راهکارهای کنترل صدای دیزل ژنراتور
کنترل نویز ناخواسته ناشی از سیستمهای قدرت، در محل با رشد تأسیسات برقی آماده به کار در شرایط تقاضای محدود و اوج تقاضا در مناطق پر جمعیت، توجه مهندسین طراح را به درک نحوه انتشار و کنترل نویز مجموعه ژنراتور متمرکز کرده است. هزینه زیاد مقاومسازی محیط کار در مقابل کاهش نویز، این نکته را برای ارزیابی زود هنگام نیازهای عملکرد نویز در مرحله طراحی سیستم قدرت در محل ضروری میسازد.
طراحان دستگاههای دیزل ژنراتور و مصرفکنندگان نهایی، با استفاده از اصول ذکر شده در این مقاله قادر خواهند بود که نویز ناخواسته ناشی از سیستم قدرت در محل خود را به راحتی کنترل کنند.
همانند بسیاری از ماشینهای دوار، ژنراتورهای با موتور رفت و برگشتی نیز نویز و ارتعاش ایجاد میکنند. در اغلب شرایط، چه در حالت استفاده مستمر و چه به صورت آماده باش، باید سطح نویز مربوط به این ژنراتورها برای انطباق با استانداردهای ملی، ایالتی یا منطقهای کاهش یابد. در آمریکای شمالی، حداکثر سطح نویز مجاز بسته به محل و ناحیه در محدوده 45 تا 72 دسیبل تغییر میکند.
اخیرا برخی جوامع و دولتها با استفاده از فرکانسهای باند اوکتاو محدودیت نویزی برای کاهش سطح نویز فرکانس پایینی که به اجتماعات مجاور میرسد، تعیین نمودهاند. از آنجا که سطح نویز کنترل نشده ژنراتور میتواند به 100 دسیبل یا بیشتر برسد ، هر دو مسأله مکان قرارگیری ژنراتور و کاهش نویز آن از اهمیت ویژهای برخوردارند.
دو دسته قوانین در مورد سطح نویزی که افراد یا جوامع در معرض آن قرار میگیرند:
1- قوانین نویز وضع شده از طرف دولت یا شهرداری و دیگر ارگانها، آییننامه ایمنی فدرال سیاستهای ایمنی و بهداشت حرفهای (OSHA). قانون اول به نویزهایی که ممکن است از حد مجاز فراتر روند و به جامعه آسیب برسانند ، اما به ندرت آنقدرها بلند هستند که از نظر ایمنی به عنوان خطر تلقی شوند ، رسیدگی میکند.
2- قانون دوم برای حفظ سلامتی کارکنان، استانداردی برای سطح نویز مجاز در محیط کار معرفی میکند. آییننامههای OSHA فقط در مورد کارکنانی مطرح میشود که با ژنراتورهایی سروکار دارند که سطح نویز آنها در هر لحظه بالای 80 دسیبل است. کارکنان با استفاده از تجهیزات شنیداری مناسب در هنگام کار در مقابل مجموعه ژنراتوری میتوانند میزان قرارگیری در مقابل نویز را کاهش دهند. اروپا ، ژاپن و نیز تعدادی از سایر کشورها نیز استانداردی برای کنترل نویز در محیط کار و محیط های وسیع دارند.
تعریف نویز
صوت چیزی است که گوش انسان میشنود ؛ نویز به زبان ساده یک صوت ناخواسته است. صدا با لرزش اجسام تولید میشود و به صورت امواج فشاری در هوا یا سایر محیط ها به گوش شنونده میرسد. از نظر فنی، صوت تغییر در فشار محیط مجاور گوش است. اگر میزان صدا آزاردهنده یا مخل آسایش باشد در واقع ، فشار هوای نزدیک گوش به میزان بسیار بالایی رسیده است.
گوش انسان چنان طیف دینامیکی گستردهای دارد که برای بیان سطوح صدا از مقیاس دسیبل (dB) استفاده میشود. مقیاس دسیبل لگاریتمی است زیرا نسبت بین زیرترین صدایی که برای گوش انسان قابل شنیدن است و بلندترین صدایی که بدون آسیب رسیدن به گوش قابل درک است ؛ تقریبا یک میلیون به یک است. با استفاده از مقیاس لگاریتمی در مبنای 10، کل بازه شنوایی انسان با عددی بین 0 ( آستانه شنوایی نرمال ) تا 140 ( آستانه درد ) دسیبل قرار میگیرد.
