Zvuková zkouška tepelných čerpadel: Psychoakustika pro minimální tvorbu hluku
Obr. 1: Tepelná čerpadla vzduch/voda nepracují zcela tiše a čím hustší je zástavba, tím více může být okolí rušeno.
V dnešní době je využívání obnovitelných energií pro ochranu klimatu naprosto zásadní. To je také důvod, proč se tepelná čerpadla vzduch/voda těší vysoké oblibě v oblasti techniky vytápění. Poptávka po nich stoupá a s tepelnými výkony od 3 do 30 kW jsou užitečným řešením pro rodinné i bytové domy.
V mnoha zemích je instalace tepelných čerpadel dotována z veřejných prostředků. Tepelná čerpadla vzduch/voda však nepracují úplně tiše a čím je zástavba hustší, tím více může být hlučnost čerpadel obtěžující pro okolí. Rozhodující není jen měřitelná hladina akustického tlaku, ale především vnímání hluku lidským sluchem. Zde vstupuje do hry psychoakustika a její testovací metody.
V principu funguje tepelné čerpadlo (obr. 1) jako chladnička, která odebírá teplo potravinám, které jsou v ní uložené a odvádí je ven. Tepelná čerpadla vzduch/voda odebírají teplo z okolního vzduchu a předávají ho do topného systému, který ohřívá obytné prostory nebo slouží k ohřevu vody. Ventilátory zajišťují potřebné vnější proudění vzduchu přes výparník a přirozeně tím vytvářejí větší či menší hluk během provozu zařízení. To platí také pro ventilátory s motory GreenTech EC, které jsou obzvláště tiché. Místo, kde jsou instalovány, může mít také negativní dopad na tvorbu hluku. Ten, kdo používá tepelná čerpadla vzduch/voda, musí mít přítomnost určité hladiny hluku vždy na paměti. Zpravidla však nestačí pouze dodržovat limitní hodnoty místních norem a protihlukové vyhlášky.
Obr. 2: Psychoakustická laboratoř společnosti ebm-papst v Mulfingenu (Německo).
Kdy je hluk příjemný?
Hodnoty definované v pokynech a normách, které lze měřit na zkušební stolici, nemají mnoho společného s individuálním lidským vnímáním hluku. Dosud se normy a směrnice dostatečně nezabývaly tonalitou, tedy vztahy mezi tóny. V současné době se tím zabývají různé psychoakustické testy. Psychoakustika si klade za cíl definovat, proč vnímáme hluk jako příjemný nebo nepříjemný. Například hra na trubku a bagr na stavbě mají přibližně stejnou měřitelnou akustickou sílu, ale naše psychoakustické hodnocení je úplně jiné.
Společnost ebm-papst, specialista na ventilátory a motory, se touto problematikou zabývá již delší dobu a pro tyto účely zřídila vlastní speciální psychoakustickou laboratoř. V této laboratoři jsou testované subjekty vystaveny provoznímu hluku tepelných čerpadel a ventilátorů, které jsou v nich v různých konfiguracích nainstalovány (obr. 2). Subjekty poté hodnotí jednotlivé prvky testu. Vývojáři z těchto výsledků sestavují vědecky podloženou databázi založenou na následujících klíčových psychoakustických parametrech: hlasitost [sone], ostrost [acum], výška [mel], hrubost [asper] a síla fluktuace [vacil]. Kromě toho jsou významnými proměnnými také tonalita a stimul. Tonalita je přítomna, když jsou v šumu patrné jednotlivé tóny, což zvyšuje efekt interference. Hluky, které obsahují rychlé změny úrovně, např. hluk klepání nebo bouchání, jsou ztotožňovány s impulzivitou. Impulzivitu i tonalitu lze měřit pomocí mikrofonů a porovnávat s výpověďmi testovaných osob. Hodnocení testovaných osob se analyzuje pomocí statistických a psychologických metod. Výsledky jsou začleněny jak do vlastního vývoje ventilátorů, ale také poskytují informace o testovaných tepelných čerpadlech vzduch/voda a o tom, které ventilátory jsou nejvhodnější pro individuální scénář instalace. Hlavním cílem je, aby provozní hlučnost kvalitního tepelného čerpadla, která je již velmi nízká, byla vnímána jako příjemná co nejširší skupinou testovaných osob.
