橡樹林居民小區(qū)變壓器結(jié)構(gòu)噪聲的控制

嵇正毓

(南京源恒環(huán)境研究所有限公司，南京　210049)

· 環(huán)境噪聲 ·

橡樹林居民小區(qū)變壓器結(jié)構(gòu)噪聲的控制

嵇正毓

(南京源恒環(huán)境研究所有限公司，南京210049)

成都橡樹林居民小區(qū)變壓器安裝于住宅樓地下室內(nèi)，其運(yùn)行噪聲通過建筑物傳播到樓上的居民家中。本文對(duì)該變壓器噪聲的傳播機(jī)理進(jìn)行了分析，采用空氣彈簧減振器等隔振措施，有效地消除了變壓器噪聲對(duì)上層居民室內(nèi)的影響。

變壓器;結(jié)構(gòu)噪聲;空氣彈簧

橡樹林是成都市一個(gè)大型高檔居民住宅小區(qū)，位于成都萬達(dá)廣場(chǎng)近旁。為保證小區(qū)內(nèi)居民的正常用電，開發(fā)商在相應(yīng)居民樓的地下層安裝有10KV干式變壓器。由于變壓器與居民住宅處于同一棟建筑物內(nèi)，在變電房上方的居民家中能清晰地聽到變壓器的運(yùn)行噪聲。為消除變壓器運(yùn)行噪聲對(duì)入住居民的干擾，橡樹林小區(qū)開發(fā)商決定對(duì)變壓器運(yùn)行噪聲進(jìn)行治理。作者主導(dǎo)完成了該項(xiàng)噪聲治理工程，至今已達(dá)3年，變壓器降噪措施總體良好，開發(fā)商和入住居民均未再反映變壓器噪聲干擾問題。

1　橡樹林小區(qū)變壓器噪聲影響分析

1.1橡樹林小區(qū)變壓器噪聲概況

成都橡樹林小區(qū)高層居民住宅樓配備的變壓器為10KV干式變壓器，變壓器處于密閉的鐵殼內(nèi)，單臺(tái)變壓器體積為1380*1050*1430mm3。整個(gè)變壓器安裝于型鋼底座上，輸出輸入電線通過轎架從變壓器上方引入。變壓器房與上層居民臥室相隔一層樓板，兩者之間沒有直接相連通道。圖1為變壓器和居民臥室的相對(duì)位置關(guān)系，圖中同時(shí)標(biāo)注了不同位置處的實(shí)測(cè)噪聲級(jí)。

變壓器運(yùn)行噪聲主要是鐵心的磁致伸縮引起的電磁噪聲，其基頻為100Hz，峰值頻率在100～500Hz之間。成都橡樹林居民小區(qū)內(nèi)的變壓器是將10KV電壓降至220V的民用市電，其電壓等級(jí)和功率都較小，變壓器正常運(yùn)行時(shí)距離其1.0m處的噪聲級(jí)在外殼小門打開情況下為75dB(A)，當(dāng)外殼小門關(guān)閉時(shí)的噪聲級(jí)為68dB(A)，樓上居民室內(nèi)的噪聲級(jí)為41dB(A)。

圖1　變壓器與居民臥室的位置關(guān)系圖Fig.1　Transformer and the resident bedroom position diagram

1.2樓上居民室內(nèi)噪聲形成分析

一般情況下變壓器運(yùn)行時(shí)其振動(dòng)推動(dòng)附近的空氣分子振動(dòng)，并在空氣中傳播形成噪聲，影響周圍的聲環(huán)境質(zhì)量。但是針對(duì)成都橡樹林居民小區(qū)的變壓器而言，變壓器位于地下室，封閉性很好，墻體和樓板的隔聲量均較大，按照重質(zhì)隔聲板的經(jīng)驗(yàn)公式：

TL=18logM+8

(1)

現(xiàn)澆的鋼筋混凝土樓板厚度約150mm，其隔聲量可以達(dá)到54.4 dB(A)，變壓器到居民臥室的最近距離以3m計(jì)，則距離擴(kuò)散衰減可達(dá)到9.5 dB(A)，根據(jù)前面測(cè)量得到的變壓器1.0m遠(yuǎn)的噪聲級(jí)為75 dB(A)，則居民臥室內(nèi)的聲級(jí)理應(yīng)小于11.1dB(A)，但是實(shí)測(cè)表明居民室內(nèi)的噪聲級(jí)達(dá)到41.0dB(A)，顯然變壓器對(duì)居民室內(nèi)的噪聲影響不是通過空氣傳遞的。

