居民樓房結(jié)構(gòu)噪聲傳遞的優(yōu)化治理

徐祿文，鄒岸新

(重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶401123)

居民樓房結(jié)構(gòu)噪聲傳遞的優(yōu)化治理

徐祿文，鄒岸新

(重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶401123)

居民樓內(nèi)由水泵房、配電房以及中央空調(diào)等設(shè)施引起的結(jié)構(gòu)傳聲問題，越來越受到人們關(guān)注。由此，以配電房為例，對(duì)聲源處結(jié)構(gòu)傳聲、空氣傳聲、孔洞衍射聲三種傳播途徑的聲功率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)結(jié)構(gòu)傳聲治理提出了隔振設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)與材料的優(yōu)化與比選，使結(jié)構(gòu)傳聲部分的噪聲量降低14～20 dB。治理的方案有一定的參考價(jià)值。

聲學(xué)；居民樓；結(jié)構(gòu)傳聲；隔振

隨著城市用地日趨緊張，水泵房、配電房以及中央空調(diào)等居民樓配套設(shè)施大多布置在樓層底部或樓頂。這些設(shè)施在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)，并激發(fā)環(huán)境噪聲的傳播，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)鄰近居民產(chǎn)生干擾，甚至影響其生活與休息[1]。有關(guān)居民樓結(jié)構(gòu)傳聲問題的環(huán)保投訴和糾紛日漸增多，影響社會(huì)的和諧與穩(wěn)定。針對(duì)這一問題，采用傳統(tǒng)的吸聲、隔聲或消聲治理措施，很難達(dá)到理想的效果。本文以居民樓內(nèi)的配電變壓器為例，通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，對(duì)其結(jié)構(gòu)傳聲機(jī)理進(jìn)行了深入分析；文中對(duì)隔振方案進(jìn)行了研究，為居民樓結(jié)構(gòu)傳聲分析及優(yōu)化治理提供一種技術(shù)參考。

1 配電房噪聲的來源及特征

1.1 噪聲源分析

居民樓內(nèi)配電房聲源主要是變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的電磁噪聲和機(jī)械噪聲。電磁噪聲主要由硅鋼片的磁致伸縮和繞組中的電磁力引起的，機(jī)械噪聲則是設(shè)備振動(dòng)、冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)引起的。研究表明，變壓器噪聲主要是由心磁致伸縮引起，鐵心勵(lì)磁時(shí)，由晶粒間交換作用力引起的硅鋼片尺寸沿磁力線方向伸長、垂直于磁力線方向縮短[2]。該伸縮使得鐵心隨著勵(lì)磁頻率和磁通密度的變化而發(fā)生周期性的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生本體噪聲。

1.2 變壓器振動(dòng)頻率特征

由于磁致伸縮周期恰恰是電源頻率（電源基頻50 Hz）的半個(gè)周期，所以磁致伸縮引起的變壓器本體的振動(dòng)是以兩倍的電源頻率為其基頻，故配電變壓器鐵心振動(dòng)的頻譜范圍通常在100～500 Hz之間。圖1某小區(qū)配電房內(nèi)變壓器實(shí)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖，根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)分析，該變壓器振動(dòng)向外傳遞的主要頻率為100 Hz及其倍頻200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz，故其振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)。對(duì)于不同容量的電力變壓器，其振動(dòng)頻譜有所不同，額定容量越大，基頻所占的比例越大，諧頻分量越小，而額定容量越小，基頻成分越小，諧頻分量越大[9]。

圖1 鐵心支座振動(dòng)頻譜圖

1.3 配電房及居民室內(nèi)噪聲頻率特征

噪聲頻率劃分范圍：小于300 Hz為低頻聲，300～1 000 Hz為中頻聲，大于1 000 Hz為高頻聲[2]。依據(jù)同類地區(qū)大量噪聲測(cè)試研究，該小區(qū)配電房內(nèi)噪聲峰值頻率范圍在205～301 Hz，基本屬低頻噪聲源；在夜間居民室內(nèi)噪聲峰值頻率多出現(xiàn)在125～250 Hz之間，室內(nèi)噪聲明顯呈低頻特性，其聲壓級(jí)多小于42.7 dB。

