REDUCEREA ZGOMOTULUI LA APLICATIILE INDUSTRIALE CU TURBOMOTOR DE AVIATIE SI CUANTIFICAREA REZULTATELOR IN FUNCTIE DE IZOLAREA FONICA Silviu Emil Ionescu, Adina Cristina Ionescu Rezumat: Acest articol prezinta parcurgerea unor etape de cercetare fundamentala si aplicata, activități de testari si verificari prin măsurări, diagnoze zgomot si analize comparative. Etapele sunt alese astfel incat sa se ajunga la o cuantificare a rezultatelor in functie de amprenta sonora a unui turbomotor de aviatie utilizat la o centrala cogenerativa si structurile fonoabsorbante utilizate. Se va efectua in final si o raportare a rezultatelor la limitele maxim admise pentru zonele industriale ce se regasesc in protectia muncii. Necesitatea articolului derivă din condițiile impuse de Directivele şi Normativele Europeane transpuse în legislația națională, legate de limitele de zgomot maxim admise în funcționarea echipamentelor şi utilajelor in zonele industriale. 1. Introducere Zgomotul reprezintă prin definitie generarea simultana a mai multor semnale armonice din domeniul auditiv ce radiaza aleator, formand astfel un semnal complex deranjant pentru organul auditiv. In ansamblu, acest semnal complex numit zgomot, poate fi de un nivel acustic ridicat, in functie de amplitudinea presiunii acustice produsa de sursa, si mediul sau căile de propagare a energiei acustice pana la receptorii care sunt înglobați în totalitate într-un sistem de muncă şi viață. Alegerea metodei de combatere a zgomotului se face în funcție de scopul şi obiectivele urmărite, astfel distingem : - metode de combatere a zgomotului la sursă; - metode de combatere a zgomotului pe căile de propagare; - metode de combatere a zgomotului la receptor; Prin aplicarea acestor metode se urmăreşte asigurarea protecției : - împotriva efectelor locale de expunere la zgomot sau diminuarea pericolului surdității profesionale ; - pentru evitarea instalării disconfortului şi interferarea atenției cand este importanta asigurarea inteligibilității comunicațiilor pentru securitatea angajaților în procesul muncii ; - pentru diminuarea efectelor asupra sănătătii personalului expus la zgomot (stres, sistemul cardiovascular, sistemul nervos prin oboseala, insomnii, deficiențe de comportament, etc.).
2. Conținut Datorita faptului ca la un sistem complex cum este centrala cogenerativa ce functioneaza cu turbomotor de aviatie, reducerea zgomotului la sursa este foarte complicata si duce la reproiectare ceea ce inseamna si costuri ridicate, solutia optima este de a reducere zgomotul pe caile de propagare in apropierea sursei cu structuri fonoabsorbante si fonoizolante. Pentru prelevarea amprentei sonore si pentru o analiza complexa a sursei principale de zgomot, s-au efectuat masurari acustice cu achizitii semnale multicanal atat in interiorul cladirii cat si in interiorul grupului de putere langa turbomotor si generator. In cazul acestui sistem industrial, este de mentionat faptul ca turbomotorul este principala sursa de zgomot, ci nu generatorul de curent electric. In acest sens s-au efectuat analize spectrale comparative ce dovedesc acest lucru. Extragerea spectrului de 1/1 octava din semnalul crud [ID=22] Average G1 - Record Hz;(dB(A)[2.000e-05 Pa], RMS) 31.5 54.8 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80 31.5 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 16 k
Variatia in timp a nivelului global de presiune acustica ponderata A Envelop [ID=25] Ch. 1 - Record s;db(a) [2.000e-05 Pa] 0.0 115.8 34.0 115.4 120 118 116 114 112 110 108 106 104 102 100 0 5 10 15 20 25 30 Avand la baza amprenta sursei de zgomot, s-a demarat cu pregatirea lanturilor pentru a determina coeficientul de absorbtie pentru anumite materiale, ale caror caracteristici acustice sunt total diferite, fiecare satisfacand un anumit domeniu de frecventa, urmand ca la proiectarea structurilor sa se aplice straturi specifice de material pentru a acoperi o gama cat mai larga de atenuare. In cadrul experimentelor s-au utilizat doua lanturi ce au la baza metode diferite de determinare a coeficientului de absorbtie, acest lucru fiind util in acelasi timp si la compararea datelor prelevate. Asadar este vorba de lantul electroacustic clasic cu Tub Kundt de la Brüel & Kjær prezentat anterior, bazat pe o metoda clasica cu generare de unde stationare (sau semnale armonice), si un lant SCS Tub Kundt de ultima generatie cu software de la AREVA 01dBMetravib bazat pe metoda functiei de transfer cu generare de zgomot alb conform SR EN ISO 10534-2/2005. Lantul SCS Tub Kundt este alcatuit din mai multe tuburi, fiecare acoperind o anumita gama de frecvente (Φ100 tub pentru frecvente joase-medii, Φ28 tub pentru frecvente inalte, rezultatele fiind la sfarsitul procedurii mediate software). Avand avantajul unei testari rapide cu achizitionare multicanal, acesta poate inregistra si reprezenta linear in acelasi timp valoarea coeficientului de absorbtie intr-un spectru FFT cu o rezolutie
