ISITMA TESİSATLARINDA GÜRÜLTÜ VE TİTREŞİM Ahmet ARISOY ÖZET Sunulacak çalışmada öncelikle temel ses ve titreşim bilgisine ve bu konudaki literatüre yer verilecektir. Daha sonra da daha az incelenmiş olan ve daha az bilinen, ısıtma sistemleri ile ilgili gürültü ve titreşim problemleri ve bunların kontrol yöntemleri üzerinde durulacaktır. Bu çerçevede brülör-kazan-baca sistemi ele alınacak, bu sistemde gürültü kaynakları ve sönüm yöntemleri incelenecektir. Ayrıca kazan dairesi yapısının sese olan etkileri anlatılacak ve kazan dairesinden komşu hacimlere geçen sesin kontrolu tartışılacaktır. Pratikte karşılaşılan problemlerden ve ölçme sonuçlarından örnekler verilecektir. GİRİŞ Isıtma, havalandırma, klima ve sıhhi tesisat gibi bütün tesisat işlerinde ses ve titreşim önemli bir dizayn parametresidir. Buna karşılık her tesisat konusunun ses ve titreşim problemi, kendine özgü kaynakları ve karakteristikleri nedeniyle, birbirinden farklıdır. Bir gruplama yapılmak istenirse; ısıtmadaki, havalandırma ve klimadaki ve sıhhi tesisattaki gürültü ve titreşim problemi olarak, üç grup tariflenebilir. Isıtmada ana ses ve titreşim kaynağı kazandır. Daha doğrusu, brülör-kazan-bacadan oluşan sistemdir. Burada geçerli gürültü ve titreşim kontrolu yöntemleri tamamen kendine özgüdür. Ayrıca bu sistemdeki olayların teorik çözümleri çok zor olduğundan, alınabilecek önlemlerin çoğu ampirik yaklaşımlara dayanmaktadır. Daha az bilinmektedir ve daha az sistematik hale getirilebilmişlerdir. Havalandırma ve klima sistemlerindeki ses kaynakları ve tipik problemleri daha çok sayıdadır. Tipik problemler, a) bina dışı ses kaynakları (su soğutma kuleleri, hava soğutmalı chillerler, split klima dış üniteleri gibi ) b) bina içi kanal sistemi ile taşınan klima veya havalandırma santrali gürültüsü c) oda içi gürültü kaynakları (fan-coil gibi) d) kanallardan veya duvarlardan komşu hacimlere ses geçişi sayılabilir. Tipik titreşim problemleri ise, daha çok pompa ve fanlardan kaynaklanır. Klima ve havalandırmadaki gürültü ve titreşim problemleri daha iyi tanımlanmıştır ve yöntemleri daha belirlidir. Daha fazla bilgi vardır. Sıhhi tesisatta ise gürültü kaynağı, daha çok akış kökenlidir. Akışta yaratılan rahatsızlıklar yüksek hızlarda sese neden olur. Dolayısı ile sıhhi tesisat gürültü kontrolü göreceli olarak daha kolay ve diğerlerinden daha farklıdır. 1 Bir bildiride bu problemlerin tamamını detaylı olarak incelemek mümkün değildir. Sunulacak çalışmada öncelikle temel ses ve titreşim bilgisine ve bu konudaki literatüre yer verilecektir. Daha sonra da sadece daha az incelenmiş olan ve bilinen, ısıtma sistemleri ile ilgili gürültü ve titreşim problemleri ve bunların kontrol yöntemleri üzerinde durulacaktır. Ayrıca kazan dairesi yapısının sese olan etkileri anlatılacaktır. Pratikte karşılaşılan problemlerden örnekler verilecektir. TEMEL TANIM VE KAVRAMLAR Ses elastik bir ortamın titreşimidir ve esas olarak bir basınç olayıdır. Havada doğan ses, ortalama atmosferik basınç etrafında hava basıncının değişimi veya titreşimidir. Elastik ortam içerisinde, bu titreşim şeklindeki basınç dalgalanmaları ortamın karakterine bağlı bir hızla yayılırlar. Ses bir basınç olayı olduğu kadar aynı zamanda bir enerji olayıdır. Sesin doğması ve yayılması aynı zamanda bir enerji gerektirir. Frekans : Titreşim veya dalgalanmaların 1 saniyede tamamladığı dalga sayısıdır ve birimi Hertz (Hz) olarak tanımlanır. Dalga boyu : Dalga