空調管路噪音特性及傳播機制 - 空調通風管路聲學機制與消音箱檢測方法 - 震災後建築音響消音箱實驗設備性能驗證之研究

第二章空調通風管路聲學機制與消音箱檢測方法

第一節空調管路噪音特性及傳播機制

第二章空調通風管路聲學機制與消音箱檢測方法

本章首先針對建築物之中央空調管路噪音之聲學背景、噪音源特性做一簡要的介紹與回顧，後續對空調噪音主要防治方法及消音箱之檢測內容，規範及原理等做介紹說明。

第一節空調管路噪音特性及傳播機制

由於台灣地處亞熱帶，氣候潮濕多雨且夏季溫度高，自然環境氣候溼熱，為因應此自然條件，國內各類建築物無論是集合與獨棟之住宅，除利用自然物理通風機制之設計手法外，普遍採用各類空調設備，以機械人工空調方式輔助改善居住之品質，此類空氣調節(air conditioning AC)設備主要將室內空氣之熱氣交換，

控制室內之溫度與濕度，以達成冷房之效果；但由於此類裝置包含眾多機械設備，

如軸流式或離心式送風機，冷卻設備及冷凍機(包含壓縮機、冷凝器、蒸發器、

膨脹筏)等，其亦為建築之主要噪音源，相關特性與防治措施之研究相當重要。

一、風扇噪音聲源之聲學特性

空調管路之系統組成約略可分為風扇、管路及出風口單元，噪音主要可分為機械震動產生噪音及空氣流動噪音2大類，其中機械震動產生噪音包含送風機、

泵浦運轉產生，而空氣流動則主要為管路中空調氣流快速流動而產生，而空調須經由管路系統來輸送冷房氣流以達成冷房及控制室內溫溼度效果，管路系統中各類單元皆可能聲成噪音，整個系統之聲學噪音源，由陳啟中等人研究可表示如圖 2.1所示

圖 2- 1 空調系統單元之噪音源分布圖 (資料來源: 陳啟中)

由圖2.1可知，空調整體系統引起之噪音主要可分為固體振動及空氣傳音兩大部分，其中出風口送風引起空氣音噪音、冷卻水塔運轉噪音等屬此類，而此類噪音之傳播係藉由管路進行傳播，本研究之消音箱設施為其空氣傳音部分之主要防治處理措施。另外機械室因安置機械設備發生之震動，進而引起樓板震動、置於地面之機器因防振不佳引起之結構體振動等噪音源，目前國內105年7月公告新修訂之建築技術規則防音規定中，已就置放機械設備空間之分隔樓板及牆面做相關衝擊音、空氣音隔音規定，可解決此類噪音源問題。

二、管路聲波波傳之聲學特性

由於空調管路皆屬於聲波於管狀物內傳播之物理問題，聲波沿著管狀物之長

軸方向傳播，且管狀四周圍之剛性壁體限制了聲波傳播之行為，其物理機制與傳統之聲波於自由場傳播不同，管路對聲波限制之行為稱之為波導(Wave guide)，

同時管路之形狀亦影響管路聲場，而形成特殊之行為。一般空調管路常見之斷面形狀以矩形及圓形為主，以下介紹此兩種斷面管路聲場。

(一)聲波於方形管之聲場傳播機制

有一聲源於矩型管路中傳播，管路之幾何如圖2-2所示，其聲波傳播方向沿z 方向傳播，管路橫向斷面幾何尺寸分別為

L 及

L

圖 2- 2 矩形管路聲場座標圖

(資料來源:L.E.Kinsler et al. Fundamentals of acoustics) 則由聲波控制方程式可得到聲場之理論解為

p

_lm

 A

_lmcos

k

_xl

x

cos

k

_ym

ye

^j⁽^wt^^k^z^z⁾ (2-1)

其中

k

   w

c 

  k

xl²

 k

ym²

 

¹^/²

k

_xl

 l 

L

l  0 , 1 , 2 ...

k

_ym

 m  / L

m  0 , 1 , 2 ...