de 829 canale, ceea ce inseamna ca se pot extrage tabelar din baza de date a programului, valoarea masurandului din 12 in 12 Hz (exemplu: 50, 62, 74,... ). Cu ajutorul acestui lant de masura cu software de la AREVA s-au extras urmatoarele informatii din domeniul de frecventa 50-10000 Hz: - Spectru 1/3 octava al coeficientului de absorbtie - Spectru larg de frecvente al coeficientului de absorbtie - Spectru larg de frecvente al impedantei acustice reale - Spectru larg de frecvente al impedantei acustice imaginare Aceste informatii au fost foarte utile in alegerea materialelor cu caracteristici acustice bune si in acelasi timp au fost utile la imbinarea rezultatelor acestora pentru realizarea structurilor fonoabsorbante. La realizarea structurilor s-au luat in calcul si imbinarea straturilor de aer cu diferite materiale. In imaginile urmatoare sunt prezentate rezultate obtinute cu SCS Tub Kundt la unul din materialele fonoabsorbante testate: Mostra 1 Rezultate finale combinate Tub Φ 100 + Tub Φ 28, Coeficientul de absorbtie acustica α [%] in functie de f [Hz], spectru 1/3 octava.
Mostra 1 Rezultate finale combinate Tub Φ 100 + Tub Φ 28, Coeficientul de absorbtie acustica α [%] in functie de f [Hz], narrow bands. Pe baza rezultatelor obtinute in urma determinarii coeficientului de absorbtie si a impedantei acustice pentru materialele alese, s-au proiectat si s-au executat de catre colectivul de acustica din cadrul INCDT COMOTI, un număr de 10 modele experimentale cu dimensiuni diferite si straturi special aranjate, bazate pe materialele studiate in etapa anterioara pentru cercetare aplicata. S-a urmarit imbinarea in straturi a mai multor materiale cu caracteristici acustice diferite, pentru a imbunatati atenuarea pe un domeniu de frecvente cat mai larg, deoarece in general undele sonore se propagă de la un material la altul alaturat prin cavitatile desparțitoare dintre plăci, s-au pur si simplu prin vibratia proprie favorizand transmisia zgomotului prin structura. La trecerea undelor sonore printr-un material poros are loc o atenuare pe un anumit domeniu in functie de modulul de elasticitate al materialului, densitatea sau mai pe scurt de natura acestuia. Această interacțiune dintre undele sonore şi materialul poros duce la o pierdere din energia undelor care va fi convertită în căldură. Datorită acestei conversii, se propagă mai puțină energie a undelor sonore prin pereți. Cu cât este mai gros sau mai dens materialul izolant dintre plăci cu atât este mai mare cantitatea de energie convertită în caldură şi rezultă o mai bună izolare fonică. Structurile fonoabsorbante tip sandwich, fiind delimitate in acelasi timp si de spatii de aer pentru a spori calitatea atenuari zgomotului, au fost asamblate asfel incat sa se poata implementa ca mostra intr-un lant special de determinare a pierderi prin transmisie la zgomot aerian si pentru determinarea izolarii la zgomot aerian R[dB] conform SR EN ISO 140-3/2005, pentru un domeniu specific de frecventa.
Izolarea la zgomot aerian defineşte acțiunea prin care se urmăreşte ca elementele separatoare între două camere ale unei clădiri să reducă transmisia zgomotului aerian între spațiile pe care le separă. Reducerea trebuie să fie efectivă în ambele sensuri de transmitere a zgomotului. În acest caz este util să considerăm o cameră fiind cameră sursă (emisie) şi cealaltă cameră receptoare (recepție). INDICE DE ATENUARE ACUSTICĂ R pentru un element de construcție, este definit de urmatoarea relație: S A R = L 1 L 2 + 10 lg [ db] în care: L 1, L 2 = niveluri de zgomot în spațiul de emisie, respectiv de recepție, în db; S = suprafața probei (perete sau planşeu), în m 2 ; A = aria de absorbție echivalentă în camera de recepție, în m 2. În scopul determinării indicelui de atenuare acustică R s-a folosit o metodă de lucru adecvată, amenajandu-se un stand special de lucru, care se compune din: - o cameră de emisie cu dimensiunile de 1000 x 1000 x 700 mm în care se generează zgomot alb. S-a prevăzut pentru emisia zgomotului alb un lanț electroacustic pentru generarea şi măsurarea sa.(lanț electroacustic emițător) ; - o cameră de recepție cu dimensiunile de 1000 x 1000 x 1000 mm unde se măsoară răspunsul materialelor testate la zgomotul emis, după ce acesta a traversat mostrele de material. Lanțul electroacustic ataşat acestei camere (lanț electroacustic receptor) este necesar măsurării zgomotului transmis prin mostra de material fixată între cele două camere. Între cele două camere de emisie şi recepție special amenajate şi căptuşite cu material fonoizolant s-a prevăzut o fereastră cu dimensiunea unui pătrat cu latura de 250 mm, în care sunt fixate panourile pentru a fi testate.
