 r. – zaprezentowano opinii publicznej dane wskazujące na zniszczenie środowiska naturalnego i jego niekorzystne konsekwencje [7].

Raport wskazywał, że hałas na równi z substancjami chemicznymi, gazami spalinowymi, zapyleniem atmosfery itp. jest jednym z czynników zanieczyszczających środowisko człowieka i stanowi zagrożenie dla biologicznej egzystencji ludzkości. Podstawowym warunkiem skuteczności w zakresie zwalczania hałasu jest zrozumienie zjawisk akustycznych, ściśle powiązanych z rozwiązaniami konstrukcyjnymi lub procesami technologicznymi [3].

Akustyka w kontekście klimatyzacji

Akustyka systemów wentylacyjnych czy klimatyzacyjnych jest jednym z najważniejszych parametrów wpływających na ich jakość, a co za tym idzie, na właściwy standard budynków, w których systemy te są zainstalowane.

Wentylator jest w centralach klimatyzacyjnych podstawowym źródłem hałasu. Dane akustyczne wentylatorów są dokładne i prezentowane we właściwy sposób. Jednak pomiary parametrów akustycznych wentylatorów często nie uwzględniają otoczenia, w których zostaną zamontowane, czyli obudowy centrali, a w szczególności jej typu, wielkości i sposobu zawieszenia urządzenia w obudowie.

Wszystkie specyficzne parametry takiej obudowy, m.in. grubość i konstrukcja paneli, uszczelnienia profili i narożników obudowy, odległość ścian wewnętrznych obudowy od zamontowanego wentylatora, wspomniany sposób zamocowania wentylatora w obudowie, wpływają na poziom głośności zarówno na zewnątrz centrali, jak i w kanałach do niej podłączonych.

Żeby dane sekcji wentylatora centrali zaprezentować wiarygodnie, należy kompletną sekcję przetestować w komorze akustycznej. Inne sposoby obliczeń dokonywanych przez producentów central wentylacyjnych dają w wielu wypadkach wyniki daleko odbiegające od rzeczywistości.

Inną, dość często niestety praktykowaną metodą jest „obliczanie” poziomu głośności do otoczenia poprzez odjęcie od poziomu mocy akustycznej wentylatora wielkości tłumienia obudowy, traktując obudowę jako jednolitą, nieskończenie dużą płytę. Firmy składające centrale zapominają lub w wielu wypadkach nie wiedzą, że o poziomie głośności do otoczenia urządzenia decydują „przecieki akustyczne” poprzez nieszczelności obudowy.

Aby dane akustyczne sekcji wentylatorowej były prawidłowe i autorytatywne, ich testowanie musi się odbywać według branżowych norm, tzw. „model box”. Jest to testowanie akustyczne całej sekcji wentylatorowej, kompletnie wyposażonej, z seryjnej, a więc powtarzalnej produkcji. Na poziom głośności na zewnątrz obudowy sekcji wentylatora wpływa nie tylko całkowita moc akustyczna wentylatora, ale w dużym stopniu również rozkład mocy akustycznej w poszczególnych pasmach częstotliwości.

Dobierając centrale wentylacyjne, warto zwrócić uwagę na następujące zagadnienia:

• producenci wentylatorów przedstawiają dane akustyczne uzyskane w oparciu o kilka różnych metod pomiarowych. Działająca od lat w branży klimatyzacyjnej organizacja Eurovent ujednoliciła i zunifikowała normy pomiarowe m.in. w zakresie akustyki oraz sposoby prezentacji danych w materiałach technicznych. Urządzenia, które posiadają certyfikat Eurovent, odpowiadają międzynarodowym normom technicznym i ich dane akustyczne są wiarygodne;
• w wielu wypadkach przy prezentacji danych akustycznych central wentylacyjnych nie uwzględnia się dwóch źródeł hałasu. Centrale w większości przypadków mają dwa wentylatory o tym samym poziomie mocy akustycznej, które powodują sumaryczne zwiększenie poziomu głośności o 3 dB;
• brak lub nieprawidłowe zaizolowanie króćców elastycznych jest powodem „przecieku hałasu” z kanału wlotowego czy wylotowego centrali do otoczenia [1].
•  

Akustyka – wybrane zagadnienia

Dźwiękiem nazywa się drganie akustyczne zdolne wytworzyć wrażenie słuchowe. Dźwięk jest zjawiskiem falowym, a fale akustyczne należą do klasy fal sprężystych. Bezpośrednią przyczyną powstawania dźwięku są drgania mechaniczne ośrodka sprężystego.

