Źródłem największej głośności w urządzeniu chłodniczym jest sprężarka, wentylator parownika i wentylator skraplacza. Obecna technika obniżania głośności nie pozwala na zdecydowane jej obniżenie.

Rys. 4. Obracający się element pomiarowy w komorze bezechowej produkcji firmy Eckel

Pomiary głośności
Po raz pierwszy elektryczny miernik głośności zaprezentował w 1907 roku George Pierce. Trzeba było jednak poczekać kilka dekad, zanim znalazł on szersze zastosowanie i zaczęto opracowywać normy głośności (1936 rok). Każdy kolejny rok przynosił nowe udoskonalenia w pomiarze głośności i doskonalsze normy. Obecnie podstawowym instrumentem, służącym do pomiaru dźwięku, jest miernik zawierający mikrofon, elektroniczne wewnętrzne oprzyrządowanie i ekran. W przyrządzie tym ciśnienie dźwięku jest zamieniane na poziom ciśnienia dźwięku i eksponowane na ekranie miernika. Przyrządy te są z reguły bardzo małe i zasilane bateriami. Przykład takiego przyrządu jest przedstawiony na rysunku 2. Jak wiemy z praktyki, dźwięk nie jest wielkością stałą. Podlega zmianom i fluktuacji bardzo wolno lub bardzo szybko. Zmiany te zależą głównie od warunków, w jakich rozchodzi się dźwięk. Najnowsze mierniki mogą wyliczyć i pokazać na ekranie miernika wielkość średnią ciśnienia dźwięku, co jest bardzo wygodne z punktu widzenia osoby dokonującej pomiaru. W tym przypadku osoba dokonująca pomiaru nie musi wykonywać uciążliwych i często długotrwałych przeliczeń. Mierzone spektrum dźwięku zawiera zbyt dużo informacji, które są w wielu przypadkach zbędne przy pomiarze ciśnienia dźwięku. Z tego powodu bardziej skomplikowane i dokładne instrumenty pomiarowe wyposażone są w filtry, które usuwają nieistotne dla pomiaru informacje. W zależności od wymagań, dotyczących jakości pomiaru i potrzeb, stosuje się kilka rodzajów filtrów powszechnie dostępnych na rynku. Możemy również, w zależności od wymaganej dokładności pomiaru poziomu dźwięku i potrzeb, użyć mierników o różnej dokładności, których cena rośnie ze wzrostem dokładności miernika. Pomiarów głośności urządzeń chłodniczych i ich głównych elementów, mających wpływ na głośność urządzenia chłodniczego (sprężarek, wentylatorów) dokonuje się w tzw. komorach bezechowych (reverberation room), pokazanych na rysunkach 3. i 4. Komora bezechowa jest niczym innym jak cementową komorą, posadowioną na specjalnych izolatorach antywibracyjnych (rys. 3 c), oddzielających ją od drgań podłoża. Od wnętrza komora bezechowa pomalowana jest specjalną odblaskową farbą i wyłożona specjalnymi, odbijającymi dźwięk, płytami i elementami (rys. 3 a i rys. 3 b). Zadaniem płyt i elementów odbijających dźwięk w idealnej komorze bezechowej jest spowodowanie pochłonięcia energii dźwięków przez powietrze komory. Ponieważ komora bezechowa ma bardzo wiele elementów odbijających energię dźwięku, fale dźwiękowe poruszające się w różnych kierunkach zakłócają się wzajemnie w każdym punkcie komory bezechowej. Z dużym przybliżeniem możemy stwierdzić, że w dobrze zaprojektowanej i wykonanej komorze bezechowej jej wnętrze jest jednorodne, a dźwięk rozchodzi się izotropowo. Prowadzi to do twierdzenia, że poziom ciśnienia jest jednakowy w całej objętości komory bezechowej. Kilka założeń jest niezbędnych do zapewnienia komorze bezechowej jednakowego poziomu ciśnienia:
• współczynnik pochłaniania fal dźwiękowych przez ściany α musi być niższy od 0,2,
• geometria komory bezechowej musi być nieregularna (żadna ze ścian i dyfuzory nie mogą być równoległe). Ta nieregularność ścian i dyfuzorów powoduje, że w komorze bezechowej nie tworzą się węzły ciśnienia powodujące rezonans fal.

Jeżeli chodzi o pomiar głośności urządzenia w komorze bezechowej, to energia dźwięku emitowana przez badane urządzenie może być określona na podstawie poziomu dźwięku w komorze bezechowej i jej charakterystyki (objętość komory, jej powierzchnia, czas pogłosu – reverbaration time). Odmiennie do poziomu ciśnienia dźwięku wytwarzanego przez urządzenie, energia dźwięku jest specyficzna dla każdego urządzenia i nie zależy od otoczenia. Celem badania w komorze bezechowej jest określenie wartości energii dźwięku wydalanego przez źródło hałasu, współczynnika tłumienia przegród, współczynnika tłumienia pochłaniaczy hałasu, charakterystyki mikrofonów itp. W Tabeli 1. podano porównanie poziomu dźwięku, jego ciśnienia i intensywności dla różnych źródeł dźwięku, natomiast w Tabeli 2. przedstawiony jest odbiór zmian natężenia dźwięku przez człowieka. Z Tabeli 2. można wyciągnąć wniosek, że człowiek praktycznie nie zauważy zmian w różnicy natężenia dźwięku, jeżeli ta zmiana nie jest większa od 3 dB.