boyu iki dalga arasındaki uzaklıktır. Dalga boyu, ses hızı ve frekans arasında = c/f şeklinde bir bağlantı vardır. Burada dalga boyu (m), c ses hızı (m/s) ve f frekans (Hz) olarak tanımlanmıştır. Sesin yoğunluğu : sesin yoğunluğu veya şiddeti ses dalgalarının birim alandaki enerjisi olarak tarif edilir. Ses şiddeti kaynaktan itibaren mesafenin karesi ile orantılı olarak azalır ve basınca duyarlı cihazlarla ölçülebilir. Saf tonlar, rastgele ses ve kompleks ses : Tek bir frekansta verilen sese saf ton denir. Belirli bir tonu olmayan su sesi gibi seslere rastgele ses denir. Kompleks ses ise saf tonlar ve rastgele seslerin birarada bulundugu seslere denir ki tabiattaki seslerin hemen hepsi bu karakterdedir. Gürültü : İstenmeyen sese gürültü denir. Oktav bandları : Ses kontrolu çalışmalarında herhangi bir kompleks ses, birleşenlerine ayrılarak incelenir. Bu konuda en geçerli yol duyulabilir ses frekanslarını oktav bandlarına bölmektir. İnsan kulağı 16-20000 Hz arası frekanstaki sesleri duyabilir. Bir sesin bir oktav üstü ise o sesin frekansının iki katı frekansta olan sestir. Buna göre duyulabilir ses aralığı geleneksel olarak 8 oktav bandına bölünmüştür.Her bir oktav bandı o bandın ortasındaki ses frekansı ile sembolize edilir. Tablo 1'de oktav bandları, frekans aralıkları ve orta frekansları belirtilmiştir. Tesisat mühendisliği gereksinimleri dışında örneğin ürün geliştirmede, daha hassas inceleme yapılmak istendiğinde 1/3 oktav bandları kullanılabilir. Tablo 1.Frekans bandları Frekans Aralığı Orta Frekans Oktav Bandı (Hz) (Hz) 1 45/90 63 2 2 90/180 125 3 180/355 250 4 355/710 500 5 710/1400 1000 6 1400/2800 2000 7 2800/5600 4000 8 5600/11200 8000 Desibel : Sayısal olarak, akustik güç veya enerji gibi iki benzer miktarın oranlarının 10 tabanına göre logaritmasının 10 katına desibel denir. Ses gücü, ses şiddeti veya ses basıncı ile ilişkili olarak düzey (veya seviye) terimi kullanıldığında birimin desibel olduğu anlaşılmalıdır. Ses güç düzeyi L : Bu düzey esas olarak ses kaynağından yayılan toplam akustik gücü ifade eder. w Desibel dB cinsinden ses güç düzeyinin matematik ifadesi L = 10 log W / Wo dB şeklindedir. w Wo referans güç düzeyi olup Wo = 10 -12 watt değerindedir. Ses güç düzeyi doğrudan ölçülemez.Ancak standart odalarda yapılan ölçümlerde hesapla bulunur. Tamamen kaynağa bağlı bir değerdir, alınan yolla değişmez. Ses basınç düzeyi Lp : Bu düzey, söz konusu bir yerdeki ses basıncını belirler ve desibelmetrelerle kolayca ölçülebilir. Herhangi bir yerdeki müsaade edilebilecek ses düzeyleri de ses basınç düzeyleri cinsinden ifade edilir. Desibel d cinsinden ses basınç düzeyinin matematik ifadesi Lp = 10 log P2 / P 2 = 20 log P / P d şeklindedir. 0 o P referans basıncı 20 paskal ( Pa ) değerindedir. Yukarıdaki her iki log ifadesi de 10 tabanına göre o logaritmadır. İki ses kaynağını karşılaştırmak için sadece ses basınç düzeylerini karşılaştırmak yetmez. Çünkü bu değer aynı zamanda mesafeye bağlıdır. Böyle bir mukayese için ses güç düzeyleri karşılaştırılmalıdır. Ses düzeyleri dB cinsinden ifade edildiklerinden, iki ses düzeyi toplanması aritmetik toplama işlemi ile yapılamaz. Gerekli matematik işlemler uzun olduğu için iki sesin toplanması Şekil 1 yardımı ile yapılabilir. 3 Şekil 1. İki ses düzeyinin toplanması Örneğin 70 ve 65 dB şiddetindeki iki ses düzeyi toplanırsa toplam ses düzeyi 71 olarak bulunur. 70 ile 65 arasındaki fark 5 dB olup şekilden üst seviyeye eklenmesi gerekli sayı, 1,2 olarak okunur. 