Drgania akustyczne polegają na ruchu cząstek środowiska sprężystego względem położenia równowagi. Środowiskiem tym może być np. powietrze i wtedy drgania takie nazywa się drganiami powietrznymi, w odróżnieniu od drgań występujących w ośrodkach stałych, które są nazywane drganiami akustycznymi materiałowymi.

Istnieją dwa zasadnicze sposoby wytwarzania fal akustycznych:

• za pomocą drgań mechanicznych, gdy ruch cząstek ośrodka jest wywołany przez znajdujący się w nim dowolny element drgający,
• poprzez bezpośrednie wprowadzenie w drgania ośrodka płynnego, np. wskutek turbulencji, kawitacji, zaburzeń termicznych.
•  

Hałas, najogólniej rzecz ujmując, to zbiór dźwięków o różnych częstotliwościach lub dźwięk niepożądany czy szkodliwy. Tak więc fala dźwiękowa (akustyczna), która dociera do naszych uszu, jest ruchem drgającym powietrza. Ma charakter fali podłużnej powodującej okresowe zmiany ciśnienia w danym punkcie środowiska, przejawiające się w powstawaniu ciśnienia akustycznego [4].

Rozchodzenie się fali dźwiękowej polega na powstawaniu zaburzenia w ośrodku, w postaci postępujących chwilowych zagęszczeń i rozrzedzeń elementarnych cząsteczek ośrodka, powodujących powstanie chwilowych zmian ciśnienia akustycznego p. Własności przenoszenia drgań za pomocą ruchu falowego mają wszystkie ośrodki sprężyste we wszystkich stanach skupienia.

Ciśnienie akustyczne p w powietrzu to różnica między chwilową wartością ciśnienia, wywołanego w danym punkcie pola działania fal akustycznych, i ciśnienia statycznego, tj. istniejącego w danym punkcie przed wywołaniem drgań. Jeśli całkowite ciśnienie wypadkowe w danym punkcie i w danej chwili t ma wartość P, to ciśnienie akustyczne przebiega jak na rys. 1 [4].

Ciśnienie P jest w każdej chwili inne, tzn. jest funkcją czasu (p = f(t)) i wielkością skalarną.

gdzie:

P_o – ciśnienie odniesienia (atmosferyczne).

Ciśnienie akustyczne działające na cząstki przyległe do obszaru zaburzonego powoduje ruch dalszych cząstek, który poprzez zmiany ciśnienia akustycznego przenosi się na obszar coraz bardziej oddalony od miejsca zaburzenia ośrodka [2].

Moc akustyczna

Każde ciało znajdujące się w ośrodku sprężystym przenoszącym fale dźwiękowe i drgające z częstotliwością mieszczącą się w paśmie częstotliwości słyszalnych jest źródłem energii akustycznej słyszalnej.

Ilość energii, jaką wysyła źródło dźwięku w jednostce czasu, nazywa się mocą akustyczną. Moc akustyczną określa się w watach (W) lub mikrowatach (mW). Moce akustyczne spotykanych zazwyczaj źródeł dźwięku wykazują ogromną rozpiętość.

Moc akustyczną można obliczyć orientacyjnie ze wzoru [1]:

gdzie:

N – moc akustyczna,W;

p – ciśnienie akustyczne, N/m²;

Z – oporność akustyczna ośrodka, (N · s)/m³;

S – pole powierzchni źródła dźwięku, m².