دو مقیاس دسیبل A و L وجود دارد :
واحد dB-L یک مقیاس خطی است که در آن دامنه کلیه فرکانسهای قابل شنیدن برابر است. با این حال، گوش انسان همه فرکانسهای صوتی را با یک شدت نمیشنود. گوش به فرکانس هایی در بازه 1000 تا 4000 هرتز (سیکل در ثانیه) حساس است و به صداهایی با فرکانسهای پایین تر یا بالاتر حساس نیست.
بنابراین، «فیلتر وزنی A» که تقریبی از شدت صدا است برای تصحیح فشار صوت و به منظور بازتاب دقیق تر درک گوش انسان استفاده میشود. این نتایج فرکانسی- وزنی در مقیاس dB-A در سال 1972 توسط OSHA به عنوان توصیف سطح صوت تنظیم شده رسمی به تصویب رسید.
نویز یک دستگاه دیزل ژنراتور توسط 6 عامل اصلی تولید میشود :
1- نویز ناشی از کارکرد دیزل (دیزل ژنراتور بدون صدا) – که اساساً در اثر نیروهای مکانیکی و احتراقی تولید میشود. بسته به اندازه موتور، معمولا در محدوده dB(A) 100 تا dB(A) 121 در هر متر قرار میگیرد.
2- نویز فن واحد خنک سازی – که از صدای هوایی که با سرعت بین موتور و از طریق رادیاتور در حرکت است، تولید میشود. معمولا در محدوده dB(A) 100 تا dB(A) 105 در هر متر قرار میگیرد.
3- نویز آلترناتور- که توسط فن واحد خنکسازی و اصطکاک جاروبکها تولید میشود و در محدوده dB(A) 80 تا dB(A) 90 در هر متر قرار میگیرد.
4- نویز القایی- در اثر نوسانات جریان در سیم پیچ آلترناتور و در نتیجه نویز مکانیکی ایجاد میشود و در محدوده dB(A) 80 تا dB(A) 90 در هر متر قرار میگیرد.
5- اگزوز موتور- بدون صدا خفه کن، در محدوده dB(A) 120 تا dB(A) 130 در هر متر قرار میگیرد و در صورت استفاده از یک صدا خفه کن یا منبع اگزوز استاندارد حدود dB(A) 15 کاهش مییابد.
6- نویز مکانیکی یا سازهای – در اثر ارتعاشات مکانیکی بخشهای سازهای و قطعات که به صورت صوت منعکس میشود، ایجاد میشود.
اندازه گیری نویز :
قبل از تعیین سطح نویزی که باید کاهش یابد، باید اندازه دقیق نویز موجود در محیط و نویز تولیدی ژنراتور اندازهگیری شود. سطح دقیق و معنیدار نویز ژنراتور در یک «محیط آزاد» اندازهگیری میشود. میدان آزاد ( که با «میدان پر انعکاس» متمایز است ) یک میدان صوتی است که اثرات ناشی از صوت انعکاسی از عوارض و موانع در آن ناچیز است. اندازه گیری نویز حداقل باید با یک صوتسنج و فیلتری با باند یک اوکتاو انجام شود تا امکان تحلیل دقیقتر توسط مشاوران آکوستیک فراهم شود.
هنگام اندازه گیری شدت صدا از فاصله 7 متری ، میکروفنهایی به صورت حلقوی با زاویه 45 درجه پیرامون ژنراتور قرار میگیرند. فاصله آرایه میکروفنی از کمربند موازی محاطی ژنراتور که معمولا به صورت فاصله از بدنه یا پایه ترمز بر حسب فوت تعریف میشود، 7 متر است.
هنگام اندازه گیری سطوح شدت صوت در کاربردهای اروپایی، همانطورکه در استاندارد ISO 3744 سازمان استاندارد بینالمللی تعریف شده است، معمولا از یک آرایه میکروفنی متوازیالسطوح استفاده میشود.
دادههای شدت صوت ژنراتور شرکت تولید برق کامینز در CD نرم افزار طراحی شرکت به نام Power Suite و نیز در کتابخانه Power Suite روی وب سایت شرکت کامینز موجود است.
