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,

activităţi 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 condiţiile impuse de Directivele şi

Normativele Europeane transpuse în legislaţia naţională, legate de limitele de zgomot maxim admise

în funcţionarea 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 înglobaţi în totalitate într-un sistem de muncă şi viaţă.

Alegerea metodei de combatere a zgomotului se face în funcţie 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 protecţiei :

- împotriva efectelor locale de expunere la zgomot sau diminuarea pericolului surdităţii

profesionale ;

- pentru evitarea instalării disconfortului şi interferarea atenţiei cand este importanta

asigurarea inteligibilităţii comunicaţiilor pentru securitatea angajaţilor în procesul muncii ;

- pentru diminuarea efectelor asupra sănătătii personalului expus la zgomot (stres, sistemul

cardiovascular, sistemul nervos prin oboseala, insomnii, deficienţe de comportament,

etc.).

2. Conţinut

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

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

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

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

Envelop [ID=25] Ch. 1 - Record s;dB(A) [2.000e-05 Pa] 0.0 115.8 34.0 115.4

100

102

104

106

108

110

112

114

116

118

120

0 5 10 15 20 25 30

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 desparţitoare 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 interacţiune 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 puţină energie a undelor sonore prin pereţi. 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 acţiunea prin care se urmăreşte ca elementele

separatoare între două camere ale unei clădiri să reducă transmisia zgomotului aerian între spaţiile 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 (recepţie).

INDICE DE ATENUARE ACUSTICĂ – R pentru un element de construcţie, este definit de

urmatoarea relaţie:

R = L1 – L2 + [ ]dBA

Slg10

în care:

L1, L2 = niveluri de zgomot în spaţiul de emisie, respectiv de recepţie, în dB;

S = suprafaţa probei (perete sau planşeu), în m2;

A = aria de absorbţie echivalentă în camera de recepţie, în m2.

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 lanţ electroacustic pentru generarea şi

măsurarea sa.(lanţ electroacustic emiţător) ;

- o cameră de recepţie 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.

Lanţul electroacustic ataşat acestei camere (lanţ electroacustic receptor) este necesar măsurării

zgomotului transmis prin mostra de material fixată între cele două camere.

Între cele două camere de emisie şi recepţie 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)

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 evidenţă

performanţele 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 funcţie de frecvenţă cuprinsă între 30 şi 55 dB.

[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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

- excepţie de la aceasta este mostra numărul 10 care are R cuprins între 15 şi 40 dB. Acest

lucru este posibil deoarece această mostră nu conţine material poros.

- mostra cu calităţi 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:

0

10

20

30

40

50

60

125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300

f[Hz]

R [

dB

]

Estimarea atenuarii zgomotului cu ajutorul mostrei numarul 2:

0

20

40

60

80

100

120

125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300

f[Hz]

Su

rsa -

R [

dB

]

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

0

20

40

60

80

100

120

125 250 500 1000 2000 4000

f[Hz]

Su

rsa, S

urs

a-

R, C

z70 [

dB

]

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 experienţa acumulată în realizarea practică a celor zece panouri fonoabsorbante şi

fonoizolante s-au extras urmatoarele concluzii:

- performanţele acustice sunt mai bune când materialele folosite la realizarea structurilor

sandwich au proprietăţi acustice pe domenii de frecvente cat mai mari (absorbţie şi

izolaţie);

- se pot creşte performanţele acustice ale panourilor, dacă în structura sandwich se

introduce un strat de aer între două straturi de material poros;

- coeficientul de absorbţie acustică al unui sandwich creşte odată cu creşterea grosimii

materialului poros folosit;

- grosimea materialului poros influienţează creşterea coeficientului de absorbţie spre

frecvenţele joase;

- folosirea de materiale moi, performante din punct de vedere acustic, pot scădea greutatea

şi grosimea panourilor fonoabsorbante şi fonoizolante;

- in funcţie de aplicaţia practică unde se pune problema izolării fonice a unei surse de

zgomot, in scopul încadrării rezultatelor măsurărilor acustice în limitele normativelor în

vigoare (naţionale şi europene), se va alege soluţia cea mai adecvată care să ţină seama

atât de aspectul economic (cost de fabricaţie cât mai redus), de aspectul ecologic

(folosirea unor materiale nepoluante), cât şi de performanţele 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. Gafiţanu - Vibraţii şi zgomote. Editura Junimea Iaşi 1980 V. Focşa

5. B & K - Architectural Acoustics. 1978

6. STAS 10046/2: 1992 - ACUSTICA CONSTRUCŢIILOR. Determinarea coeficientului de absorbţie

acustică şi a impedanţei 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

construcţii. Partea 5 : Măsurarea în situ a izolării la zgomot aerian a elementelor de faţadă şi a

faţadelor.

12. SR EN 20 140 /9 : 1998 - ACUSTICĂ Masurarea izolării acustice în clădiri şi a elementelor de

construcţii. Partea 9 : Măsurarea în laborator a izolării la zgomot aerian între două camere printr-un

plafon suspendat cu spaţiu de aer intermediar.

13. SR EN 20 140 /10 : 1998 - ACUSTICĂ Masurarea izolării acustice în clădiri şi a elementelor de

construcţii. Partea 10 : Măsurarea în laborator a izolării la zgomot aerian a elementelor mici de

construcţii.

14. SR EN ISO 717 /1 : 2000 - ACUSTICĂ. Evaluarea izolării acustice a clădirilor şi a elementelor de

construcţii. 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