X4L - wzmacniacz z DSP z serii X
Biznes „nagłośnieniowy” – w porównaniu z innymi dziedzinami techniki (np. przemysłem samochodowym, czy ...
Opowiemy o przekładkach i podkładkach przeciwdrganiowych, amortyzatorach gumowych, sprężynowych i gumowo-sprężynowych, oraz o łącznikach sprężystych. Poświęcimy też kilka zdań ekranom dźwiękochłonno-izolacyjnym oraz tłumikom akustycznym. Jak zwykle na początek
GARŚĆ TEORII
Ochronę przeciwdźwiękową pomieszczeń od hałasów i drgań realizuje się między innymi przez izolowanie źródeł drgań od konstrukcji budynku w taki sposób, aby uniemożliwić – albo przynajmniej ograniczyć w maksymalnym stopniu – przenoszenie drgań na konstrukcję budynku lub pobudzenie jej do drgań przez źródło hałasu. Źródłem hałasu i drgań może być nie tylko maszyna, urządzenie bądź instalacja, ale także człowiek (np. w czasie chodzenia, czy dziecko w trakcie zabawy).
Dlatego też w praktyce izoluje się od konstrukcji budynku nie tylko maszyny, urządzenia i instalacje, lecz również podłogę w taki sposób, aby dźwięki uderzeniowe nie przenikały do konstrukcji budynku (co nieco pisaliśmy o tym w artykule z numeru lutowego, kiedy omawiali właściwości akustyczne stropów). Do tego celu stosuje się tzw. materiały i ustroje przeciwdrganiowe.
W zależności od układu, w jakim ma być zastosowany dany materiał sprężysty (przeciwdrganiowy), wykorzystuje się różne jego właściwości fizyczne, takie jak np. oporność akustyczna, tłumienie wewnętrzne w materiale, sprężystość itp. Do prawidłowego zaprojektowania układu przeciwdrganiowego konieczna jest znajomość podstawowych zależności, określających związki między właściwościami akustycznymi układu a parametrami fizycznymi i technicznymi poszczególnych warstw materiałów.
Do izolacji stropów od dźwięków uderzeniowych używa się materiałów o małej sztywności dynamicznej, które w zasadzie nie nadają się do izolacji przeciwdrganiowej maszyn, urządzeń i instalacji. Natomiast do izolacji przeciwdrganiowej ścian oraz sprężystych połączeń podwieszanych sufitów używa się przekładek i amortyzatorów przeciwdrganiowych, wykonanych z tych samych materiałów izolacyjnych, które są używane do amortyzacji drgań od maszyn.
W celu zmniejszenia lub wyeliminowania przekazywania drgań od maszyn, urządzeń i instalacji na konstrukcję budynku lub zmniejszenia przekazywania drgań z jednych elementów konstrukcji budynku, na inne, stosuje się podkładki i przekładki z materiałów sprężystych oraz amortyzatory drgań, wykonane z tych materiałów bądź ze sprężyn stalowych, albo układy mieszane, np. sprężynowo-gumowe, czy też bardziej skomplikowane amortyzatory hydrauliczne lub pneumatyczne. Zakres stosowania poszczególnych materiałów i ustrojów przeciwdrganiowych jest ograniczony tym, że ich skuteczność zaczyna się od pewnej minimalnej częstotliwości drgań wzbudzających. Dla małych częstotliwości drgań wzbudzających najbardziej skuteczne są sprężyny. Podkładki z materiałów sprężystych (np. korek, guma) nadają się do skutecznej amortyzacji drgań maszyn szybkoobrotowych oraz na przekładki rozdzielające poszczególne elementy konstrukcji w celu przegrodzenia drogi dźwiękom materiałowym.
PRZEKŁADKI I PODKŁADKI PRZECIWDRGANIOWE
Częstotliwość rezonansowa fo układu drgającego o jednym stopniu swobody, w którym jako przekładkę sprężystą zastosowano gumę, korek lub inny podobny materiał, można obliczyć w sposób orientacyjny ze wzoru:
gdzie:
Ed – dynamiczny moduł sprężystości przekładki materiału,
S – powierzchnia przekładek,
H – grubość przekładki,
Q – obciążenie.