70 + 1,2 = 71 d olarak sonuç bulunur. Aynı şekilde 70 + 65 + 66 d şiddetindeki üç ses düzeyi toplanırsa toplam düzey 72 d olarak bulunur. (70+ 65= 71 d, buna 66 d ilave edilirse, 71+ 66 = 72 d şeklinde hesap yapılır.) Oktav bandlarında verilmiş bir gürültünün LIN şeklinde ifade edilen toplam düzeyi, bütün bandlardaki ses basınç düzeylerinin (yukarıda anlatılan biçimde) toplanması ile elde edilir. Örnek toplama Tablo 2'de verilmiştir. Tablo 2. Ses basıncının lineer toplam düzeyinin bulunması Oktav bandı (Hz) 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 LIN Ses basınç düzeyi (d) 69 74 73 70 68 63 58 46 79 LIN= 78,5 79 d 4 SES KRİTERLERİ İnsan kulağına aynı etkiyi yapan sesler, frekansa karşılık ses düzeyi eksen takımında işaretlenirse Şekil 2'deki eğriler elde edilir. İnsan kulağı bütün frekanslarda aynı şekilde duyarlı olmadığı için farklı frekanslarda farklı ses düzeyleri aynı etkiyi bırakmaktadır. İnsan kulağı yüksek frekanslara daha duyarlıdır. 20 d düzeyinde frekansı 1000 Hz olan ses ile çok daha yüksek, 50 d fakat 100 Hz frekansındaki ses aynı etkiyi bırakmaktadır. Buna karşılık ses basıncı düzeyi arttıkça kulak duyarlığı frekansa göre düzleşmektedir. 100 d düzeyinde artık 100 Hz frekans ile 1000 Hz frekans aynı etkiyi yapmaktadır. Şekil 2. Kulak duyarlığı Dolayısı ile ses seviyesi kriterlerini tek bir frekansta vermek doğru değildir. Yani farklı hacimlerde aşılmaması istenen ses seviyesini tek bir değerle belirlemek uygun değildir. Aşılmaması gereken kulakta aynı etkiyi yaratan eğridir. O halde ses kriteri için frekansa bağlı olarak aşılmaması gereken ses şiddeti değerlerini veren bir eğri kullanılmalıdır. Tanımlanan bir eğriye bir numara vererek, kriteri tek bir sayı ile ifade etmek mümkündür. Ses seviyesi kriteri olarak en çok kullanılan NC eğrileridir. Bu eğrilerin belirlenmesinde yukarıda belirlenen eşit ses yüksekliği değişimi esas alınmıştır. Şekil 3'de NC eğrileri verilmiştir. Buna göre genel bir büro hacminde NC 40 seviyesi sağlanması yeterlidir denildiğinde, bütün duyulur frekans aralığında ses seviyesinin aşmaması gereken değerleri oktav bandı esasına göre belirlenmiş olur. Neyin kabul edilebilir ses seviyesi olduğunu bilmeleri halinde mühendisler cihazların ses gücü seviyeleri değerlerini kullanarak yaşanan hacimdeki ses basıncı seviyelerini istenen düzeyde tutmayı başarabilirler. 5 Ses seviyesi kriterinin oktav bandı esasına göre belirlenmesi durumunda hem ölçüm daha zordur, hemde ilgili hesaplar daha uzundur. Bu nedenle daha basit ve sınırlı işlerde toplam ses basınç düzeyi kullanılır. Kullanılan toplama yöntemi genellikle yukarıda anlatıldığı gibi ( LIN) lineer değil, ağırlıklı toplama olup, kullanılan ağırlık faktörlerine göre değişik isimler alır. Havalandırma işlerinde daha çok A-ağırlıklı toplama kullanılır. A- ağırlıklı toplama veya değerlendirme insan kulağının yapısına ve algılamasına daha uygundur. İnsan kulağı da gelen sesi lineer toplam olarak algılamaz. Bazı frekanslardaki sesleri filtreleyerek algılar. A- ağırlıklı değerlendirmede düşük frekanstaki sesler daha fazla filtre edilir. A-ağırlık ses düzeyi biriminin gösterimi d(A) şeklindedir. Tablo 3'de A-ağırlıklı değerlendirmede her frekans bandında çıkarılacak veya ilave edilecek ses basınç düzeyi değerleri verilmiştir. Buna göre her frekans bandında ölçülen ses basınç düzeyi değerinden bu tablodaki değerler çıkarılarak bu