Ze względu na przytoczoną dużą rozpiętość mocy posługiwanie się mocami wyrażonymi w skali liniowej byłoby w praktyce bardzo niewygodne. Dlatego wprowadzono stosunek mocy akustycznej źródła do mocy akustycznej odniesienia, zwany poziomem mocy i wyrażony w decybelach (dB), który można określić z wyrażenia:

gdzie:

N – moc akustyczna źródła, W;

N_o – moc akustyczna odniesienia równa 10–12 W.

Natężenie dźwięku

Moc akustyczna energii przypadająca na jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej nazywa się natężeniem dźwięku I, a oblicza się go z wyrażenia:

gdzie:

N – moc akustyczna, W;

S – pole powierzchni, m².

Natężenie dźwięku dla fali płaskiej można również określić z wyrażenia:

gdzie:

p – ciśnienie akustyczne, N/m^2;

Z_o = r_oc – oporność akustyczna właściwa powietrza, (N · s)/m³ (przy t = 20°C i ciśnieniu 760 mm Hg Z_o = 412 (N · s/m³)).

Natężenia dźwięku spotykane w praktyce wahają się od 10–7 do 106 W/m², czyli stosunek spotykanych natężeń wynosi 1013. Ze względu na tak dużą rozpiętość dla wygody i z uwagi na właściwości organu słuchu wprowadzono względną miarę logarytmiczną określającą poziom natężenia dźwięku:

gdzie:

L_I – poziom natężenia dźwięku, dB;

I – natężenie dźwięku, W/m²;

I₀ – natężenie dźwięku odniesienia odpowiadające najmniejszemu natężeniu słyszalnemu dla częstotliwości równej 1000 Hz (I_o = 10^–12 W/m²).

W praktyce mierzy się nie natężenie dźwięku, lecz ciśnienie akustyczne, i dlatego używa się miary względnej zwanej poziomem ciśnienia akustycznego L_p, przy czym:

gdzie:

L_p – poziom ciśnienia akustycznego, dB;

p – ciśnienie akustyczne, N/m²;

p_o – ciśnienie akustyczne odniesienia, występujące przy natężeniu I₀, równe 2 · 10–5 N/m².

Okazuje się, że dwa razy większe natężenie dźwięku nie jest przez ucho człowieka odbierane jako dwa razy głośniejszy dźwięk. Ucho logarytmuje natężenie dźwięku, co powoduje, że dwa razy większe natężenie dźwięku odpowiada zwiększeniu głośności o wielkość proporcjonalną do „logarytmu z dwóch”, tj. o 0,3.

Poziom dźwięku

Obiektywnym przybliżeniem poziomu głośności jest poziom dźwięku określany za pomocą miernika. Poziom dźwięku jest to korygowany (ważony) poziom ciśnienia akustycznego. Korygowanie poziomu ciśnienia akustycznego ma na celu przybliżenie wyniku pomiaru do odbieranego przez ucho wrażenia słuchowego.

Przybliżenie to realizuje się przez wprowadzenie w układ pomiarowy jednego z trzech filtrów korekcyjnych określonych charakterystykami częstotliwości, oznaczonych literami A, B, C (rys. 2) [3].

Najwierniejsze przybliżenie wyniku pomiaru do odbieranego wrażenia subiektywnego uzyskuje się dla dźwięku o wartości poziomu akustycznego (przy częstotliwości 1000 Hz):

• 0−55 dB – przy użyciu skali A,
• 55−85 dB – przy użyciu skali B,
• powyżej 85 dB – przy użyciu skali C.

Rozchodzenie się dźwięku w pomieszczeniach zamkniętych

Rozchodzenie się dźwięku w pomieszczeniu zależy od wymiarów i kształtu pomieszczenia oraz struktury powierzchni je ograniczających, a także od własności akustycznych przedmiotów w nim się znajdujących. Wymienione czynniki mają wpływ na prędkość zanikania energii dźwiękowej w pomieszczeniu, co z kolei wpływa w sposób zasadniczy na zrozumiałość mowy oraz na wartość poziomu dźwięku w pomieszczeniu.

