Sanna Marinin hallitus linjasi hallitusohjelman tavoitteeksi hiilineutraalin Suomen vuoteen 2035 mennessä. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi tehoelektroniikan määrä yhteiskunnassamme tulee kasvamaan huomattavasti. Tehoelektroniikan laitekokonaisuudet lähestyvät kuluttajia ja asutusalueita muun muassa yleistyvien sähköajoneuvojen latausasemien muodossa. Uusien markkinoiden kasvu houkuttelee valmistajia uudistamaan kokonaisia tuoteperheitään, koska uudet käyttöympäristöt tulevat vaatimaan asetusten ja standardien osalta haastavampia ratkaisuja. Melun osalta Suomessa ulkoalueiden keskiäänitason yöohjearvo on 50 dB ja uusilla asuinaluilla 45 dB. Vertailun vuoksi, 50 dB:n melutaso vastaa kevyestä liikenteestä tai sateesta aiheutuvaa melua ja hiljaisessa toimistossa melutaso on n. 40–45 dB. Opinnäyteyössään Tero Björklund on keskittynyt tuuletinmelun vaimennukseen, joka on suurin yksittäinen melunlähde tehoelektroniikassa.
Melun vaikutukset
Melu on ääntä, joka koetaan häiritsevänä ja epämiellyttävänä. Melulla on useita tunnettuja psykologisia ja fysiologisia vaikutuksia ja sen tiedetään vaikuttavan mm. nukahtamiseen, yöuneen ja keskittymiseen. Se kohottaa sykettä sekä verenpainetta ja erityisen meluherkillä ihmisillä pitkä aikainen altistuminen voi lisätä riskiä psykologiseen sairasteluun. (Kalantary ym. 2015) Melulla on lisäksi välillisiä taloudellisia vaikutuksia yhteiskunnalle ja työnantajille mm. lääkärissäkäyntikulujen ja sairauspoissaolojen muodossa. (Työterveydenlaitos 2023)
Tehoelektroniikka melunlähteenä
Tehoelektroniikan laitteista tutuin on taajuusmuuttaja, joka koostuu isoissa laitekokonaisuuksissa erillisestä tasasuuntaajasta ja vaihtosuuntaajasta. Näiden laitteiden yleisimpiä melunlähteitä ovat tuuletinten pyörimisestä aiheutuva ääni ilmajäähdytteisissä laitteistoissa ja lämmönvaihdinasemien pumppausyksiköiden melu nestejäähdytteisissä laitteistoissa. Lisäksi puolijohdemoduulien kytkennästä syntyy korkeataajuista melua, jonka taajuus on suoraan sidottu moduloinnin kytkentätaajuuteen. Tämä taajuus on yleensä kilohertsi-luokkaa, mutta äänenpainetasoltaan aksiaalituuletinten puhallinmelua heikompaa. Jäähdytystarpeen luovat tehomoduulien sisällä olevien puolijohteiden nopea auki- ja kiinnikytkeminen, joka synnyttää laitteeseen lämpöä. Muodostunutta hukkalämpöä joudutaan siirtämään ympäristöön jäähdytyselementin ja joko tuulettimien tai nestejäähdytyksen avulla.
Opinnäytetyössä on keskitytty erityisesti aksiaalituuletinten tuottaman melun äänenvaimentamiseen. Perinteisesti suuremman teholuokan laitteissa on käytetty radiaalipuhaltimia, joiden vastapaineentuottokyky on hyvä, mutta puhaltimien kokoon nähden ilmamäärän tuotto on hieman heikko. Aksiaalituulettimet tuottavat kokoonsa nähden suuren ilmavirran, mutta niiden negatiivisena puolena on korkea melun tuotto. Tyypillinen tuuletin- tai puhallinmelu on laajakaistaista ääntä, josta kuultavimpina kaistoina erottuvat tuuletinten siipien pyörimisestä johtuva melu, joka syntyy siipien halkoessa ilmaa. Tämä siipien ohitustaajuus (Blade Pass Frequency, BPF) on selvästi muuta melua voimakkaampaa. BPF-melun taajuus voidaan arvioida, kun tiedetään tuulettimen pyörimisnopeus ja tuulettimen siipien lukumäärä. Aksiaalituuletinta valittaessa, melun määrään voidaan vaikuttaa valitsemalla mahdollisimman suuri tuuletin. Vaikka suuremmat siivet pitävät pyöriessään pienempiä siipiä kovempaa ääntä, tarvittava pyörimisnopeus samaan ilmamäärän tuottoon on suuremmilla siivillä pienempiä siipiä vähäisempi. Tosin laitteita ei voida äärettömästi suurentaa, jos laitekoko halutaan pitää maltillisena.
BPF-melun vaimennus
Opinnäytetyössä on mitattu kahden eri valmistajan viisisiipisten tuuletinten äänen spektriä. Näiden tuuletinten pyörimisnopeudet olivat 8100 rpm sekä 8600 rpm, jolloin niiden tuottama laskennallinen siipien ohitustaajuus oli hieman alle ja yli 700 Hz. Ohitustaajuuden lisäksi mittauksissa havaittiin tuuletinten tuottavan runsaasti ohitustaajuuksien harmonisia taajuuskerrannaisia. Nämä kerrannaiset osuvat juuri ihmiskorvan herkimmin aistimalle 1 000–4 000 Hz:n alueelle. Rinnakkain ajettavat tuulettimista aiheutui lisäksi selvästi kuultavaa äänen hetkellisen keskiarvon vaihtelua, eli ääniaaltoilua.