若令側向分量之波向量

k 為

_lm

k

  k

xl²

 k

²ym



¹^/² (2-2) 由上面關係式，並由波向量之定義，可得到沿管路傳播方向(z方向)之波向量分

量

k

_z為

k

   w ^/ c 

 k

lm²



¹^/² (2-3)

觀察式(2-3)可知道當

w

c  k

_lm時，波向量分量

k

_z為實數，意即此時屬傳播模態 (Propagating mode)，聲波在管路中具可向前傳播之特性，由此可定義出管路之聲波截止頻率(cutoff frequency)為當

w

c  k

_lm時可得到

w

_lm

 ck

_lm (2-4) 而當管路中聲波頻率小於此截止頻率時，由式(2-3)觀察可得到沿z方向之波向量分量

k

_z為

^k

  ^j  ^k

lm²

  ^w ^{/ c} 



¹^/² (2-5) 此時波向量為虛數，物理意義則代表此時聲波為無法向前傳播之模態，若將此波向量代入式(2-1)中可得到此模態之管路中聲壓為

^p

^lm

^ ^A

^lm^cos

^k

^xl

^x

^cos

^k

^ym

^y

^exp

 ^  ^k

^lm²

^  ^w

^c 



¹^/²

^z  ^e

^jwt^(2-6)

由式(2-6)亦可觀察得知聲壓為沿著z軸方向以指數比率衰減，也證實當管路中聲波頻率小於此截止頻率時，聲壓為衰減模態之物理機制。管路中聲場由於邊界條件之限制，僅有聲音頻率高於截止頻率時，聲波才可向前傳遞能量，而當聲音頻率低於管路截止頻率時，聲場則呈現指數衰減之模式，此頻率之聲波聲場在距聲源不遠處即行衰減，故此模態即無法沿長向傳播能量；前述之聲場特性於管路聲學及消音箱研究中，需要特別納入整體考量。

(二)空調系統組件之聲場衰減及特性

空調管路系統之主要為各種管路元件(element)所組成，依照組件類型主要可

分為風扇(主要之聲源)、直管段、彎管段、分岐段及出風段(或隔柵)，如圖2-3 所示

圖 2- 3 空調管路系統組件聲場元件圖 (資料來源: Barron et al.)

各類不同之元件具有不同之聲場特性；在空調管路中主要之空氣音能量衰減因子為(1)聲音能量與空調管壁間相互作用而衰減、(2)管路開口端因聲阻抗變化造成聲音能量反射、(3)聲音能量於彎管或分岐段吸收而衰減

三、空調管路之聲學特性

空調系統中由於要將冷空氣能充分輸送至各空間，經常於主幹管中加裝相當多的分岐管路，而這些分歧管路除了能將冷房效果充分發揮外，也會傳播噪音之能量，關於不同之管路也具有不同之聲音傳播衰減特性，而對於各類管件單元聲學特性之研究，亦累積相當多的理論與經驗值，以下對於管路中具代表性之單元其聲學特性做簡單介紹

(一)分岐管

分岐管為管路中相當常見之元件，聲波經過分岐管路後，其能量將會被分散，

分岐管之聲功率為

 _ 





_W ^S^j ^Sⁱ

i L

L ( ) 10 log

₁₀⁽ ⁾^/ (2-7) 上式之物理意義為某i分岐管之聲功率

L

_W(i)，為該節點聲功率

L 扣減衰減量值，

而此衰減量值依照該分岐管之斷面積

s 與該節點各分岐管路總面積和

_i 比值來分配。

 ^S

(二)直管

聲波在管路中傳播會隨著傳撥距離而衰減，這歸咎於空氣中震動粒子會與管壁摩擦衰減，若當為直管時其單位長度之衰減量為如下表

表 2- 1 直線管路單位長度聲功率衰減量

 L

_W /

L

dB/m 倍頻之中央頻率值, Hz

S P

D 

4 / 63 125 250 500 ≧1000 0.075 0.59 0.59 0.57 0.53 0.47 0.15 0.59 0.57 0.53 0.47 0.37 0.3 0.57 0.53 0.47 0.37 0.23 0.6 0.53 0.47 0.37 0.23 0.16 1.2 0.47 0.37 0.23 0.085 0.084 2.4 0.42 0.29 0.14 0.033 0.033 備註