اندازهگیریهای اولیه نویز معمولا در باندهای 8 اکتاوی از 63 هرتز تا 8000 هرتز انجام میشود. اگرچه بالاترین شدت صدای تولیدی معمولا در رنج 1000 تا 4000 هرتز (محدوده ای که گوش انسان بالاترین حساسیت را دارد) است. هرچند، اندازه گیریها روی یک طیف فرکانسی انجام میشود، جمع لگاریتمی کلیه فرکانسها مهمترین قرائت است.
با این وجود ، اگر سطح کلی صوت از سطح مجاز بالاتر رود ، برای تعیین تغییرات لازم در طراحی برای کاهش سطح کلی و کنترل نویز از دادههای باند فرکانسی استفاده میشود.
تجمیع کلیه منابع نویز :
سطح نویز کلی ژنراتور از حاصل جمع تک تک منابع تولید نویز، صرف نظر از فرکانس هر یک به دست میآید. با این حال ، با توجه به لگاریتمی بودن مقیاس dB-A ، نمیتوان مقادیر لگاریتمی dB-A را به شیوه حسابی جمع و تفریق نمود. به عنوان مثال ، اگر نویز حاصل از منبع اول dB(A) 90 و نویز حاصل از منبع دوم نیز dB(A) 90 باشد ، کل نویز تولیدی dB(A) 93 است نه dB(A) 180. افزایش dB(A) 3 نشاندهنده دو برابر شدن قدرت صداست ؛ با این حال چنین شدت صوتی به زحمت برای گوش انسان قابل درک است.
شکل 3 نحوه جمع اعداد در مقیاس دسیبل را بر اساس اختلاف عددی میان دو سطح نویز نشان میدهد. مشابه مثال فوق، اگر هیچ اختلافی بین منبع نویز 1 و 2 نباشد، جمع اندازه آنها dB-A به اندازه dB(A) 3 افزایش مییابد از 90 به dB(A) 93. اگر نویز منبع اول dB(A) 100 و نویز منبع دوم dB(A) 95 باشد ، نویز حاصل از ترکیب این دو dB(A) 101 خواهد بود.
قوانین و مقررات نویزی :
در آمریکای شمالی، کدهای محلی و ایالتی، حداکثر نویز مجاز در یک خط خاص را ایجاد میکند. شکل 4 برخی از مقررات مربوط به سطوح نویز خارجی را نشان میدهد. انطباق با این قوانین نیازمند آگاهی از سطح نویز محیطی موجود بدون وجود ژنراتور در حال کار و سطح نویز ناشی از عملکرد ژنراتور با بار کامل است.
در اروپا ، قوانین سطح نویز از قانون EC/14/2000 (مرحله 2) که از سال 2006 تصویب شده است، تبعیت میکنند. برای دیزلژنراتورهایی با توان نامی کمتر از 400 کیلو وات، حداکثر سطح شدت صوت مجاز با استفاده از فرمول زیر محاسبه میشود:
DbA = Log Pel + 95
که در آن، Pel معرف توان نامی ژنراتور است.
ژنراتورهای با توان نامی 400 کیلو وات و بالاتر باید بر اساس شاخص LWA ( مقیاس اروپایی سطح شدت صوت ) که با استفاده از نتایج آزمون سازنده انجام می شود ، محاسبه شود. در بازار اروپا ، اکثر ژنراتورها با توان ظاهری نامی در محدوده 11 تا 550 کیلو ولت آمپر در محفظه های استاندارد قرار میگیرند که واحدها را با قوانین سازگار میکند. محفظههای استاندارد معمولا نویز تابشی را حداقل به میزان dB(A) 10 کاهش میدهد.
استراتژی های کنترل نویز دستگاه دیزل ژنراتور :
صرف نظر از نوع دیزلژنراتوری که قرار است شدت صدای آن کاهش یابد، هفت روش اصلی برای کاهش سطح نویز ژنراتور وجود دارد :
1- کاهش سطح صوت از منبع.
2- موانع صوتی.
3- عایقهای صوتی.
4- ایزولاسیون دهانهها.
5- تضعیف جریان هوای خنک کننده.
6- صدا خفه کن یا منبع اگزوز.
7- تلاش برای به حداکثر رساندن فاصله میان ژنراتور و ساختمانها (افراد).