Rys. 3. Przykłady komór bezechowych firmy Eckel zainstalowanych w: a) Rush Industries, MI – USA;
b) Health and Welfare – Kanada; c) typowe zawieszenie przeciwdrganiowe podłogi komory pogłosowej firmy Eckel

Hałas wytwarzany przez sprężarkę
Wszystkie rodzaje sprężarek są źródłem hałasu. Różnica akustyczna pomiędzy poszczególnymi grupami sprężarek wygląda następująco:
• sprężarka tłokowa – charakteryzuje się stukowym rodzajem hałasu, wynikającym z ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka. Hałas ma stosunkowo wysokie tony, które nieznacznie obniżają się z obniżeniem wydajności chłodniczej sprężarki;
• sprężarka spiralna – charakteryzuje się stosunkowo niską tonacją hałasu, szczególnie dla małych wydajności chłodniczych;
• sprężarka śrubowa – ma bardzo silną tonację hałasu, szczególnie w zakresie częstotliwości od około 300 Hz do około 2000 Hz. Hałas, wytwarzany przez śruby, jest rezonansowo wzmacniany w oddzielaczu oleju, jak również przez promieniowanie przekazywany do skraplacza i obudowy parownika. Oba elementy układu, tzn. skraplacz i obudowa parownika są na stałe i na sztywno połączone ze sprężarką poprzez rury wysokiego ciśnienia. Sprężarki śrubowe są najbardziej hałaśliwymi sprężarkami w branży chłodniczej i wymagają zwrócenia szczególnej uwagi na kontrolę drgań przy ich instalacji;
• sprężarka odśrodkowa – natężenie hałasu tej sprężarki jest związane z wysokimi obrotami jej wirnika i skrzynią przekładniową. Hałas sprężarki odśrodkowej nie jest uciążliwy, z wyjątkiem okresu, kiedy pracuje ona na obniżonych obrotach (obniżona wydajność chłodnicza). Ten rodzaj hałasu można obniżyć poprzez wyeliminowanie skrzyni przekładniowej i zastosowanie w to miejsce kontroli obrotów silnika elektrycznego sprężarki odśrodkowej.

W dalszej części omawiania głośności sprężarek skoncentruję się tylko na sprężarkach tłokowych małej i średniej wydajności chłodniczej, których zastosowanie jest najpowszechniejsze. (...)

Minimalizacja drgań sprężarki (...)

Hałas wytwarzany przez wentylator
Hałas, wytwarzany przez wentylatory, jest funkcją jego typu, masowego natężenia przepływu powietrza, ciśnienia powietrza na wypływie z wentylatora i jego sprawności. Po podjęciu decyzji co do wybory typu wentylatora, który zależy od jego przeznaczenia, główna uwaga powinna być skupiona na doborze jego wielkości, bazując na jak najwyższym zakresie jego sprawności. Wiadomo, że wentylator o największym zakresie wysokiej sprawności z reguły charakteryzuje się najniższą głośnością. Duży wpływ na głośność wentylatora ma prędkość powietrza wypływającego z wentylatora, co też trzeba uwzględnić, dobierając wentylator. Dane na temat głośności wentylatora są publikowane przez producenta jako poziom energii dźwięku w 1/8 oktawy. Przy doborze wentylatora i projektowaniu układu przepływu powietrza należy pamiętać, że na głośność wentylatora mają wpływ: aerodynamika układu, mechanika układu i pole elektromagnetyczne silnika wentylatora. Jak wcześniej wspomniałem, największy wpływ na głośność wentylatora ma turbulencja przepływu powietrza, która zmienia się wraz ze zmianą przekrojów kanałów przepływu powietrza, ich kształtem, załamaniami ostrymi krawędziami. Natomiast ciśnienie tłoczonego przez wentylator powietrza i profil prędkości przepływu wokół łopatek wirnika wentylatora wytwarzają dźwięk, który powtarza się z częstotliwością obrotów łopatek wentylatora:

f = n · m

gdzie:
n – ilość obrotów wirnika na minutę;
m – ilość łopatek wirnika wentylatora.