Jednym z najważniejszych parametrów akustycznych pomieszczenia jest czas pogłosu, czyli czas, w którym energia dźwiękowa zawarta w stanie ustalonym w pomieszczeniu od kulistego źródła dźwięku zmaleje, po wyłączeniu tego źródła, do jednej milionowej swojej pierwotnej wartości.

Czas pogłosu jest ważnym parametrem określającym jakość akustyczną wnętrz, a więc wpływającym na zrozumiałość mowy i poprawne brzmienie muzyki.

Zbyt długi czas pogłosu zmniejsza zrozumiałość mowy, gdyż zniekształca i zamazuje poszczególne dźwięki następujące po sobie. Powoduje on również zwiększenie poziomu dźwięku hałasu źródeł znajdujących się w danym pomieszczeniu, gdyż moc akustyczna źródła zostaje zwiększona o moc akustyczną fal odbitych od powierzchni ograniczających pomieszczenie [2].

Wyznaczenie czasu pogłosu pomieszczenia

Czas pogłosu pomieszczenia można orientacyjnie wyznaczyć ze wzorów dla następujących przypadków:

1. dla pomieszczeń niewytłumionych (o małej chłonności akustycznej), tj.a_śr£ 0,2, o równomiernie rozłożonej chłonności i o dużym czasie pogłosu,
2. dla pomieszczeń silnie wytłumionych, tj. a_śr> 0,2, o równomiernie rozłożonej chłonności i o małym czasie pogłosu,
3. dla pomieszczeń o nietypowej wilgotności względnej i objętości większej od 1000 m³

Chłonność pomieszczeń A wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

S – powierzchnia ograniczająca pomieszczenie, m²;

α – współczynnik pochłaniania dźwięku (α_i – przez i-tą powierzchnię);

S_i – powierzchnia o współczynniku a_i, m²;

A_k – chłonność akustyczna k-tego przedmiotu lub k-tej osoby, m²;

n_k – liczba przedmiotów o chłonności ak;

m – współczynnik zależny od wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu.

Źródło wszechkierunkowe w przestrzeni zamkniętej

Przy założeniu, że źródło dźwięku wszechkierunkowe usytuowane jest w środku pomieszczenia, natężenie dźwięku w punkcie odbioru zależne jest zarówno od energii fali bezpośredniej, jak i od energii fal odbitych od powierzchni pomieszczenia. Natężenie dźwięku fali bezpośredniej wynosi:

Natężenie dźwięku fal odbitych określone jest wzorem:

gdzie:

α_śr – współczynnik pochłaniania dźwięku;

S – powierzchnia ograniczająca pomieszczenie, m².

Wyrażenie S a_śr/1 – a_śr jest charakterystyczne dla danego pomieszczenia i nazywa się stałą akustyczną R danego pomieszczenia. Jeśli pomieszczenie jest pogłosowe (mała wartość a_śr), to stała R jest mała. Pomieszczenie bezpogłosowe charakteryzuje się dużą wartością a_śr, a więc dużą wartością R. Zgodnie z poprzednim wyrażeniem można zapisać, że:

gdzie:

R – stała akustyczna pomieszczenia, m².

Natężenie dźwięku Ir w odległości r od źródła jest sumą natężeń dźwięku fali bezpośredniej i fal odbitych, zgodnie z zależnością:

Stąd poziom natężenia dźwięku wynosi:

oraz

W dużej odległości punktu pomiarowego od źródła składnik 1/4Pr2 jest dużo mniejszy od 4/R (w szczególności gdy R jest małe) i poziom natężenia dźwięku nie zależy praktycznie od odległości r. Począwszy od pewnej odległości, poziom dźwięku jest praktycznie stały i ma wartość:

Wówczas punkt pomiarowy znajduje się w polu fal odbitych (pogłosowym) pomieszczenia. W małej odległości r od źródła wartość 1/Pr2 jest większa od 4/R (w szczególności, gdy R jest duże). Poziom natężenia dźwięku jest wówczas taki sam jak w przestrzeni otwartej i wynosi:

Punkt pomiarowy znajduje się w polu bezpośrednim.