s

為管路之斷面，

P 為管路周長

(資料來源:Barron et al.)

而當直管中有包覆內襯吸音材料時，吸音材料會吸收部分聲音能量，但因為吸音材料之加入造成聲波衰減具有頻率特性，於不同之頻率範圍具有不同之衰減行為

，在低頻段時

1.聲音頻段63 Hz≦f≦2000 Hz 單位長度管路之聲音衰減量為

 L

 4 . 20 

¹^.⁴

 L / D



(2-8)

式中

D 為消音管路之等效水力半徑，計算方式為

D



S

P

_W，L為管路之長度，

而參數



為內襯之吸音材料之吸音係數。

2.聲音頻段2000 Hz<f<8000 Hz 單位長度管路之聲音衰減量為

 L

   ¹ ^/ ² ^*  ¹⁰  ⁴ ^. ²⁰ 

¹^.⁴

⁽ L ^/ D

⁾ 

(2-9) 3. 聲音頻段f≧8000 Hz

單位長度管路之聲音衰減量為

 L



10 dB (2-10) (三)管路開口端之聲音能量衰減

當聲波傳播至管路開口端時，因由四周具邊界限制之管路，傳播至外部無限空間，

此視為兩種不同聲阻抗(Impedance)劇烈變化之物理情形，將會造成聲音反射而衰減，依據國外之研究此類管路聲能衰減值為如下表所示

表 2- 2 管路開口單位長度聲功率衰減量

 L

_W/

L

dB/m; (1/1 倍頻)

D

f

₀ , Hz-m 衰減

 L

_W,dB

f

₀

D

, Hz-m 衰減量

 L

_W,dB

5 20.6 70 3.7

10 15.3 80 3.1

15 12.4 90 2.6

20 10.5 100 2.2

25 9.1 120 1.6

30 8.1 140 1.0

35 7.2 160 0.6

40 6.4 180 0.3

50 5.3 >200 0.0

60 4.4 －－

(資料來源:Barron et al.)

在文檔中震災後建築音響消音箱實驗設備性能驗證之研究 (頁 23-29)

空調管路噪音特性及傳播機制

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第一節 空調管路噪音特性及傳播機制

L 及

L

p

 A

k

x

k

ye

k

   w

c 

  k

 k

 

k

 l 

L

l  0 , 1 , 2 ...

k

 m  / L

m  0 , 1 , 2 ...

k 為

k

  k

 k



k

k

   w / c 

 k



w

c  k

k

w

c  k

w

 ck

k

k

  j  k

  w / c 



p

 A

k

x

k

y

   k

  w

c 



z  e

空調管路系統之主要為各種管路元件(element)所組成，依照組件類型主要可

  





i L

L ( ) 10 log

L

L 扣減衰減量值，

s 與該節點各分岐管路總面積和

 S

 L

L

S P

D 

s

P 為管路周長

 L

 4 . 20 

 L / D



D 為消音管路之等效水力半徑，計算方式為

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第一節空調管路噪音特性及傳播機制

   w ^/ c 

^k

  ^j  ^k

  ^w ^{/ c} 

^p

^ ^A

^k

^x

^k

^y

 ^  ^k

^  ^w

^c 

^z  ^e

 _ 

 ^S

   ¹ ^/ ² ^*  ¹⁰  ⁴ ^. ²⁰ 

⁽ L ^/ D

⁾ 