katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice
Úvod Legislativa: Nařízení vlády č. 502/2000 Sb o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací + novelizace nařízením vlády č. 88/2004 Sb. ze dne 21. ledna 2004. a) hlukem je každý zvuk, který může být škodlivý pro zdraví nebo může být jinak nebezpečný, b) vibracemi veškeré vibrace přenášené pevnými tělesy na lidské tělo, jsou-li škodlivé pro zdraví nebo jinak nebezpečné, Hluk je daný: a) “velikostí – silou“ v [dB] – člověk slyší v rozmezí 0 - 120 dB b) “jakostí – výškou“ v [Hz] – člověk slyší v rozmezí 20 - 20 000 Hz V technické praxi pracujeme s hladinou akustického tlaku. - akustický tlak má oproti atmosférickému tlaku velmi malé hodnoty. Lidské ucho slyší akustický tlak v rozmezí 2.10-5 Pa (práh slyšení) až 20 Pa (práh bolesti).
L p = 20 ⋅ log
p p0
[dB]
p - akustický tlak zvuku [Pa] p0 - referenční hodnota akustického tlaku ( 2.10-5 Pa) spektrum hluku – rozložení akustického tlaku nebo výkonu v závislosti na kmitočtu Pro výpočty se slyšitelná oblast rozděluje do oktávových pásem, - intervaly s poměrem mezních kmitočtů 1:2, nejčastěji: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 V praxi se pro hodnocení hluku často používá hladina akustického tlaku frekvenčně vázaného filtrem A – hladina akustického tlaku A, [dB(A)]. - hodnota zvuku (hluku), kterou ukáže zvukoměr při použití váhového filtru A. Tento filtr potlačuje hodnoty v jednotlivých oktávových pásmech (viz KAi). n
L A = 10 ⋅ log ∑10
Li + K Ai 10
i =1
Li - hladina akustického tlaku v i-tém oktávovém pásmu [dB] KAi - korekce v příslušném oktávovém pásmu [dB] Střední kmitočet pásma fm [Hz] Korekce KAi [dB]
1/9
63
125
250 500 1000 2000 4000 8000
-26,2 -16,1 -8,6 -3,2
0
1,2
1,0
-1,1
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice Třída hluku N - třídy hluku, které stanovují maximální hladiny pro jednotlivá frekvenční pásma. L = a + bN f (Hz)
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
a
35.5
22.0
12.0
4.8
0
-3.5
-6.1
-8.0
b
0.790
0.870
0.930
0.974
1
1.015
1.025
1.030
Vyneseme-li spektrum hluku do tohoto grafu je hluk té třídy N (výsledné), která odpovídá nejvýše položené čáře N, ještě se dotýkající zadaného spektra hluku. To je důležité v praxi pro řešení útlumu hluku. Musíme tlumit především ty frekvence, které způsobují zvýšení třídy hluku. 2/9
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice
Šíření hluku - do prostoru - do potrubí Šíření hluku do prostoru Ideální prostředí Útlum hluku ve volném prostoru je dán jen zvětšující se vzdáleností Reálné prostředí Útlum absorbcí – silně závislý na relativní vlhkosti vzduchu a frekvenci. Se stoupající frekvencí jsou útlumy vyšší. Až 22 dB/100 m jsou útlumy pro 8 kHz při relativní vlhkosti 20 %. Pro vyšší vlhkosti a nižší frekvence jsou útlumy nižší. Útlumy pro vlhkosti nad 50 % se již mnoho neliší a jsou od 0 (pro 63 Hz) do 8 dB (pro 8 kHz). Útlum přízemním efektem – uplatní se při šíření zvuku nad terénem do výšky 30 až 60 m, kdy zvuk je zeslabován přirozenou pohltivostí terénu. Tento útlum není frekvenčně závislý a dosahuje hodnot až do 20 dB na 100 m. Útlum vlivem překážek – nejvýznamnější v technické praxi. Umožňuje vyřešit potřebné snížení hluku zdrojů např. na střeše objektu. V literatuře se uvádí celá řada vztahů pro výpočet útlumů. Jsou to vztahy většinou velmi složité, útlumy jsou navíc frekvenčně závislé, takže se počítají pro jednotlivá frekvenční pásma. Dále je možný útlum vlivem mlhy, deště nebo sněhu, větru, atmosférické turbulence apod. HLADINA AKUSTICKÉHO TLAKU VE VOLNÉM PROSTORU Ve volném prostoru (v poli přímých vln) platí pro výpočet hladiny akustického tlaku: - platí pro přibližně bodový zdroj zvuku vyzařující rovnoměrně do všech směrů Lp = LW + 10 log (Q / 4 πr2 ) kde LW je hladina ak. tlaku (výkonu) vyzařovaná rovnoměrně přes plochu koule 4πr2 a Q [-] je směrový činitel charakterizující umístění zdroje. Pro zdroj vyjadřující do
- celého prostoru je - poloprostoru (na zemi) - čtvrtiny prostoru (v hraně u stropu) - osminy prostoru (v rohu)
Q=1 Q=2 Q=4 Q=8
ÚTLUM ZMĚNOU VZDÁLENOSTI Z výše uvedeného vztahu lze odvodit pro praxi užitečný vztah L2 – L1 = 20 log (r1 / r2) například zdvojnásobením vzdálenosti klesne hladina akustického tlaku o 6 dB HLADINA AKUSTICKÉHO TLAKU V UZAVŘENÉM PROSTORU V uzavřeném prostoru (v poli odražených vln) pro výpočet hladiny akustického tlaku (výkonu) platí vztah: 3/9
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice Lp = LW + 10 log { ( 4 ( 1 - a )) / ( S . α ) }
α je střední hodnota činitele pohltivosti prostoru S je součet všech ploch v místnosti α
0,3 – 0,4 0,2 – 0,25 0,1 – 0,15 0,05
[-] [ m2 ]
studia, divadla obchody, restaurace kanceláře, obytné místnosti tovární haly, plovárny, strojovny
Výraz za logaritmem lze přibližně nahradit vztahem 4/A, často používaný v prospektech výrobců, kde A [m2] je tzv. celková absorpce prostoru. Potom - Lp = LW + 10 log ( 4 / A ), z toho vyplývá přibližně A = S . α - výsledek závisí nejen na jednotce, ale značně i na velikosti a zvukové pohltivosti prostoru v kterém stojí.