2 配電房噪聲傳播途徑及聲功率分析

2.1 傳播途徑分析

對(duì)該小區(qū)配電房結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境大量調(diào)查與測(cè)試研究，配電房噪聲基本以以下幾種途徑向樓內(nèi)住戶傳播，如圖2所示。

1)變壓器振動(dòng)通過基礎(chǔ)、墻體等構(gòu)配件傳播至居民室內(nèi)墻面(樓面)，墻面(樓面)振動(dòng)再次激發(fā)空氣振動(dòng)，產(chǎn)生二次噪聲；

2)直接經(jīng)由墻體、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件振動(dòng)而傳遞的低頻噪聲；

3)配電房內(nèi)空氣聲通過門窗等孔洞衍射，然后通過住宅門窗等孔縫傳播至居民室內(nèi)[3]。

前兩種均以彈性波的形式在固體結(jié)構(gòu)中傳播(即結(jié)構(gòu)傳聲)。該結(jié)構(gòu)性噪聲頻率低，而低頻聲波在固體中傳播其能量隨距離的增加衰減較小，此亦是結(jié)構(gòu)傳聲在建筑物中影響范圍廣的主要原因。

圖2 配電房噪聲的傳播途徑

2.2 噪聲源聲功率估算

相關(guān)研究資料表明：同一振源對(duì)不同傳播途徑聲功率的大小不僅與聲源振動(dòng)的強(qiáng)度有關(guān)，還與傳播介質(zhì)的聲阻抗、有效輻射面積等有關(guān)[4，5]。所取研究小區(qū)配電房內(nèi)安裝一臺(tái)SC(B)10-00/10型號(hào)的干式變壓器，其防護(hù)罩尺寸為1.41×0.98×1.082 m，器身總重量為2 832 kg，激振基頻為f=100 Hz，測(cè)得變壓器支座振動(dòng)加速度有效值為ae1=0.26 m/s2，防護(hù)罩振動(dòng)加速度有效值為ae2=0.56 m/s2，速度有效值分別為ve1=0.04 cm/s2，ve2=0.09 cm/s2。底座槽鋼與混凝土基礎(chǔ)(或回填土地基)剛性接觸有效接觸面積S1=0.98× 0.1×2≈0.2 m2，防護(hù)罩與空氣接觸有效輻射面積約為S2=6.55 m2。表1是三種傳播途徑在噪聲源處聲功率的估算值。

表1 三種傳播途徑在噪聲源處聲功率估算值

按平面波傳播理論計(jì)算得出上述三種方式所傳遞的聲功率之比為0.233 6(0.092)：2.12×10-3：5.3× 10-6，約為44 075(17 358)：400：1。顯然，為控制變壓器引起的相鄰房間噪聲污染，變壓器設(shè)施振動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)傳聲不可忽視。

3 結(jié)構(gòu)傳聲治理—隔振設(shè)計(jì)

1）變壓器常規(guī)隔振系統(tǒng)力學(xué)模型如圖3所示，變壓器鐵心、鐵軛、夾件、繞組等呈對(duì)稱設(shè)計(jì)，可把變壓器簡(jiǎn)化一個(gè)集中質(zhì)量m，隔振系統(tǒng)剛度設(shè)為k，系統(tǒng)阻尼為c，隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型其運(yùn)動(dòng)微分方程：m x¨+c x˙+k x=F0·sinω t，隔振系統(tǒng)受到的擾動(dòng)力幅值為F0，擾動(dòng)頻率為ω；

圖3 變壓器隔振系統(tǒng)