Odległość, w której poziom natężenia dźwięku fali bezpośredniej równa się poziomowi natężenia dźwięku fal odbitych, nazywa się odległością graniczną r_gr (rys. 3). W rzeczywistości granica ta przebiega w sposób płynny. Na rys. 4 przedstawiono schemat przejścia pola bezpośredniego w pole pogłosowe.

Na podstawie przedstawionych powyżej wzorów można wyznaczyć zależność między poziomem natężenia dźwięku, poziomem mocy akustycznej i odległością r dla określonych wartości stałej pomieszczenia R.

Zależność dotyczy źródła wszechkierunkowego umieszczonego w środku pomieszczenia. Zależność przedstawiona na rys. 5 pozwala na określenie różnicy poziomu natężenia dźwięku od tego samego źródła (a więc takiej samej mocy akustycznej), gdy zmienia się stała akustyczna R pomieszczenia.

Sumowanie poziomów natężenia dźwięku większej liczby źródeł hałasu

Gdy działa jednocześnie kilka źródeł hałasu o ciśnieniach akustycznych p₁, p₂, …, p_n, moc wypromieniowana równa się sumie mocy składowych, przy czym rozróżnia się dwa przypadki:

• częstotliwości poszczególnych przebiegów fal dźwiękowych źródeł dźwięku są w danej chwili różne,
• częstotliwości poszczególnych przebiegów fal dźwiękowych źródeł dźwięku są w danej chwili jednakowe.

Przy obliczaniu wypadkowego natężenia dźwięku można założyć, że:

Z powyższych wzorów można korzystać w praktyce, przy czym należy rozróżniać dwa przypadki, a mianowicie:

• poziomy natężenia dźwięku każdego ze źródeł dźwięku (hałasu) są jednakowe,
• poziomy natężenia dźwięku każdego ze źródeł dźwięku (hałasu) są różne.

Poziom wypadkowy natężenia dźwięku L_s wynosi:

Gdy poziomy natężenia dźwięku każdego ze źródeł są jednakowe, sumaryczny poziom natężenia dźwięku można obliczyć z wyrażenia:

(1)

gdzie:

L_s – sumaryczny poziom natężenia dźwięku,

dB;L₁ – poziom natężenia dźwięku jednego źródła,

dB;_n – liczba jednakowych źródeł dźwięku.

Przy kilku różnych źródłach dźwięku sumowanie przeprowadza się kolejno. Jeśli dwa poziomy od poszczególnych źródeł różnią się więcej niż o 8 dB, wówczas dźwięku o mniejszym poziomie można nie uwzględniać, wraz ze zwiększeniem odległości od źródła bowiem jego wpływ na poziom natężenia dźwięku w punkcie obserwacji maleje.

Stąd w pobliżu każdego źródła spowodowany przez inne dalsze źródła hałasu nie przekracza zazwyczaj 3–5 dB. Posługując się wyrażeniem (1), należy pamiętać, że obliczenia przeprowadza się dla wybranych częstotliwości lub w sposób analogiczny dla wszystkich środkowych częstotliwości pasm oktawowych lub tercjowych, a w razie potrzeby dla jeszcze węższych pasm częstotliwości.

W kolejnym artykule przedstawiona zostanie koncepcja instalacji klimatyzacyjnej dla czytelni.

Literatura

1.  Lewen W., Akustyka w systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 9/2006.
2. Sadowski J., Akustyka architektoniczna, PWN, 1976.
3. Wojtas K., Klimakonwektory wentylatorowe. Poradnik projektanta, CIAT, 2007.
4. Zieliński T., Ochrona środowiska pracy przed hałasem, Politechnika Łódzka, 1993.
5. Tłumik, program własny dr. B. Stolarskiego i P. Zawadzkiego do obliczania i konstrukcji tłumików absorpcyjnych do instalacji o niskich prędkościach przepływu.
6. PN-B-02151-02:1987 Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynkach. Dopuszczalne wartości poziomu dźwięku w pomieszczeniach.
7. Człowiek i jego środowisko (ang. The problems of human environment), rezolucja ONZ nr 2390, maj 1969 r.