Чем обычно руководствуются проектировщики при выборе наименее шумного вентилятора? Оценки можно делать по приводимой в каталогах фирм-производителей информации или по собственному предыдущему опыту (поставил вентилятор на объект, и вроде с шумом не было проблем), или по опыту и рекомендациям «знающих» людей. Можно углубиться в изучение аэроакустических свойств вентиляторов (например, [1–3]) и делать более осознанный и качественный выбор.
Чем же полезно и правильно руководствоваться, и что полезно помнить при выборе вентилятора по такому критерию как шум? Принципиально важно четко понимать разницу между звуковой мощностью и звуковым давлением. Звуковой мощностью W описывают шум оборудования, соответственно, уровень звуковой мощности LW = 10lg(W/W0), где W0 = 10–12 Вт — условное пороговое значение [4]. Это мощность звуковых колебаний, исходящих от источника шума (например, вентилятора или кондиционера).
Это может быть вся мощность источника, проходящая через замкнутую поверхность, охватывающую источник. Может быть мощность, проходящая через выбранный элемент поверхности (например, выходящая из вентиляционного отверстия в стене, или звуковая мощность на выходе/входе вентилятора). Важно помнить главное — звуковая мощность источника не зависит от условий, в которых находится источник (например, кондиционер), если, конечно, внешние условия не оказывают воздействия на саму физику процессов в источнике.
Она характеризует только источник (например, звуковая мощность на входе или выходе вентилятора), поэтому и используется для описаний источников шума. Звуковое давление Р является одной из локальных характеристик звукового поля (есть еще, например, колебательная скорость частиц воздуха и акустическая интенсивность), это силовая характеристика, соответственно, уровень звукового давления LP = 20lg(P/P0), где P0 = 2 × 10–5 Па — условное пороговое значение звукового давления.
Именно звуковые колебания давления воздействуют на мембрану уха и определяют наше восприятие. Звуковое давление напрямую не связано с источником шума. Оно является характеристикой звукового поля и зависит от окружающих условий: наличия стен, пола, потолка, мебели, присутствия человека (в частности). Без источников шума, конечно, не было бы звукового давления, но формирование поля определяется окружающими условиями и характерными частотами.
Например, органная труба возбуждается и звучит на определенных частотах, хотя воздействие на нее оказывается в широком диапазоне частот. В обычной комнате также возможно возбуждение звука на определенных собственных частотах (при наличии источника шума). Поэтому о звуковом давлении любого вентиляционного оборудования, в состав которого входит источник шума (например, вентилятор или кондиционер), можно говорить, только указав на каком расстоянии от него находится измерительная точка, как она относительно его расположена в пространстве и в каких окружающих условиях находится. Как понять, сильный шум создает оборудование или не очень? Можно ли определить это на слух?
«Слухометрически» выделить более шумное оборудование из нескольких работающих, конечно, можно. Оценить же примерный уровень звукового давления, создаваемого оборудованием в некоторой точке помещения, без большого опыта, вряд ли удастся. Измерить звуковую мощность на входе/выходе вентилятора или установки на месте эксплуатации практически очень сложно, и вряд ли реализуемо без специального оборудования и соответствующих знаний и навыков.
Но нет никаких проблем с измерением уровней звукового давления в контролируемых точках и с проверкой соответствия их требованиям стандартов. Кроме того, специальный узкополосный спектральный анализ шума в таких случаях может помочь в выявлении основных источников и причин шума и в устранении проблем [5]. При практическом применении вентиляторов, наиболее широко используются октавные спектры шума: для вентиляторов — октавные спектры уровней звуковой мощности, в контрольной точке пространства — октавные спектры уровней звукового давления.
Октавные спектры звукового давления или звуковой мощности, например, для вентиляционного оборудования, приводят для октавных частотных полос, в некоторых случаях, начиная с полосы 63 Гц или 125 Гц и выше — до октавной полосы 8000 Гц, включительно. Однако, надо представлять себе, что очень сложно и дорого обеспечить акустические измерительные условия для определения уровней шума в октавной полосе 63 Гц, поскольку это соответствует длинам звуковых волн 5–6 м, и для таких длин волн сложно и дорого сделать эффективное звукопоглощение заглушенных звукомерных камер.
В реверберационных же камерах измерять акустические характеристики вентиляторов не очень хорошо, поскольку спектр шума вентилятора, как правило, содержит дискретные частотные составляющие шума, да и размеры таких звукомерных камер должны быть достаточно большие для обеспечения достоверности измерений. Таким образом, к данным по шуму вентиляционного оборудования для октавной полосы 63 Гц надо относиться с некоторым умеренным скептицизмом (если неизвестно, как он получен).