frekans bandındaki filtre edilmiş (A-ağırlıklı olarak değerlendirilmiş) ses basınç düzeyi değerleri d (A) bulunur. Tablo 3. A-ağırlıklı ses basınç düzeyinin bulunması için her frekans bandında çıkartılması veya ilave edilmesi gerekli ses düzeyi 6 Frekans bandı d (A) değeri için çıkartılması Hz veya eklenmesi gereken düzey 63 -26,2 125 -16,1 250 -8,6 500 -3,2 1000 0 2000 +1,2 4000 +1,0 8000 -1,1 Bu değerlerin toplanması ile de A-ağırlıklı toplam ses basınç düzeyi değeri bulunur. Basit ses basınç düzeyi ölçen aletlerde sadece bu değer ölçülür. Dolayısı ile bir hacimde ses seviyesi 40 d (A) değerini aşmasın demek, bu hacimdeki sesin frekans bandlarına göre A-ağırlıklı toplamının 40 dA değerini aşmaması anlamına gelir. Tablo 4'de toplam d(A) değerinin bulunması bir örnek üzerinde anlatılmaktadır. Ancak unutmamak gerekir ki d(A) cinsinden toplam değer, sesin karakteri hakkında fikir vermez sadece aynı karakterde iki sesin düzeyini karşılaştırmaya yarar. Tablo 4. Oktav bandındaki ses basınç düzeylerinden, A-ağırlıklı toplam ses basınç düzeyinin bulunması Frekans bandı… Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Lineer ses basınç düzeyi d 71 74 67 65 60 61 62 59 Çıkartılacak düzey……. d -26 -16 -9 -3 0 1 1 -1 A-ağırlıklı değer…. d (A) 45 58 58 62 60 62 63 58 KAZAN DAİRELERİ Bir kazan dairesinde algılanan ses doğrudan kaynaktan gelen ses ve duvarlardan yansıyarak gelen ses olarak iki kısma ayrılabilir. Her iki yolla dinleyiciye ulaşan sesin basınç düzeyine etkiyen pek çok parametre vardır. Öncelikle etkili olan odanın genel formudur. Odaları kübik, uzun ve yassı olarak üç ana sınıfa ayırmak mümkündür. Her üç sınıftaki geçerli sönüm kanunları ve hesap yöntemi farklı olacaktır. Bu çalışmada kazan daireleri kübik veya kübe benzer şekilde dikdörtgenler prizması olarak ele alınmış ve bu formlar için geçerli olan ifadeler kullanılmıştır.Eğer yankılanan sesin difüz olduğu ve kararlı duruma ulaşıldığı kabul edilirse; bu formdaki odalarda dinleyici konumundaki ses basınç düzeyi, 7 L = L + 10 log (Q /(4r2)+ 4/S ) p w o olarak ifade edilebilir. Burada L = Belirlenen konumdaki ses basınç düzeyi, d p L = Kaynağın ses güç düzeyi, d w Q = Yön faktörü o r= Kaynakla dinleyici arasındaki mesafe (m) S= Oda iç yüzey alanı, (m2) = Odanın ortalama istatistiksel yutma katsayısı olarak tanımlanmışlardır. Kazan ses güç seviyesi kazan üreticileri tarafından frekans bandlarında verilmiş olmalıdır. Yön faktörü, Q kazanın oda içinde yerleşim şeklini gözönüne alan bir terimdir. Bu faktör çeşitli haller o için aşağıdaki değerleri alır: Oda ortasında döşeme üzerindeki kazan için, Q = 2 o Döşeme duvar kesişme bölgesine yerleştirilmiş kazan için, Q = 4 o Köşeye yerleştirilmiş kazan için, Q = 8 o Ortalama olarak oda yutma katsayısı odanın duvar, döşeme ve tavanlarında kullanılan malzemelerin yutma katsayılarından yararlanılarak aşağıdaki ifade ile belirlenir: = S / S ii Burada herbir farklı malzemenin yutma katsayısı, S bu malzemelerin yüzey alanıdır. Çeşitli i i malzemeler için yutma katsayıları literatürde verilmiştir. Özel akustik malzemeler için malzemenin i kendi kataloglarına bakılmalıdır. Buna göre bir kazan dairesindeki ses basıncı düzeyi kazan dairesi büyüklüğüne, kazan dairesi yüzey malzemesi cinsine ve kazanın yerleştirilme biçimine bağlıdır. 