Z powyższego wzoru wynika, iż najważniejszym parametrem materiału stosowanego na przekładki i podkładki przeciwdrganiowe jest dynamiczny moduł sprężystości Eg. Uśrednioną wartość modułu sprężystości oraz inne parametry dla różnych materiałów stosowanych na podkładki sprężyste – w porównaniu do różnych materiałów budowlanych – zamieszczono w tabeli 1.
Dynamiczny moduł sprężystości materiałów używanych na przekładki i podkładki sprężyste nie jest stały i zmienia się wraz ze zwiększaniem obciążenia i grubości warstwy. To oczywiście wpływa również na zmianę częstotliwości rezonansowej, co – przykładowo – pokazują wykresy na rysunku 1.
Gumowe i gumopodobne podkładki przeciwdrganiowe działają dobrze jedynie wówczas, gdy mogą odkształcać się postaciowo. W praktyce stosuje się najczęściej podkładki gumowe, połączone z płytkami stalowymi metodą wulkanizowania lub w inny sposób. Stosuje się również rowkowanie i/lub perforowanie gumy, co poprawia w dość istotny sposób skuteczność tłumienia drgań przez podkładki.
W odróżnieniu od gumy podkładki korkowe mogą być stosowane w postaci płyt, gdyż tłumienie dźwięków materiałowych występuje w nich na skutek wewnętrznego rozprężania się materiału spowodowanego jego dużą porowatością. Powierzchnia podkładek, zarówno korkowych, jak i gumowych, nie powinna być większa od obliczonej według wzoru:
gdzie:
S – powierzchnia podkładek [m2]
Q – ciężar maszyny lub urządzenia [N]
σ – obciążenie dopuszczalne podkładki [N/m2].
Liczbę podkładek dobiera się tak, aby uzyskać symetryczne ich rozmieszczenie względem środka ciężkości.
AMORTYZATORY GUMOWE
W praktyce zamiast podkładek i przekładek gumowych znacznie częściej stosuje się amortyzatory gumowo-metalowe (rysunek 2). Ich charakterystyczną cechą jest dość duży współczynnik tłumienia drgań – strata energii wynosi w nich około 30% energii doprowadzonej. Dlatego stosuje się je zarówno do izolacji przeciwdrganiowej maszyn, jak też i do ochrony pomieszczeń lub stanowisk pomiarowych przed działaniem drgań. Amortyzatory gumowe, w zależności od wymiarów, mogą przenosić obciążenia od 20 do 2.000 kG.
AMORTYZATORY SPRĘŻYNOWE
Wyjściowym parametrem, który musi być określony przy projektowaniu amortyzatorów sprężynowych (rysunek 3), jest sztywność sprężyny. W praktyce najczęściej stosowanym typem sprężyny jest sprężyna cylindryczna. Przy projektowaniu sprężyn należy określić ich liczbę, średnicę zwoju, grubość drutu i liczbę zwojów w sprężynie.
Ze względu na to że dla średnich i dużych częstotliwości sprężyny przewodzą dźwięki poprzez sam materiał, amortyzatory sprężynowe ustawia się na podkładkach gumowych.
W praktyce, w przypadku większych obciążeń, stosuje się często amortyzatory wielosprężynowe (rysunek 4), zamknięte w specjalnych obudowach, jak też amortyzatory z tłumieniem zwiększonym za pomocą specjalnego płynu lub innego środka.
Oprócz sprężyn spiralnych cylindrycznych stosuje się sprężyny spiralne taśmowe, sprężyny talerzowe, piórowe i inne.
AMORTYZATORY GUMOWO-SPRĘŻYNOWE
Amortyzatory sprężynowe dobrze tłumią drgania, ale współczynnik tłumienia drgań samego amortyzatora jest dość mały (oznacza to, że np. przy rozruchu maszyny tłumienie drgań trwa dość długo). W niektórych przypadkach, np. na stanowiskach pomiarowych, tego rodzaju sytuacja jest nie do przyjęcia. Stosuje się zatem amortyzatory tłumione, pracujące np. w specjalnym płynie, lub amortyzatory sprężynowo-gumowe. W zależności od sposobu połączenia rozróżnia się szeregowe lub równoległe połączenie w jednej obudowie tych dwóch rodzajów amortyzatorów (rysunek 5).