Oczywiście, każdego rodzaju przeszkody w przepływie powietrza podwyższają głośność wentylatora. Jeżeli chodzi o głośność wywołaną czynnikami mechanicznymi, to mają na nią wpływ takie elementy wentylatora, jak: łożyska, pasy napędowe oraz wibracja, która jest nieodzowną częścią głośności w wirujących elementach. Pole magnetyczne stojana silnika elektrycznego wentylatora zmienia się z dwukrotną wartością częstotliwości energii zasilającej wentylator. Kształt zniekształcenia fali ma swoje źródło w energii zasilającej wentylator lub w silniku wentylatora. Te zniekształcenia fali wytwarzają fale harmoniczne, niekorzystne dla wentylatora z punktu widzenia jego głośności. Ten typ głośności wentylatora wywołany nieregularnością pola elektromagnetycznego spowodowany jest warstwową strukturą stojana, jego kształtem i tolerancją. Największa część głośności wentylatora ma swoje źródło w jego budowie mechanicznej i mocowaniu. Głośność może być w łatwy sposób obniżona lub nawet wyeliminowana poprzez zastosowanie następujących zaleceń:
• Zastosować izolację przeciwwibracyjną wentylatora (rys. 12.) przy mocowaniu go do podstawy lub obudowy. Jej wpływ na obniżenie głośności wentylatora osiowego pokazuje rysunek 13. Pomiaru głośności dokonano dla wentylatora bez izolacji przeciwwibracyjnej i z izolacją. Natomiast mikrofon umieszczono przed wentylatorem i nad wentylatorem. W obu przypadkach wyraźnie widać, że zastosowanie izolacji przeciwibracyjnej obniżyło głośność o około 7 dB(A).
• Należy stosować wentylatory z żeliwną obudową silnika elektrycznego. Żeliwo jest materiałem, który bardzo dobrze pochłania wibracje i tłumi dźwięki.
• Zaleca się stosowanie niskich obrotów wirnika wentylatora z większą średnicą jego łopatek.
• Należy użyć, jeśli to możliwe, plastikowych (polimerowych) przewodów do prowadzenia przewodów elektrycznych, zasilających silnik elektryczny wentylatora.
• Należy za wszelka cenę unikać kontaktu metal-metal.

Wnioski
Jak widać z powyższej analizy, nawet dobra znajomość akustyki, wyników badań głośności i projektowania nie jest w stanie zapewnić głośności poniżej progu komfortu, czyli 33 dB(A) zdecydowanej większości urządzeń chłodniczych. Źródłem największej głośności w urządzeniu chłodniczym jest sprężarka, wentylator parownika i wentylator skraplacza. Obecna technika obniżania głośności nie pozwala na zdecydowane jej obniżenie. Musimy się pogodzić z faktem, że głośność dobrze zaprojektowanych urządzeń chłodniczych handlowych będzie w najlepszym przypadku rzędu 50 dB(A), a domowych – rzędu 30 dB(A), co moim zdaniem nie jest tak uciążliwe. Musimy pamiętać, że głośność pomieszczeń biurowych jest rzędu 60 dB(A), więc 50 dB(A) dla urządzeń chłodniczych handlowych nie jest wielkością przerażającą. Jedną z metod zdecydowanego obniżenia głośności urządzeń chłodniczych byłoby zastosowanie tzw. aktywnego wyciszania (active silencing), które polega na tym, że wytwarzamy pole akustyczne równe amplitudzie i częstotliwości niepożądanej głośności. Fale aktywnego wyciszania są przeciwne w fazie falom niepożądanej głośności, likwidując je. Zaletą kontroli głośności z użyciem aktywnego wyciszania jest fakt, że urządzenia te mają małe gabaryty i są lekkie, co pozwala umieścić je w każdym miejscu. Natomiast wadą tej metody jest stosunkowo wysoka cena tych urządzeń. W związku z powyższym z zastosowaniem tej metody musimy nieco poczekać.

Rys. 12. Przykład izolacji przeciwwibracyjnej wentylatora osiowego firmy E-A-R Specialty Composites, USA

LITERATURA
[1] ASHRAE Handbook – Application, Atlanta, 1999.
[2] ASHRAE Handbook – Fundamentals, Atlanta, 2001.
[3] DAVIS and DAVIS: Sound System Engineering, Second Edition. Howard W. Sams & Co.. 1989.
[4] HAMILTON: Measurement and control of compressor noise. Purdue University. 1988.
[5] KINSLER, FREY, COPPENS, SANDERS: Fundamentals of Acoustics. Third Edition. John Wiley & Sons. 1982.
[6] SAITO, MAEDA, OKUBO, NETSEJ: Noise reduction of hermetic compressors by improvement on its shape. Proceeding of Perdue Compressor Conference. 1980.
[7] WESOŁOWSKI: Postęp i rozwój sprężarek o małej i średniej wydajności, cz.1, „Chłodnictwo i Klimatyzacja”, 4/2011.
[8] Materiały firmy E-A-R Specialty Composites, USA.
[9] Materiały firmy Flexicraft Industries, USA.
[10] Materiały firmy SVANTEK.