2）擾動(dòng)力F0和傳遞力FT分析：變壓器鐵心的水平和垂向擾動(dòng)力均較小，且主要隔離其垂向振動(dòng)。簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)縱向振動(dòng)后，僅在垂向上受鐵心和繞組振動(dòng)的擾動(dòng)力，F(xiàn)0=m a=2 832×0.26=736.3 N，可見擾動(dòng)力不大。傳遞力為FT，有阻尼時(shí)FT由兩個(gè)部分組成：一部分為彈簧力幅值(kx0)；一部分為阻尼力，對(duì)粘性阻尼其力幅為(cωx0)；

3）擾動(dòng)頻率f與鐵心自振頻率f z分析：變壓器的擾動(dòng)頻率以100 Hz為基頻，含有倍頻200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz，通?；诨l設(shè)計(jì)，同時(shí)鐵心的自振頻率應(yīng)避開下列頻率區(qū)：75～125 Hz、165～235 Hz、275～325 Hz、375～425 Hz等。通過有限元軟件計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，SC(B)10-800型變壓器鐵心固有頻率離共振帶較遠(yuǎn)，表2為其鐵心自振頻率的計(jì)算結(jié)果；

表2 變壓器鐵心固有頻率

4）確定隔振系統(tǒng)的固有頻率f0和傳遞率TA：根據(jù)隔振設(shè)計(jì)原理不論阻尼比(ζ/ζc)多大，只有(f/f0)＞1.414時(shí)，TA才小于1。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，最佳頻率比取f/f0=2.5～4.5，最佳阻尼比取ζ/ζc= 0.05～0.2[6]，則f0=22～40 Hz；傳遞率

5）附加質(zhì)量塊和載荷：為了提高基座剛度（底座為2根98 cm長的10#槽鋼剛度較?。p小設(shè)備振幅、改善機(jī)組平衡性能及質(zhì)量分布的均勻性、使隔振器受力均勻，可考慮增加一個(gè)剛度足夠大（厚度控制在15～20 cm）、面積同變壓器底面積的鋼筋混凝土質(zhì)量塊。系統(tǒng)靜荷載34 207 N，動(dòng)荷載較小可忽略，合力作用點(diǎn)位于變壓器輪廓的幾何形心，每只隔振器均勻承受的載荷為5701 N（設(shè)用6只相同剛度隔振器）；

6）隔振器的選擇[6-7]：由于鋼彈簧容易傳遞高頻振動(dòng)，且橫向剛度較小，故當(dāng)f0＞15 Hz時(shí)，宜選用軟木、壓縮型橡膠材料設(shè)計(jì)隔振器，材料阻尼比ζ/ζc= 0.025～0.2。表3為軟木、橡膠型隔振器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，依據(jù)表3所示隔振器設(shè)計(jì)計(jì)算，最終選擇的彈性阻尼隔振器尺寸見表4。該橡膠隔振器的受力類型為壓縮型，橡膠材料具有適量的阻尼，可以吸收振動(dòng)能量，對(duì)高頻振動(dòng)能量的吸收尤為有效，通常在30 Hz以上已相當(dāng)明顯，其工作頻段較寬廣，在5～3 500 Hz，能使高頻的結(jié)構(gòu)噪聲顯著降低，通常能使100～3 200 Hz頻段中的結(jié)構(gòu)噪聲降低達(dá)20 dB左右[8]。

表3 軟木/橡膠隔振器設(shè)計(jì)計(jì)算

為了驗(yàn)證不同隔振材料的隔振效果，研究人員通過利用不同材料的隔振器對(duì)某小區(qū)的配變的結(jié)構(gòu)傳聲實(shí)際治理效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表5所示。從表中可以看出，橡膠隔振材料可以達(dá)到很好的效果；

表4 彈性隔振器尺寸

表5 隔振效果

7）隔振器的安裝與布置：在水平與垂向均對(duì)稱于變壓器重心軸線安裝和布置，保持變壓器主要表現(xiàn)垂向振動(dòng)，不引起任何型式的其他振動(dòng)，圖4為隔振器布置圖；