Compararea spectrala a semnalelor prelevate cu lantul de determinare a indicelul de atenuare la zgomot aerian, pentru o structura fonoabsorbanta (emisie rosu, receptie verde) [ID=94] Average G2 4.2.M2 - Record - ACUSTIC Hz;(dB[2.000e-05 Pa], RMS) 0.00 57.3 [ID=86] Average G1 4.1.M2 - Record - ACUSTIC Hz;(dB[2.000e-05 Pa], RMS) 0.00 87.0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Analiza comparativa - reprezentarea grafica a valorilor lui R pentru cele 10 mostre de panouri fonoabsorbante şi fonoizolante Din analiza rezultatelor măsurărilor acustice prezentate se pot deduce următoarele aspecte: - izolarea la zgomot aerian măsurată conform celor descrise mai sus, a scos în evidență performanțele celor 10 mostre de panouri stratificate. - analiza acestor diagrame au dus la concluzia că toate mostrele de panouri au o izolare la zgomot aerian în funcție de frecvență cuprinsă între 30 şi 55 db.
- excepție de la aceasta este mostra numărul 10 care are R cuprins între 15 şi 40 db. Acest lucru este posibil deoarece această mostră nu conține material poros. - mostra cu calități izolante mai bune este mostra M2 care are R cuprins între 35 şi 55 db. Compararea spectrala a amprentei sursei de zgomot ce s-a determinat anterior la turbomotorul de aviatie utilizat in industrie, s-a realizat impreuna cu rezultatele structurii optime. Asadar s-a extras din semnalul crud prelevat la sursa, spectrul de 1/3 octava si s-a determinat diferenta frecventelor centrale corespunzatoare curbei caracteristice R[dB] a materialului fonoabsorbant si fonoizolant M2 cu calitati optime, dupa care s-a reprezentat estimarea atenuari zgomotului la sursa. In tabelul urmator mai sunt prezentate si cateva valori numerice ce s-au utilizat la determinarea izolarii la zgomot aerian. f [Hz] L1 [db] L2 [db] L1- L2 [db] factor corectie R [db] Sursa [db] Sursa-R [db] 125 107.1 61.4 45.7 2.7 48.4 94.7 46.3 160 108.2 71 37.2 0.45 37.65 98.7 61.05 200 108.8 70.6 38.2-9 29.2 96.3 67.1 250 107.4 58.5 48.9-10 38.9 101.1 62.2 315 105.8 56.3 49.5-10 39.5 102.5 63 400 107.4 48.4 59-10.4 48.6 102.9 54.3 500 104.5 58.5 46-11.4 34.6 102 67.4 630 103.8 53.6 50.2-11.8 38.4 99.3 60.9 800 105.3 54 51.3-13 38.3 99.1 60.8 1000 107.3 54 53.3-15.2 38.1 99.7 61.6 1250 102.7 55.7 47-15.3 31.7 97.3 65.6 1600 105.6 49.7 55.9-16.5 39.4 96.9 57.5 2000 106.7 40.7 66-17.2 48.8 97.3 48.5 2500 109.6 39.5 70.1-18.5 51.6 103.8 52.2 3150 107.3 37.7 69.6-18.8 50.8 102 51.2 4000 98.7 35.2 63.5-19.5 44 97.4 53.4 5000 100 34.2 65.8-20 45.8 97.2 51.4 6300 101.1 34.9 66.2-20 46.2 97.1 50.9
Izolarea la zgomot aerian R[dB] pentru mostra numarul 2: 60 50 40 R [db] 30 20 10 0 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 f[hz] Estimarea atenuarii zgomotului cu ajutorul mostrei numarul 2: 120 100 80 Sursa - R [db] 60 40 20 0 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 f[hz] Trebuie mentionat faptul ca atenuarea estimata pentru sistemul industrial la care s-au efectuat masurari este foarte buna, fara a lua in calcul si atenuarea pe care o produc peretii cladirii industriale in care se afla grupul de putere. Pentru cazul de fata si anume in zonele industriale curba Cz70 se va aplica la comparatia urmatoare, pentru a observa limita maxima admisa de protectia muncii in zonele cu astfel de surse de zgomot:
