Ustroje rezonatorowe obniżające hałas niskoczęstotliwościowy w kabinach przemysłowych

Praca wykonana w ramach Programu Wieloletniego (b. SPR-1) pn. „Bezpieczeństwo i ochrona zdrowia człowieka w środowisku pracy" dofinansowanego przez Komitet Badań Naukowych

Ochrona przed dźwiękami o niskich częstotliwościach jest skomplikowana ze względu na znaczne długości fal (np. fala o częstotliwości 20 Hz ma długość 17 m), dla których tradycyjne ściany, przegrody, ekrany i pochłaniacze akustyczne są mało skuteczne. W niektórych przypadkach dźwięki niskoczęstotliwościowe są wzmacniane na skutek rezonansu pomieszczeń, elementów konstrukcyjnych budynków lub całych obiektów. Poziomy ciśnień akustycznych mogą wówczas przekraczać poziomy mierzone w pobliżu ich źródeł. Tak często dzieje się we wnętrzu przemysłowych kabin dźwiękoizolacyjnych.

Na ogół w celu ograniczenia hałasu niskoczęstotliwościowego i infradźwiękowego wymagane jest każdorazowo indywidualne projektowanie zabezpieczeń po uprzedniej szczegółowej analizie widma hałasu.


Ustroje rezonatorowe o komorach pojedynczych

W celu poprawy izolacyjności akustycznej przemysłowych kabin dźwiękoizolacyjnych w zakresie hałasu niskoczęstotliwościowego stosowane są indywidualnie projektowane (w zależności od dominujących częstotliwości w widmie hałasu) ustroje rezonatorowe, konstruowane na bazie rezonatorów Helmholza.

a   b 
Rys. l. Widok elementu panelowego ustroju rezonatorowego: a - bez wypełnienia, b - z wypełnieniem


Na podstawie analizy różnych konstrukcji mających na celu obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego we wnętrzu kabiny, zaprojektowano i wykonano drewniane modele ustroju rezonatorowego w dwóch wariantach. Jako materiał konstrukcyjny do budowy modeli wykorzystano płyty ze sklejki drewnianej o grubości 18 mm. Poszczególne elementy łączono ze sobą za pomocą wkrętów do drewna, bądź na zasadzie wsuwania jednych elementów w wyfrezowane prowadnice innych elementów. Pozwoliło to na zbudowanie różnych wariantów modelu ustroju rezonatorowego dla każdej z dwóch podstawowych wersji: z 32 rezonatorami, w płycie czołowej 32 otwory o średnicy 10 mm, gdzie:

• objętość komory rezonatora V = 230x227.5x100 mm, a odpowiadająca częstotliwość drgań własnych powietrza wypełniającego rezonator f_r = 41 Hz,
  
• objętość komory rezonatora V = 230x227.5x200 mm, f_r= 29 Hz,
  
• rezonator ma jeden, symetrycznie umieszczony otwór - szyjkę,
  
• średnica szyjki d = l0 mm,
  
• długość szyjki l = 18 mm.
  

Rys. 2. Widok ustrojów rezonatorowych zamontowanych w kabinie


z 8 rezonatorami, w płycie czołowej 8 otworów o średnicy 20 mm,

gdzie:

• objętość komory rezonatora V = 478x473x100 mm, a odpowiadająca częstotliwość drgań własnych powietrza wypełniającego rezonator f_r = 35 Hz,
  
• objętość komory rezonatora V = 478x473x200 mm, a f_r = 25 Hz,
  
• rezonator ma jeden, symetrycznie umieszczony otwór - szyjkę,
  
• średnica szyjki d = 20 mm,
  
• długość szyjki l = 18 mm.
  

Widok elementu panelowego o wymiarach 2000x1000 przedstawiono na rys. l. Elementy panelowe mogą być łączone w większe powierzchnie, w zależności od potrzeb (od rozmiarów kabiny). Każdy z wariantów ustrojów modelowych dodatkowo może być wypełniony wełną mineralną lub pianką poliuretanową. Przykładowe wnętrze kabiny dźwiękoizolacyjnej wraz z zamontowanymi ustrojami rezonatorowymi przedstawia rys. 2. Natomiast parametry akustyczne omawianych ustrojów, tj. orientacyjna izolacyjność akustyczna w zakresie niskich częstotliwości oraz pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku przedstawia rys. 3 i 4.

Pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku ustrojów rezonatorowych

Częstotliwość	a - 1	a - 2	a - 3
	wariant - 1	wariant - 2	wariant - 3
100	0,45	0,30	0,11
125	0,27	0,26	0,11
160	0,24	0,29	0,27
200	0,23	0,23	0,14
250	0,13	0,09	0,13
315	0,14	0,08	0,19
400	0,10	0,06	0,13
500	0,17	0,12	0,11
630	0,09	0,09	0,15
800	0,08	0,10	0,09
1k	0,13	0,15	0,11
1,25k	0,05	0,02	0,01
1,6k	0,04	0,01	0,12
2k	0,09	0,23	0,17
2,5k	0,04	0,42	0,38
3,15k	0,27	0,25	0,18
4k	0,12	0,50	0,09
5k	0,34	0,55	0,16