8 Şekil 4. Kazan dairelerinde ses sönümü Yukarıdaki şekilde bu parametrelerin etkisi toplu biçimde görülmektedir. Bu şekilde dinleyici konumunda ölçülen ses basınç düzeyi ile kazan ses gücü düzeyi arasındaki fark ( L - L ), r / (Q )1/2 p w o değerine bağlı olarak ve R parametre olmak üzere verilmiştir. Burada R oda sabiti olarak bilinir ve R= S /(1- ) şeklinde tanımlanır. Buna göre özel akustik yalıtım yapılmamış kazan dairelerinde ses yutulması çok azdır. Kullanılan normal inşaat malzemeleri beton, sıva, fayans, tuğla duvar yutma özellikleri açısından birbirine benzer ve bu malzemelerin yutma katsayıları çok düşüktür. Söz konusu malzemeler için literatürden alınan oktav frekans bantlarındaki yutma katsayıları değerleri Tablo 5'de verilmiştir. Tablo 5. Çeşitli yapı elemanlarının ses yutma katsayıları Yapı Oktav Frekans Bandı elemanı 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 kHz 2 kHz 4 kHz Tuğla üzeri sıva 0.013 0.015 0.02 0.03 0.04 0.05 Beton üzeri sıva 0.012 0.09 0.07 0.05 0.05 0.04 9 Fayans 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 Beton 0.01 0.01 0.015 0.02 0.02 0.02 Ahşap kapı 0.28 0.22 0.17 0.09 0.10 0.11 Pencere 0.35 0.25 0.18 0.12 0.08 0.04 Akustik fayans 0.04 0.12 0.8 0.98 0.68 0.35 Görüldüğü gibi bu malzemelerin sesin yutulması yönünde etkileri yok denecek kadar azdır. Birinin yerine diğerinin kullanılması veya kazan dairesinin fayans kaplanması ses yutumuna fazla etkili değildir. Tam tersine oda yüzeylerinin tamamemen böyle yansıtıcı yüzeylerle kaplanması halinde bir çınlama odası elde edilir ki, kazan sesinde hiçbir sönümleme etkisi olmadığı gibi bazı çok reverberant odalar halinde oda içindeki ses basınç düzeyinin, kazan ses güç seviyesinin üzerine çıkması bile mümkündür. Bu gibi durumlarda belirli yüzeylerin özel yutucu malzemelerle kaplanması gerekir. Kazan dairelerinde kullanılacak bu tip özel yutucu malzemelerin klasik yutucu malzemelere göre farklı özellikleri olması gerekir. Örneğin bu malzemelerin yıkanabilir veya kolay temizlenebilir olması önemli bir noktadır. Diğer aranılan önemli özellik ise yangın dayanımıdır. Şekil 4'in incelenmesi ile aşağıdaki sonuçlara varılabilir: 1. Eğer odada yeteri kadar yutucu yüzey varsa, bu pahalı özel yutucu yüzey miktarını daha fazla artırmak sönüm etkisini aynı ölçüde artırmaz. 2. Sönüm etkisi özellikle büyük kazan daireleri için önemlidir. Küçük kazan dairelerinde ve kazan yakınlarında direkt etki dominanttır ve oda yüzeylerinin yutuculuğu önemini göreceli olarak kaybeder. Örnek Kazan Dairesi Ses Sönümleme Hesapları Yukarıda anlatılan genel model çerçevesinde, özel olarak tarif edilen bir kazan dairesi için alternatif duvar, döşeme ve tavan malzemeleri kullanılması halinde odada meydana gelen sönüm düzeyleri (L - p L ) oktav bandlarında hesaplanmıştır. Bu amaçla hazırlanan programa alternatif konstrüksiyonlar w girilerek elde edilen sönüm değerleri belirlenmiştir. Duvarları ve döşemesi fayans, tavanı sıvalı beton olan bir kazan dairesinde (L -L ) farkı d cinsinden p w Tablo 6'daki gibidir. Bu tabloda negatif değerler sönümü, pozitif değerler ise artırımı ifade etmektedir. Tablo 6. dB cinsinden ses basınç ve güç düzeyleri arasındaki fark (L -L ). p w Oktav bandı (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 (L -L ) 2.2 -0.4 0.5 0.4 0.5 0.8 p w Buna göre tamamen fayans kaplı bir kazan dairesinde dinleyici üzerindeki ses basınç düzeyi kazan ses güç düzeyinin üzerine çıkmaktadır.Yani fayans yüzeyler yansımalarla sesi kuvvetlendirmektedir. Bu durumda kazan dairesinde yutucu yüzeyler oluşturmak en uygun çözümdür. 10