Tuulettimille ja tehoelektroniikka tehoyksikölle suoritettiin laboratoriossa ISO 3744 -standardin mukaiset äänen tehotason mittaukset. Äänen tehotaso (SWL) ei ole etäisyydestä riippuvainen suure, vaan se kertoo paljonko äänilähteestlä lähtee äänitehoa, joka väliaineessa ilmenee värähtelynä ja paineen muutoksina.
Useat tyypillisesti käytetyt äänenvaimentimet lisäävät ilma- tai pakokanavan vastapainetta. Lisääntyneellä vastapaineella ei ole suurta merkitystä korkean paineen järjestelmissä, kuten polttomoottorin imu- tai pakosarjoissa, mutta jäähdytyksestä huolehtivissa järjestelmissä tällä on suuri merkitys. Vastapaine pienentää tuulettimen ilmamäärän tuottoa ja tuuletinten jäähdytyskyky on suoraan verrannollinen ilmamäärään. Siksi perinteiset äänenvaimentimet eivät sellaisenaan sovi puhallinmelun vaimennukseen. Tuloksiin perustuen yhtenä ratkaisuna voimakkaiden BPF-kaistojen vaimennukseen ehdotetaan Helmholtz-resonaattoria. Helmholtz-resonaattori on äänen reitille asennettava ontelo ja onteloon johtava kaula, joka vertautuu sähkötekniikasta tuttu LC-piiriin tai mekaniikasta tuttuun harmoniseen värähtelijään. Ontelon ja kaulan mittasuhteita muuttamalla saadaan aikaiseksi haluttu resonanssitaajuus, jolla resonaattori vaimentaa ääntä tehokkaimmin. Resonaattorin hyvänä puolena on voimakas vaimennuskyky resonanssitaajuudella, mutta heikkoutena on vaimennuskaistan kapeus. Resonanssitaajuuteen vaikuttaa äänen nopeus ilmassa ja nopeus on riippuvainen ilman lämpötilasta, kosteudesta ja tiheydestä. Tätä vaimennuskaistaa voidaan leventää heikentämällä resonaattorin hyvyyslukua. Joissakin sovelluksissa on nähty säädettäviä resonaattoreita, joka tarkoittaa käytännössä sitä, että resonaattorin kammiota suurennetaan, jolloin vaimennustaajuus madaltuu, tai sitä pienennetään, jolloin vaimennustaajuus kasvaa.
Rinnakkaisten käyttöjen vaimennusmahdollisuudet
Rinnakkaisissa tuuletinkäytöissä tuulettimet ovat fyysisesti vierekkäin, jotta saavutetaan suurempi ilmavirta jäähdytyskanavan läpi. Jäykässä ilmakanavassa tai jäähdytyskanavassa kulkevien ääniaaltojen ajatellaan olevan yksiulotteisia. Tämän teoreettisen oletuksen pohjalta työssä on ehdotettu lisäksi lisätutkimuksia mahdolliselle BPF-taajuuksien 180° vaihesiirrolle. Vaihesiirron myötä tuuletinten BPF-taajuuksien tulisi teoriapohjan perusteella vaimentua, koska tuulettimet toimisivat kuin aktiiviset äänen vaimentimet toisiinsa nähden. Aktiivisen äänenvaimennuksen perusperiaate on tuottaa käänteinen äänisignaali, joka kumoaa ilmassa kulkevat paineen muutokset. Tämä toteutus vaatisi toimiessaan tuulettimen nopeussäädön muutoksia ja käytännössä viisisiipisten tuuletinten tulisi pyöriä 36 asteen siipikulmaerolla. Tämän säädön toteuttamiseen voisi auttaa tuuletinten encoderin tuottama nopeuden takaisinkytkentä -signaali, joka kertoo tuuletinten pyörimisnopeuden. Aktiiviseen äänenvaimentamiseen liittyy ratkaisulle tyypillisiä ongelmia, joista tuulettimen kotelon läpi karkaava äänen voidaan olettaa olevan pallosymmetristä, jolloin melun vaimentum–inen on kiinni tarkastelupisteestä. Siirryttäessä toiseen tarkastelupisteeseen melu itseasiassa jopa voimistuu.
Yksinään nämä vaimennustavat eivät laske äänen painetasoa yöaikaisten asuinalueiden vaatimusten tasolle isomman teholuokan laitteissa, mutta ne tarjoavat keinon muuttaa äänen luonnetta merkittävästi. Kun tuuletinmelusta poistetaan selkeästi erottuvat taajuuskaistat, jää jäljelle lähinnä kohinatyyppistä ääntä. Tämän kaltaista ääni ei kuitenkaan häiritse kuulijaansa yhtä merkitsevästi kuin selkeästi havaittavia korostuvia taajuuskaistoja sisältävä äänenlähde.
Artikkeli pohjautuu Tero Björklundin opinnäytetyöhön: Äänen vaimennus ilmajäähdytteisessä taajuusmuuttajassa. Opinnäytetyön pysyvä osoite: https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202305057877