Panoul II f [Hz] R [db] Sursa [db] Cz 70 [db] Sursa - R [db] 125 41.3 101.1 82.9 59.8 250 31.1 105.4 77.1 74.3 500 38.5 106.4 73 67.9 1000 35.6 103.6 70 68 2000 44.1 105.4 67.5 61.3 4000 48.1 104.3 65.7 56.2 120 100 Sursa, Sursa- R, Cz70 [db] 80 60 40 20 0 125 250 500 1000 2000 4000 f[hz] Se observa cum atenuarea produsa de mostra aleasa aduce nivelul sursei de zgomot de culoare rosie, sub limita maxima admisa de culoare galbena, satisfacand astfel cerintele impuse in protectia muncii. 3. Concluzii Din experiența acumulată în realizarea practică a celor zece panouri fonoabsorbante şi fonoizolante s-au extras urmatoarele concluzii: - performanțele acustice sunt mai bune când materialele folosite la realizarea structurilor sandwich au proprietăți acustice pe domenii de frecvente cat mai mari (absorbție şi izolație); - se pot creşte performanțele acustice ale panourilor, dacă în structura sandwich se introduce un strat de aer între două straturi de material poros;
- coeficientul de absorbție acustică al unui sandwich creşte odată cu creşterea grosimii materialului poros folosit; - grosimea materialului poros influiențează creşterea coeficientului de absorbție spre frecvențele joase; - folosirea de materiale moi, performante din punct de vedere acustic, pot scădea greutatea şi grosimea panourilor fonoabsorbante şi fonoizolante; - in funcție de aplicația practică unde se pune problema izolării fonice a unei surse de zgomot, in scopul încadrării rezultatelor măsurărilor acustice în limitele normativelor în vigoare (naționale şi europene), se va alege soluția cea mai adecvată care să țină seama atât de aspectul economic (cost de fabricație cât mai redus), de aspectul ecologic (folosirea unor materiale nepoluante), cât şi de performanțele reducerii nivelului de zgomot. 4. Bibliografie 1. Lucrari INCDT COMOTI Rezultate Proiect REDNOISE modul I, CEEX Ctr286/2006 2. N. Enescu, I. Magheti, M. A. Sarbu Acustica tehnica Editura ICPE, 1998 3. E. Bădărău - Bazele acustice moderne. Editura academiei RSR 1961 M. Grumăzescu 4. M. Gafițanu - Vibrații şi zgomote. Editura Junimea Iaşi 1980 V. Focşa 5. B & K - Architectural Acoustics. 1978 6. STAS 10046/2: 1992 - ACUSTICA CONSTRUCȚIILOR. Determinarea coeficientului de absorbție acustică şi a impedanței acustice a materialelor prin metoda interferometrului acustic 7. SR EN ISO 140 /1 : 2005 - ACUSTICĂ. Masurarea izolarii acustice a cladirilor si elemente de cladiri. Partea 1 : Specificatii pentru laborator 8. SR EN ISO 140 /2 : 2005 - ACUSTICĂ Masurarea izolarii acustice a cladirilor si elemente de cladiri. Partea 2 : Specificatii relative la fidelitate. 9. SR EN ISO 140 /3 : 2005 - ACUSTICĂ Masurarea izolarii acustice a cladirilor si elemente de cladiri. Partea 3. Masurarea in laborator a izolarii la zgomot aerian a elementelor de cladiri. 10. SR EN ISO 140 /4 : 2005 - ACUSTICĂ Măsurarea izolării acustice în clădiri şi a elementelor de constructii. Partea 4: Măsurarea în situ a izolării la zgomot aerian între camere. 11. SR EN ISO 140 /5 : 2005 - ACUSTICĂ Masurarea izolării acustice în clădiri şi a elementelor de construcții. Partea 5 : Măsurarea în situ a izolării la zgomot aerian a elementelor de fațadă şi a fațadelor. 12. SR EN 20 140 /9 : 1998 - ACUSTICĂ Masurarea izolării acustice în clădiri şi a elementelor de construcții. Partea 9 : Măsurarea în laborator a izolării la zgomot aerian între două camere printr-un plafon suspendat cu spațiu de aer intermediar.
13. SR EN 20 140 /10 : 1998 - ACUSTICĂ Masurarea izolării acustice în clădiri şi a elementelor de construcții. Partea 10 : Măsurarea în laborator a izolării la zgomot aerian a elementelor mici de construcții. 14. SR EN ISO 717 /1 : 2000 - ACUSTICĂ. Evaluarea izolării acustice a clădirilor şi a elementelor de construcții. Partea 1: Izolarea la zgomot aerian. 15. SR EN ISO 10534-2/2005 Determinarea coeficientului de absorbtie acustica si a impedantei cu interferometru acustic: Metoda functiei de transfer