ŁĄCZNIKI SPRĘŻYSTE I ELEMENTY TŁUMIĄCE
Amortyzowanie maszyn i urządzeń przy sztywnym ich połączeniu z przewodami powoduje bardzo intensywne przekazywanie drgań na konstrukcję budynku, za pośrednictwem tychże przewodów, oraz pogarsza samą amortyzację drgań. Aby tego uniknąć stosuje się:
– elastyczne podłączenie maszyny za pomocą elementów gumowych, gumowo-stalowych lub innych, umożliwiających drgania układu amortyzowanego bez przekazywania ich na przewody,
– otulanie przewodów materiałem izolacyjno-dźwiękochłonnym,
– obciążenie przewodu odpowiednią masą hamującą drgania.
Obliczanie współczynnika tłumienia drgań wprowadzanego przez te zabezpieczenia jest skomplikowane. W praktyce łączniki i masy hamujące dobiera się doświadczalnie.
Najbardziej skutecznym z wyżej wymienionych rozwiązań jest stosowanie elastycznych lub sprężystych łączników. Otulanie przewodów daje w efekcie niewielkie tłumienie drgań, rzędu kilku decybeli. Z kolei przez wprowadzenie masy hamującej można uzyskać tłumienie do 10, a nawet do 20 dB.
EKRANY DŹWIĘKOCHŁONNO-IZOLACYJNE
W dużych pomieszczeniach biurowych, a także w halach przemysłowych, drukarniach itp. pomieszczeniach z maszynami i urządzeniami, których hałaśliwości nie można zmniejszyć innymi środkami, pewną poprawę można uzyskać przez zastosowanie ekranów dźwiękochłonno-izolacyjnych. Ekranami takimi można zarówno odizolować (w pewnym stopniu oczywiście) hałaśliwą maszynę czy urządzenie od reszty pomieszczenia, jak i – na odwrót – część pomieszczenia (np. stanowisko czy stanowiska pracy) od hałaśliwego otoczenia.
Skuteczność działania ekranu zależy od szeregu czynników, z których najważniejszymi są:
– charakterystyka poziomu hałasu w funkcji częstotliwości,
– wymiary ekranu w stosunku do długości fali dźwiękowej,
– odległość ekranu od źródła hałasu i jego usytuowanie w stosunku do obszaru, w którym wymagane jest zmniejszenie poziomu hałasu,
– wartość współczynnika pochłaniania α materiału dźwiękochłonnego pokrywającego ekran od strony źródła (powinien być możliwe jak największy).
Skuteczność działania ekranu zależy od stosunku wymiarów ekranu h (mierzonych w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej) do długości tejże fali λ. Dla stosunku h/λ większego od 1 następuje ugięcie fali wokół ekranu – fale dźwiękowe „opływają” ekran i łączą się za nim, tworząc cień akustyczny, w obrębie którego poziom dźwięku jest znacznie mniejszy niż przed ekranem. W praktyce dostateczną skuteczność ekranów osiąga się dla h/λ > 2.
Najlepsze wyniki uzyskuje się stosując ekrany składające się z warstw zewnętrznych dźwiękochłonnych i z wewnętrznej warstwy izolacyjnej. W pomieszczeniach o dużym czasie pogłosu (RT60 > 3 s) tłumiące działanie ekranów znaczne maleje – wynika to z dużej liczby odbić dźwięku od ścian, podłogi i sufitu, a więc docierania dźwięków za ekran z innych kierunków niż ten, przed którymi „chroni” ekran.
TŁUMIKI AKUSTYCZNE
Tłumiki akustyczne to urządzenie służące do zmniejszania hałasów przepływowych. Najbardziej chyba znanym jest tłumik (a nawet tłumiki) stosowany w samochodzie w układzie wydechowym. Oprócz tego najbardziej oczywistego miejsca tłumiki akustyczne stosuje się też w fabrykach, a także w instalacjach przepływowych, np. wentylacyjnych.
Tłumiki akustyczne w instalacjach wentylacyjnych stosuje się w kanałach:
– między wlotem (wylotem) wentylatora a początkiem kanału tłoczącego (lub wyciągowego),
– między odgałęzieniami od tego samego kanału zasilającego pomieszczenia o różnym przeznaczeniu (aby zapobiec przesłuchom),
– tuż przed kratkami nawiewnymi (wyciągowymi),
– w specjalnych przypadkach również tuż za otworem czerpnym powietrza, szczególnie jeśli otwór ten usytuowany jest w pobliżu okien pomieszczeń wymagających ciszy.