در صورت قرارگیری ژنراتور در فضای باز خارجی ، استفاده از محفظه به ویژه محفظههای صداگیر کلیه استراتژی های فوق را در یک پوشش مناسب فراهم میکند. این کار علاوهبر حفاظت در برابر تغییرات آب و هوا تضعیف صوت را نیز به همراه دارد. این استراتژیها در شکل 5 خلاصه شده است.
شرایط اتاق دستگاه دیزل ژنراتور :
1- موانع صوتی- مواد سخت با سفتی و جرم زیاد مثل ورقهای فولادی پوششها و دیوارههای سنگی یا سیمانی یا دیوارههای سیمانی توپر اتاق تأسیسات ژنراتورهای داخلی که میزان انتقال صدا را کاهش میدهد. از بین بردن مسیر انتقال صوت از طریق شکافهای موجود در درها و دیوارهها یا نقاط دسترسی به اگزوز، سیمکشی الکتریکی و لولههای سوختی نیز مهم است.
2- عایق صوتی- مواد جاذب صدا برای پوشاندن مجرای هوا، سیلکاری و پوشش دیوارهها در دسترس هستند. هدایت نویز در یک دیواره پوشانده شده با مواد جاذب صوت میتواند بسیار مؤثر باشد. بر اساس پارامترهایی مثل هزینه، دسترسی، چگالی، اشتعالناپذیری، مقاومت به سایش، زیباییشناسی و قابلیت شستشو از مواد مقاوم به روغن و سایر آلودگیهای موتور مثل فایبرگلاس یا فوم استفاده شود.
3- ایزولاسیون دهانهها – تجهیزات لرزان در هوای محیط خود امواج فشاری صوتی (نویز) تولید میکنند. هر چیزی که به صورت فیزیکی به ژنراتور متصل شود، باعث انتقال ارتعاشات به سازه بدنه خواهد شد. این نقاط اتصال شامل لنگرهای ترمز، مجراهای هوایی تخلیه رادیاتور، لولهکشی اگزوز، لولهکشی سیال خنککننده، خطوط لوله سوخت و مجراهای سیمکشی است.
جفت کردن این اتصالات با مفاصل انعطافپذیر نویز انتقالی را به شکل مؤثری کاهش میدهد. نصب ژنراتور روی ایزولاتورهای لرزش فنری شکل، نویز و ارتعاشات انتقالی از طریق زمین را به طور مؤثر کاهش میدهد.
4- تضعیف جریان هوای خنککننده بافلهای تضعیف هوای ورودی و خروجی میتواند به کاهش نویز تولیدی توسط هوای خنک کنندهای که در فضای موتور و رادیاتور جریان دارد، کمک کند. نویز ناشی از جریان هوای خنککننده به خاطر حجم هوای مورد نیاز قابل ملاحظه است حدود 20 متر مکعب بر ثانیه برای ژنراتوری با موتور دیزلی 50 لیتری.
گزینه دیگر، قرارگیری رادیاتور روی سقف است. به عنوان مثال، برای حذف این منبع نویز یا هدایت آن به محلی دور از محل حضور افراد یا مناطق مسکونی. همچنین، عبور هوا از مجرایی با خم 90 درجه، نویزهای فرکانس بالا را کاهش میدهد (ر.ک. شکل 6).
شکل 6 : کاهش نویز فرکانس بالا با گردش چندباره 90 درجهای هوای خنککننده ژنراتور در هنگام ورود به محفظه یا اتاق و خروج از آن.
5- به حداکثر رساندن فاصله هنگامیکه هیچ دیواری برای بزرگنمایی نویز تولیدی ژنراتور وجود نداشتهباشد، سطح نویز با دو برابر شدن فاصله حدود dB(A) 6 کاهش مییابد (ر.ک. شکل 7).
اگر منطقه مسکونی به عرصه ژنراتور نزدیک باشد، سطح نویز قابل پیشبینی نخواهد بود. منطقه میدان نزدیک هر منطقه ایست که در محدوده دو برابر بزرگترین بعد منبع تولید نویز (ژنراتور) قرار میگیرد.