Obr. 3: Společnost ebm-papst zkoumá ventilátory v instalačních scénářích také z psychoakustického hlediska a vyvinula vlastní metriku akustické kvality. Za tímto účelem jsou do hry zapojeny subjektivní dimenze vnímání s měřitelnými psychoakustickými veličinami. Čím blíže je korelační koeficient r k hodnotě 1, tím vhodnější je model pro zobrazení subjektivních aspektů vnímání. Akustická kvalita Q, která pak reprezentuje vnímaný hluk ventilátoru, by měla být co nejvyšší.
Metrika pro psychoakustické hodnocení
Výzkum psychoakustiky je v plném proudu a my se můžeme těšit na další výsledky. V rámci doktorandské práce realizované v ebm-papst se již například podařilo vyvinout metriku (obr. 3), která se nyní používá pro psychoakustické hodnocení v koncovém zařízení. Cílem této metriky je vytvořit korelaci mezi subjektivně vnímanou kvalitou hluku, která se prezentuje v různých „dimenzích“, a objektivně měřitelnými proměnnými. Během rozsáhlých testů sluchu byly navzájem porovnávány různé dimenze vnímání s naměřenými fyzikálními hodnotami. Celkem 123 testovaným subjektům ve věku od 19 do 60 let bylo přehráno 89 zvuků ve třech sériích experimentů v realistických podmínkách. Pro každou sérii experimentů 30 až 40 z těchto testovaných osob posuzovalo zaznamenaný hluk (obr. 4) z hlediska výkonu (pomalý/silný, vysoce kvalitní/velmi nekvalitní), hladiny zvuku (syčení nebo hučení), časové struktury (kolísavá), kvality (příjemná/rušivá) a výšky tónu (hučení, hluboké/vysoké). Kromě toho byly přímo porovnány jednotlivé vlastnosti různých zvuků a hluků pomocí jedné hodnotící stupnice.
Další rozhovory s testovanými subjekty odhalily, že charakteristiky hluku jako hluboký, pomalý, monotónní, konzistentní, měkký a světlý byly považovány za příjemné. Naopak za nepříjemné byly považovány chrastící, kolísavé, bouchající, kapající, hučící, měnící se, vysoké, a syčící zvuky. Celkově bylo pro testované osoby celkem přijatelné, že se generoval provozní hluk, ten je však třeba vnímat jako příjemný. Nakonec však vyhodnocení sluchových testů ukázalo především to, že „úroveň rušení“ lze do značné míry kombinovat s objektivními psychoakustickými parametry.
Obr. 4: V tomto měřicím zařízení se zvuky zaznamenávají pomocí různých mikrofonů a poté se přehrávají testovaným osobám k vyhodnocení.
Obr. 5: Ventilátory ebm-papst jsou ideální nejen pro použití v tepelných čerpadlech s hořlavými chladivy. Jsou také aerodynamicky a akusticky optimalizované.
Fyzikální a psychoakustické parametry pro hodnocení hluku
Na základě těchto faktů můžeme nyní definovat dva hlavní cíle: v budoucnu využívat při hodnocení hluku ventilátorů kromě fyzikálních parametrů také psychoakustiku (obr. 5) a pracovat na zavedení mezinárodní normy založené na standardizovaných psychoakustických veličinách. To by výrazně přispělo k omezení nepříjemného a obtěžujícího hluku tepelných čerpadel vzduch/voda pro své okolí.
ebm-papst CZ- ventilátory světové kvality. Společnost ebm-papst vyvíjí a vyrábí vysoce kvalitní ventilátory pro náročné průmyslové aplikace i domácí použití. Portfolio zahrnuje axiální, radiální, tangenciální a kompaktní AC/EC ventilátory pro ...