CELKOVÁ HLADINA AKUSTICKÉHO TLAKU V UZAVŘENÉM PROSTORU Sčítá se účinek přímých vln a odražených: Lp = LW + 10 log ( Q / 4πr2 ) + 10 log { ( 4 ( 1 - α )) / ( S . α )} nebo zjednodušeně Lp = LW + 10 log ( Q / 4πr2 ) + 10 log ( 4 /A )
Šíření hluku do potrubí Útlum hluku v potrubí ovlivňuje : • přímé potrubí • tvarovky (oblouky, kolena, rozbočky, odbočky aj.) • poloha umístění tlumiče • rozdělení do vyústek • vyústky Útlumy D a vlastní hluky elementů Lp Potrubí D1 = D1m . l
[dB]
Lp = 10 + 50 log(v) + 10 log(S) - Lrel - l [m]
[dB]
délka trasy potrubí s útlumem D1m
- D1m [dB/m] útlum 1 metru potrubí, u 4-hranného podle tab. 1, přičemž "s" je menší z obou rozměrů a u kruhového podle tab. 2. V této tabulce je "d" průměr potrubí. - v [m.s-1] 4/9
rychlost proudění vzduchu v potrubí
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice - S [m2]
průřez potrubí
- Lrel [dB]
relativní hladina pro přepočet na oktávová pásma
f [Hz]
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
Lrel
4
5,4
6,5
7,7
9,2
10
13,8
21
Útlumy jednoho metru 4-hranného potrubí D1m [dB] f [Hz]
s [mm]
63
125
250
500
>1000
75 - 200
0.60
0.60
0.45
0.30
0.30
200 - 400
0.60
0.60
0.45
0.30
0.20
400 - 800
0.60
0.60
0.30
0.15
0.15
800 a více
0.45
0.30
0.15
0.10
0.05
Útlumy jednoho metru kruhového potrubí D1m [dB] f [Hz]
s [mm]
63
125
250
500
>1000
75 - 200
0.10
0.10
0.15
0.15
0.30
200 - 400
0.05
0.10
0.10
0.15
0.20
400 - 800
-
0.05
0.05
0.10
0.15
800 - 1600
-
-
-
0.05
0.05
Kolena ostrá, bez vodících plechů D2 = 8,7 e^(-7(log(f.a/250)2)) + 8,5 (1 – e^(-2log(f.a/400)))
[dB]
Druhý člen v rovnici musí být větší než 0 nebo roven 0. Protože vzorec dává oproti jiným pramenům příliš vysoké hodnoty je pro praktické výpočty omezen tento útlum maximální hodnotou 8 dB. Lp = Lpsp + y(i) + La +Lv - Lrel
[dB]
kde: - f [Hz]
je frekvence (střední hodnota frekvenčního pásma)
- a [m]
je šířka kolena, rozměr přes který se potrubí ohýbá, viz obr. 1
- Lpsp [dB]
je při nahrazení grafu z [2] rovnicemi: a) pro f . a/va <= 10 Lpsp = 16 - 26 log(f . a/va) b) pro f . a/va > 10 Lpsp = 5 - 15 log(f . a/va)
- y(i) [dB]
je y(i) = 10 log(dfi)
- va [m . s-1]
je rychlost vzduchu v potrubí s šířkou "a"
f [Hz]
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
df i
45
90
180
355
700
1400
2800
5600
- La [dB]
je La = 30log(a)
- Lv [dB]
je Lv = 50log(va)
5/9
(4c)
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice - Lrel [dB]
je pro r/a > 0,2 ..... Lrel = -2 je pro ostatní Lrel = -40 r/a + 6
- r [m]
je rádius kolena
Oblouky a kolena s vodícími plechy D3 = 3,32 log(f) + 3 log(a) – 6
[dB]
Vlastní hluk je identický jako v předchozím případě, ale mění se Lpsp: Lpsp [dB]
je pro f . a/va <= 10 je pro f . a/va > 10
Lpsp = -4 - 6 log(f . a/va) Lpsp = 15 - 25 log(f . a/va)
Vyústky, anemostaty D5 = 30,9 - 14,85 log(fi(Sv)0,5)
[dB]
Lp = 10 + 60 log(vv) + 30 log(ξ) + 10 log(Sv) + Lrel
[dB]
- fi [Hz]
střední kmitočet oktávového pásma 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000
2
- Sv [m ]
výtoková (volná) plocha vyústky -1
- vv [m . s ]
rychlost vzduchu ve volném (výtokovém) průřezu vyústky
- x [-]
součinitel odporu vyústě, ξ = 2 . dp/ρ . vv2
- dp [Pa]
tlaková ztráta vyústě -3
- ρ [kg . m ]
hustota vzduchu
- Lrel [dB]
pro (p < 50) Lrel = -7 pro (50 < p < 500) Lrel = -0,0633 . p - 4 pro (p > 500) Lrel = -35
-p
parametr p = fi/(vv . ξ)
Návrh tlumiče Zjednodušený návrh tlumiče: Použitelné pro: • • •
předběžný návrh, prostory s malými nároky na úroveň hluku v prostředí, větrací systémy s krátkými rozvody,