Wprowadzeniu do sieci dodatkowego czynnika, jakim jest tłumik, towarzyszy wzrost oporów przepływu. Z tego względu, aby zapewnić możliwość pracy przy niższym stopniu sprężania wentylatora, należy umieszczać elementy tłumiące w strefie najmniejszych prędkości przepływu, a więc zazwyczaj blisko kratek wylotowych i wlotowych. Jest to jednak możliwe tylko przy dłuższych odcinkach kanałów, gdyż ze względu na znaczne wymiary tłumika i brak miejsca nie zawsze możliwe jest usytuowanie go blisko kratek.
W celu uniknięcia szumów spowodowanych turbulentnym przepływem strugi, które mogłyby powstać w kanale wyłożonym chropowatym materiałem dźwiękochłonnym, odcinek kanału od tłumika do kratki powinien być gładki, zaś długość tego odcinka powinna być większa od dwudziestokrotnej długości przekątnej przekroju poprzecznego kanału. Z tych względów, aby uzyskać warunki zbliżone do przepływu laminarnego, korzystne jest stosowanie dużej liczby małych otworów nawiewnych zamiast jednego dużego (dającego tę samą ilość powietrza w jednostce czasu).
Przy krótkich kanałach niezbędne jest stosowanie tłumików tuż za (lub przed) wentylatorem. Najlepszym sposobem jest zastosowanie wstępnego tłumika tuż za (lub przed) wentylatorem oraz tłumika końcowego według omówionej wcześniej zasady.
Niezależnie od typu tłumika jego przekrój jest na ogół większy od przekroju kanału. Aby zapobiec wzrostowi poziomu hałasu wskutek zawirowań strugi, przy przejściu z kanału o mniejszym przekroju do tłumika o przekroju większym, stosuje się między odcinkiem kanału a tłumikiem tzw. dyfuzory i konfuzory, które stanowią również pewien rodzaj tłumików akustycznych – poprzez odpowiedni dobór ich wymiarów można zwiększyć tłumienie w zakresie najniższych częstotliwości.
W instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych stosuje się różne typy tłumików (rysunek 6). Najprostszym tłumikiem jest kanał wyłożony materiałem bądź ustrojem dźwiękochłonnym (rysunek 6a i 7). W tłumiku wielokanałowym (rysunek 6b) ścianki kanalików wykonuje się z płyt lub ustrojów dźwiękochłonnych o dużym współczynniku pochłaniania. Najtrwalsze i najlepiej pochłaniające, charakteryzujące się małymi oporami przepływu, są ustroje perforowane z blach aluminiowych lub płyt pilśniowych twardych, lakierowanych i perforowanych, bądź płyty perforowane z winiduru. Tłumiki wielokanałowe charakteryzują się znacznym współczynnikiem tłumienia, zwiększają jednak opory przepływu, tym bardziej, im mniej gładka jest powierzchnia ustroju dźwiękochłonnego użytego do wyłożenia ścianek tłumika.
Tłumik oporowy z zastawkami (rysunek 6e) składa się z komory wyłożonej materiałem lub ustrojem dźwiękochłonnym oraz zastawek wykonanych z ustrojów dźwiękochłonnych. Z kolei tłumik z rysunku 6c odznacza się prostą konstrukcją. Jego zdolność tłumienia hałasów wynika ze strat powstających przy przepływie strugi wskutek zmiany powierzchni przekroju kanału. Komory rozprężające tego tłumika powinny być wyłożone materiałem dźwiękochłonnym.
Bardzo rozpowszechniony i efektywny jest tłumik szczelinowy (rysunek 8), składający się z metalowego (lub z innego materiału, np. twardych płyt pilśniowych) kanału, w którym umieszcza się przegrody wykonane w postaci ustrojów silnie pochłaniających.
Oprócz wymieniowych typów tłumików stosuje się też inne. Przy ich projektowaniu należy uwzględnić, że obliczenie ich tłumienia może być wykonane jedynie w sposób przybliżony. Dlatego najlepiej przed zastosowaniem działanie tłumika sprawdzić eksperymentalnie.
Piotr Sadłoń
Przy tworzeniu artykułu autor korzystał z publikacji „Akustyka architektoniczna” Jerzego Sadowskiego oraz „Podstawy elektroakustyki” Zbigniewa Żyszkowskiego.