Типичный спектр шума вентилятора характеризуется двумя частотами: частотой вращения рабочего колеса n/60 (здесь n — частота вращения в мин–1) и частотой следования лопаток рабочего колеса nz/60 (здесь z — число лопаток рабочего колеса). Если выполнена динамическая балансировка рабочего колеса, и вибрации вентилятора на рабочих режимах находятся в допустимых пределах, оговоренных в технической документации на изделие, то, как правило, основная звуковая мощность вентилятора (на входе или выходе) сосредоточена в октавных полосах, начиная с содержащей частоту следования лопаток nz/60 и выше.
Для малых и средних типоразмеров вентиляторов, это обычно полосы 250; 500; 1000; 2000 Гц. Для больших типоразмеров вентиляторов, это могут быть полосы 125; 250; 500; 1000 Гц. Аэродинамические и акустические испытания вентиляторов часто проводят на специально изготовленных лабораторных образцах. Серийные вентиляторы по качеству исполнения (соблюдение размеров рабочего колеса, зазоров, углов установки лопаток и т.д.) могут не всегда соответствовать испытанным лабораторным образцам, и полученные на них шумовые характеристики могут отличаться от лабораторного образца.
При этом не обязательно в лучшую сторону. Это может касаться не только отечественных, но и зарубежных изготовителей вентиляторов. Акустические испытания часто проводят только для нескольких типоразмеров ряда вентиляторов. Сравнивать между собой два разных вентилятора по шуму можно только при условии равных (или близких) производительностей и давлений, при этом следует использовать одинаковые акустические показатели (например, звуковые мощности на входе или выходе, звуковые давления корпусного шума на одинаковых расстояниях от корпуса в близких условиях).
При рассмотрении приведенных в каталогах данных по шуму вентиляторов следует обращать внимание на то, к какому режиму по производительности относятся данные, и как меняются уровни шума вентилятора в зависимости от изменения режима по производительности. Обычно суммарный уровень шума на входе или выходе вентилятора имеет минимум вблизи режимов максимума КПД. Если же говорить, при этом, о вкладе различных октавных полос, то можно сказать, что с понижением производительности высокочастотный шум снижается.
Низкочастотный шум достаточно быстро возрастает на режимах малых производительностей, т.е. форма спектра шума перестраивается в пользу низкочастотного шума, что хорошо слышно при работе вентилятора. Спектры приведены для режимов максимальной, средней и минимальной производительностей. Для этого вентилятора было n = 2900 мин–1 (n/60 = 48,3 Гц) и z = 13 (nz/60 = 628 Гц). В спектре хорошо выделяются оборотный пик (полоса 50 Гц) и пик на лопаточной частоте (полоса 630 Гц).
Высокочастотная часть спектра снижается при уменьшении производительности. Пик на лопаточной частоте пропадает на режиме малой производительности из-за хаотического течения в рабочем колесе. На частотах ниже лопаточной видно, что режимы средних производительностей характеризуются меньшими уровнями шума. Из рассмотрения суммарных уровней шума видно, что шум на лопаточной частоте является определяющим и, если пик превышает уровни в остальных полосах на 10 дБ или более, то всем остальным, грубо говоря, можно пренебречь, при оценке суммарного уровня.
Суммарный уровень снижается со снижением производительности. Конечно, можно сказать, что в области низких частот, ниже 100– 150 Гц результаты могут быть не очень достоверны по уровню, но они вполне позволяют производить сравнение между полученными для разных режимов спектрами, поскольку условия измерений в ходе эксперимента не менялись. При рассмотрении корпусного шума вентиляторов, иногда приводят уровни звуковой мощности, излучаемой через стенки корпуса вентилятора.
В других случаях приводят уровни звукового давления. Если приведены уровни звукового давления, обязательно должно быть указано, на каком расстоянии и от какого места корпуса вентилятора, при каких размерах и в каком месте помещения проводились испытания и его акустические свойства. Если данная информация отсутствует, и по вашему запросу вам не готовы ее предоставить, то нужно задуматься о достоверности предлагаемой вам информации.
В заключение можно подчеркнуть, что выбор вентиляторного оборудования по шуму требует определенного уровня знаний, понимания конкретных условий применения и умения разобраться в приводимой в каталогах информации по шуму вентиляторного оборудования, поскольку, в большинстве случаев, выбор производится именно на основании каталогов.