Rys. 3. Orientacyjna izolacyjność akustyczna wybranych wariantów ustrojów rezonatorowych w zakresie niskich częstotliwości

Ustrój rezonatorowy o komorach sprzężonych

Kolejne badania przeprowadzono z ustrojem rezonatorowym o bardziej skomplikowanych kształtach, a więc z komorami sprzężonymi. Szkic tego rozwiązania przedstawiono na rys. 5, a wyniki badań izolacyjności akustycznej R tego ustroju przedstawia rys. 6. Lokalne maksimum przebiegu izolacyjności akustycznej dla częstotliwości: 16 Hz, 31,5 Hz i 63 Hz wskazuje na skuteczność tego ustroju w zakresie hałasu niskoczęstotliwościowego.

 

aśr - 1 = 0,18 aśr - 2 = 0,21 aśr - 3 = 0,15

a_śr - 1 - dla wariantu 1

a_śr - 2 - dla wariantu 2

a_śr - 3 - dla wariantu 3

Rys. 4. Pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku dla wybranych wariantów ustrojów rezonatorowych: wariant l - 32 komory, 32 otwory, wariant 2-32 komory, 32 otwory, wypełnienie wełna mineralna, wariant 3-32 komory, 32 otwory, wypełnienie pianka poliuretanowa


* * *

Typowe kabiny mają na ogół małą skuteczność akustyczną w zakresie niskich częstotliwości (0-15 dB). We wnętrzu niektórych kabin zaobserwowano wzmacnianie poziomu ciśnienia akustycznego w zakresie hałasu niskoczęstotliwościowego, sięgające nawet do 10 dB. Zjawisko wzmocnienia poziomu ciśnienia akustycznego we wnętrzu kabin szczególnie często obserwowane jest w kabinach metalowych; wzmocnienie poziomu ciśnienia akustycznego we wnętrzu kabin związane jest prawdopodobnie z występowaniem niekorzystnych zjawisk rezonansowych i niedostateczną izolacyjnością wibroakustyczną kabin w tym zakresie częstotliwości. Kabiny zlokalizowane w pobliżu źródeł hałasu niskoczęstotliwościowego i infradźwiękowego powinny być poddane szczególnej kontroli pod względem stopnia wnoszonej ochrony w tym zakresie częstotliwości, mogą bowiem narażać przebywających w nich ludzi na większy hałas niż gdyby znajdowali się na zewnątrz kabiny. W celu poprawy stopnia wnoszonej ochrony przez kabinę w zakresie niskich częstotliwości można zastosować wiele przedsięwzięć związanych z konstrukcją kabiny, w tym ustroje rezonatorowe (rys.7).


Rys. 5. Schemat ustroju rezonatorowego o komorach sprzężonych

f[Hz]	R[dB]
12,5	12,7
16	23,3
20	21,
25	20,
31,5	25,
40	22,
50	15,
63	27,
80	23,
100	18,
125	13,
160	16,
200	22,
250	28,
315	30,
400	28,
500	34
630	35,9
800	33,9
100	36,9
1250	35,2

Rys. 6. Wyniki badań izolacyjności akustycznej ustroju rezonatorowego o komorach  sprzężonych

Wyniki badań izolacyjności akustycznej ustroju rezonansowo-absorbcyjnego bez  wypełnienia


Rys.7. Charakterystyka przybliżonej izolacyjności akustycznej D'_p metalowej kabiny przemysłowej KB-2 usytuowanej w pomieszczeniu  badawczym CIOP, sztuczne źródło dźwięku (zestaw głośnikowy)
 - - przed umieszczeniem ustrojów rezonatorowych
 . . po pokryciu  powierzchni dwóch ścian kabiny ustrojami rezonatorowymi


PIŚMIENNICTWO

[1] Engel Z.: Ochrona przed drganiami i hałasem. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993

[2] Engel Z., Sadowski J. i inni: Wytyczne projektowania ochrony przeciwhałasowej stanowisk pracy w halach przemysłowych ze wspomaganiem komputerowym. Warszawa, CIOP, II wyd.,1993

[3] Kaczmarska A.: Certyfikacja kabin przemysłowych - badania akustyczne. Bezpieczeństwo Pracy 5/95, s. 16-22

[4] Kaczmarska A., Sikora J., Wszołek T.: Badania doświadczalne ustrojów rezonatorowych. Mechanika 3/97, s. 429-440

[5] Kaczmarska A., Augustyńska D.: Ograniczanie hałasu niskoczęstotliwościowego w kabinach przemysłowych. CIOP, Warszawa 1999

[6] Kaczmarska A., Augustyńska D., Engel Z.: Skuteczność zabezpieczeń przed hałasem infra-dźwiękowym w warunkach przemysłowych. Zadania badawcze 03.8.I4/SPR-1, CIOP, Warszawa 2000

[7] ISO 7196 Acoustics - Frequency weighting characteristic for infrasound measurement

[8] Pr PN-EN ISO 11957 Akustyka - Wyznacza- nie właściwości dźwiekoizołacyjnych kabin, Pomiary laboratoryjne i terenowe