Hladina akustického výkonu ve vyústce LP [Pa]
LPP - hladina akustického výkonu ventilátoru D - útlum systému potrubí – útlum vloženého tlumiče Hladina akustického tlaku ve sledovaném místě prostoru L [Pa] ∆LP - útlum vznikající ve sledovaném prostoru 6/9
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice Přesný návrh tlumiče Do grafu tříd hluku N vyneseme nejdříve křivku zdroje hluku (1). V jednotlivých frekvenčních pásmech (63 až 8000 Hz) hladiny akustického tlaku. Nejlépe je vynést hodnoty z místa výpočtu potrubní sítě, kde bude skutečně tlumič. Případně je možné vynést poslední hodnoty na nejméně výhodné vyústce (na konci trasy) (spodní křivka oblasti 2). Podle požadavků cílového prostoru se zvolí příslušná křivka hluku (3). Rozdíl mezi spodním okrajem plochy útlumu potrubní sítí a požadovanou křivkou je hledaný útlum tlumiče v jednotlivých frekvenčních pásmech.
1 - Křivka zdroje hluku (ventilátoru) 2 - Útlum potrubní sítě (svisle šrafovaná plocha) 3 - Křivka N30 4 - Útlumy na které musí být navržen tlumič hluku, aby byla dosažena hodnota N30
7/9
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice Postup výpočtu Kontrola zadané potrubní sítě • • • • • • •
postup element po elementu, směrem od ventilátoru k místnosti, od hladin akustického výkonu, obvykle v osmi frekvenčních pásmech (63 až 8000 Hz), odečteme vždy útlum elementu a přičteme vlastní hluk, některé elementy, jako jsou tlumiče hluku, protipožární klapky, expansní boxy s regulátory průtoku atp., se započítají do sítě podle vztahů udávanými výrobci, stanovíme útlum celé sítě (v jednotlivých oktávových pásmech), vypočítáme útlum prostoru do kterého vyúsťují distribuční elementy, stanovíme výslednou hladinu zvuku LA. porovnáváme se záměrem projektu, resp. s přípustnými hodnotami hygienického předpisu.
Pozn k návrhu tlumiče • • •
Tlumič navrhujeme až podle skutečných potřeb sítě, podle toho v kterých frekvencích je třeba nejvíce tlumit. Musíme znát útlum v závislosti na frekvenčních pásmech – tyto dát do souvislosti s útlumem sítě. Není vhodné pracovat pouze s výslednou hladinou akustického tlaku LA, protože se může stát, že předpokládaný tlumič tlumí nejefektivněji při jiných frekvencích než při kterých nastávají maxima hladiny akustického tlaku hluku.
Domácí úkol č.3: Zvolte si jednoduchou situaci umístěné vzduchotechnické jednotky v strojovně a jedné trasy potrubí. Trasu vzduchovodu volte co nejjednodušeji (např.: 10 m přímé potrubí, koleno, 5 m přímé potrubí, vyústka , apod.) • • •
vypočítat hladinu akustického tlaku v uzavřeném prostoru strojovny, spočítat útlumy D a vlastní hluky elementů Lp po délce trasy od vzduchotechnické jednotky k vyústce navrhněte tlumič hluku pomocí grafu tak aby v větraném prostoru nebyla překročena přípustná hodnota hladiny akustického tlaku (zvolte – nejčastěji N30 nebo N40).
použitý zdroj: seriál článků na www.tzb-info.cz, autor: Ing. Josef Dvořák Hluk ve vzduchotechnice (I) - Základní pojmy a praktické vztahy http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=626 Hluk ve vzduchotechnice (II) - šíření hluku ve volném prostředí http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=631 Hluk ve vzduchotechnice (III) - výpočty hluku šířeného potrubím do místnosti http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=948
8/9
katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika cvičení č.3 – Hluk v vzduchotechnice
9/9