圖4 隔振器布置圖

8）相關(guān)部件的柔性聯(lián)接與固定：采取隔振機(jī)組振幅將有所增加，則與機(jī)組相關(guān)的橋架、電纜、管道等均宜采用柔性聯(lián)接，電纜應(yīng)有一定的拉伸余量，柔性接頭之外的管道等應(yīng)采用彈性支承，管道等過墻或過樓板應(yīng)加設(shè)彈性墊為佳；

9）毗鄰房間噪聲減低量理論值，軟木隔振器1：傳遞率TA=0.065，降噪量NR=23.7 dB；軟木隔振器2：傳遞率TA=0.042，降噪量NR=27.5 dB；橡膠隔振器3：傳遞率TA=0.095，降噪量NR=20.4 dB；

10）通過對(duì)某小區(qū)配電房結(jié)構(gòu)傳聲進(jìn)行治理，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)橡膠型隔振材料能夠獲得較好的效果。

4 結(jié)語

(1)從噪聲源傳播路徑分析，對(duì)三種典型傳播途徑的聲功率進(jìn)行了估算，其比為4 075(17 358)：400：1，表明水泵房、配電房以及中央空調(diào)設(shè)施等居民樓配套設(shè)施在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)傳聲不可忽視；

(2)針對(duì)配電房結(jié)構(gòu)傳聲，提出了隔振系統(tǒng)的治理方案。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)與材料的比選，該系統(tǒng)可以使得配電房毗鄰房間結(jié)構(gòu)傳聲部分的噪聲減量達(dá)到14～20 dB；

(3)水泵房或中央空調(diào)等居民樓配套設(shè)施運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)傳聲，其機(jī)理與配電變壓器相同。因此，該隔振系統(tǒng)治理方案不僅適用于配電房，同樣適用于水泵房或中央空調(diào)等引起的居民樓結(jié)構(gòu)傳聲問題。

[1]李明斌，陸鳳華.我國與歐盟國家民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范的比較與分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，1：96-99.

[2]胡章偉，尹堅(jiān)平.區(qū)分空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲的研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1991，4(2)：24-27.

[3]潘仲麟，翟國慶.噪聲控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：12/179-180.

[4]嵇正毓，卜行寬.江蘇省人民醫(yī)院測(cè)聽室噪聲控制[J].噪聲與振動(dòng)控制，1997，4：41-42.

[5]嵇正毓，張華，楊于生，聞小明.用空氣彈簧降低變壓器結(jié)構(gòu)噪聲的工程實(shí)踐[J].污染防治技術(shù)，2011，24(1)：61-64.

[6]嚴(yán)濟(jì)寬.機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1986：33-36.

[7]項(xiàng)端祁.空調(diào)系統(tǒng)消聲與隔振設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：153-173.

[8]徐建.隔振設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：230.

Optimal Control of Structure-borne Noise Transm ission of Residential Buildings

XU Lu-wen,ZOU An-xin

(Power Science Research Institute,Chongqing Power Company,Chongqing 401123,China)

In recent years,more and more attentions have been paid to the structure-borne noise transmission in resident buildings caused by water pump room,power distribution room and central air conditioning facilities.In this paper,taking the power distribution room as an example,the sound powers of three transm ission forms,including structural transm ission of sound source,air transm ission of sound,and sound hole-diffraction,are forecasted.A design scheme of vibration isolation for structural sound transmission control is put forward.Through the optimization of design parameters and material selection,the noise of the structural sound transm ission part can be reduced by 14～20 dB.So,this scheme is of the value for reference.

acoustics;residential building;structure-borne noise transmission;vibration isolation

TB5；TB533

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.033

1006-1355(2014)01-0146-04

2013-02-05

徐祿文：男（1967-）四川廣安人，高級(jí)工程師，目前從事電網(wǎng)環(huán)保及噪聲優(yōu)化控制技術(shù)研究。

E-mail:xuluwen1000@sina.com

鄒岸新（1985-），男，湖北黃岡人，助理工程師，目前從事電磁場(chǎng)計(jì)算及噪聲振動(dòng)控制研究。

E-mail:331501253@qq.com