6- صدا خفهکن اگزوز اغلب ژنراتورها برای محدودکردن نویز ماشین به یک صداخفهکن اگزوز ( منبع اگزوز ) مجهزند. صدا خفهکنهای اگزوز انواع آرایشهای فیزیکی و جنسهای گوناگونی دارند. به طورکلی ، صدا خفهکنها به دو دسته صدا خفهکنهای اتاقکی یا حلزونی تقسیم میشوند. عملکرد نوع اتاقکی مؤثرتر است؛ اما نوع حلزونی فشردهتر است و میزان تضعیف کافی را برای بسیاری از کاربردها فراهم میکند.
جنس صدا خفهکنها میتواند از فولاد نورد سرد یا فولاد ضدزنگ باشد. فولاد ضد زنگ ماده ترجیحی برای استفاده در محیط های خارجی و با شدت خورندگی بالاست. صدا خفهکنها در سطوح تضعیف نویز مختلف در دسترس هستند و معمولا با نامهای صنعتی ، مسکونی و بحرانی شناخته میشوند.
صدا خفهکنهای صنعتی شدت نویز 12 تا dB(A) 18 ، صدا خفهکنهای مسکونی شدت نویز 18 تا dB(A) 25 و صدا خفهکنهای بحرانی شدت نویز 25 تا dB(A) 35 را کاهش میدهند. به طورکلی، هرچه تأثیر یک صدا خفهکن در کاهش نویز اگزوز بیشتر باشد، میزان محدودیت اگزوز موتور بیشتر است.
در سیستمهای اگزوز طولانی، خود لولهکشی نیز تا حدی سطح نویز را کاهش خواهد داد.
محفظه های کاهنده صدا :
کلیه انواع محفظههای فولادی و آلومینیومی حداقل dB(A) 10 از شدت نویز ژنراتوری که باید در فضای خارجی قرار بگیرد میکاهند. در اکثر موارد، هنگام استفاده همزمان با صدا خفهکن اگزوز، این میزان تضعیف برای تحقق استانداردهای محلی آمریکای شمالی و اروپا کافیست. محفظههای استاندارد از اکثر سازندگان دیزل ژنراتور و تأمینکنندگان واسطه ای مختلف موجود است.
هنگامیکه برای تحقق مقررات نویز محلی یا کاهش اثر آن بر پرسنل یا ساکنین به تضعیف نویز ژنراتور نیاز است، باید از محفظههای تضعیفکننده صدای خاصی استفاده شود. به طورکلی، هزینه محفظه با سطح کاهش نویز لازم ارتباط مستقیم دارد.
در موارد بحرانی، به خاطر هزینه بالای محفظههای کاهنده شدت صوت که تقریبا با قیمت خود دیزل ژنراتور برابری میکند، استفاده از این محفظهها رایج نیست. برخی محفظهها نیز به خاطر محدود نمودن تهویه بر عملکرد ژنراتور و ظرفیت حمل بار آن اثر منفی دارند.
به منظور تحقق اهداف کنترل نویز ضمن حفظ عملکرد ژنراتور ، طراحی دقیق از همان ابتدای امر مهم است.
برای مهار نویز دیزل ژنراتور از محفظه های خاص کاهش نویز به همراه استراتژیهای کنترل نویز جذبی و انسدادی استفاده میشود. هر دو نوع محفظههای فولادی و آلومینیومی کاهش صوت موجود است. کاهش نویز در محفظههای فولادی ( بهخاطر جرم و سختی بیشتر آن ) حدود 2 تا 3 دسیبل بیشتر است. از محفظههای آلومینیومی معمولا در نواحی ساحلی که مقاومت نسبت به خوردگی در هوای نمکی مهم است، استفاده میشود.
جمع بندی :
با توجه به اینکه حداکثر سطح نویز مجاز در نوار مسکونی بسته به محل و منطقه از dB(A) 52 تا dB(A) 72 تغییر میکند و سطوح نویز ناخواسته یک دستگاه دیزل ژنراتور حدود dB(A) 100 یا بیشتر است ؛ واضح است که کنترل نویز ژنراتور از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. علاوه بر این، هزینه بالای بازسازی سایت برای کنترل نویز از ضرورت ارزیابی نیازهای عملکرد نویز در همان ابتدای مرحله طراحی سیستم قدرت آن سایت حکایت دارد.
همکاری نزدیک با قانونگذاران محلی ، سازندگان دستگاههای دیزل ژنراتور ، مهندس مشاور یا متخصص صوت امکان تحقق اهداف مربوط به کنترل نویز را برای شما فراهم میآورد.