噪聲治理前也對(duì)變壓器機(jī)座和基礎(chǔ)的振動(dòng)級(jí)VLz10進(jìn)行了測(cè)量，在變壓器機(jī)座上的振動(dòng)級(jí)為108dB，基礎(chǔ)上的振動(dòng)級(jí)為88.9 dB，表明變壓器的振動(dòng)較大。顯然變壓器的振動(dòng)會(huì)通過機(jī)座傳到地面，也會(huì)通過輸電線轎架等剛性結(jié)構(gòu)傳遞到墻上，因?yàn)榫用駱堑臉前?、墻體也是彈性傳聲介質(zhì)，其內(nèi)部的分子會(huì)將振動(dòng)能量向各個(gè)方向傳遞，在建筑物內(nèi)形成固體聲波。居民住宅樓中的固體傳聲通道都是“板” 或“柱”，聲能量集中在有限的空間內(nèi)得不到擴(kuò)散，自然護(hù)散衰減很??；相反在固體與空氣的邊界面上由于聲波的反射，固體內(nèi)的直達(dá)聲和反射聲相互疊加使聲能量增大，這就導(dǎo)致建筑物內(nèi)的固體聲波衰減很小，可以沿建筑物傳播很遠(yuǎn)。圖2為變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)沿建筑物傳播示意圖。

圖2　變壓器振動(dòng)沿建筑物傳播及其表面的聲波輻射Fig.2　Spread of transformer vibration along the building and the surface acoustic wave radiation

固體中的聲波傳播到固氣邊界發(fā)生反射的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生透射，一般的教科書中均認(rèn)為透射聲能十分微弱[1，2]，但是對(duì)于聲環(huán)境質(zhì)量要求較高的居民住宅而言，該透射聲能足以干擾居民的正常生活和休息。根據(jù)聲波在界面上的透射定律[2]，聲壓透射系數(shù)為：

(2)

式中P、ρ、C、θ分別為傳聲介質(zhì)的聲壓、密度、聲速和角度，其中下標(biāo)1代表固體，2代表空氣。(2)式表明透射聲壓與入射角度相關(guān)。為使問題減化，設(shè)θ1=θ2=00(即垂直入射)，可以推導(dǎo)得到垂直入射的聲能透射系數(shù)式(3)為

τI=E2/E1=4ρ1c1ρ2c2/(ρ2c2+ρ1c1)2

(3)

式中E1和 E2分別代表入射波和透射波的聲能量，這里取ρ1、ρ2分別為2400kg/m3和1.29kg/m3, C1、C2分別為3100 m/s和340 m/s，很容易計(jì)算得到從混凝土墻體透射到空氣中的聲能量與固體中的聲能量的聲級(jí)差ΔL為36.1dB。

因?yàn)榍懊鏈y(cè)量的是振動(dòng)加速度級(jí)，需要將其換算成聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)。設(shè)成都橡樹林居民小區(qū)的變壓器產(chǎn)生的固體聲波沿建筑物傳至樓上居民室內(nèi)時(shí)，樓板和墻體表面的固體質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)仍以距變壓器0.1m處的鉛垂向Z振級(jí)VLz10計(jì)算:

VLz10=20log(a/a0)

(4)

式中： a0=10-6m/s2，VLz10=88.9dB，得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度a=0.02786 m/s2。

根據(jù)牛頓定律：F=ma，得P=ρ1ha，根據(jù)聲能密度與聲壓的關(guān)系式得：

E=P2/ρ1c1=ρ1h2a2/c1

(5)

式中：P為聲壓， h為墻體或樓板厚度，E為聲能密度。這里取混凝土樓板為傳聲介質(zhì)，設(shè)h為0.15m,得到建筑物內(nèi)單位面積的聲能密度為1.352*10-5(瓦)。

將建筑物內(nèi)的聲能密度換算成空氣中的聲級(jí)，再減去透射衰減量36.1分貝，即得到透射到空氣中的結(jié)構(gòu)噪聲聲級(jí)：

L結(jié)構(gòu)=10log(E/E0)-ΔL=10log(1.352*10-5/10-12)-36.1=35.2dB

(6)

計(jì)算表明由變壓器振動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲比空氣傳播的噪聲大得多。不僅如此，由于聲輻射發(fā)生在居民室內(nèi)，房間的6個(gè)面都是聲輻射體，設(shè)6個(gè)面輻射聲強(qiáng)級(jí)相同，則室內(nèi)的噪聲級(jí)將增大7.8 dB，即居民室內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲達(dá)到43.0 dB。如果再考慮到室內(nèi)的反射和混響，則理論推算室內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲將更大。

當(dāng)然前面沒有考慮固體聲在建筑物內(nèi)傳播時(shí)的衰減，該衰減主要取決于擴(kuò)散衰減和阻尼損失兩個(gè)方面，這都與建筑物的結(jié)構(gòu)關(guān)系很大。首先建筑物內(nèi)的聲擴(kuò)散不會(huì)象在空氣中那樣以球面波或柱面波衰減，由于受到有限邊界的限制，這種衰減較小。其次混凝土內(nèi)的阻尼損失可以通過平面行波[3]的衰減公式進(jìn)行分析：

(7)

2　橡樹林變壓器結(jié)構(gòu)噪聲控制

從上面的分析可以看出，成都橡樹林居民小區(qū)變壓器噪聲對(duì)樓上居民的干擾是因?yàn)榻ㄖ飳⒆儔浩鞯恼駝?dòng)傳遞到居民室內(nèi)的墻面和地面，并進(jìn)一步激發(fā)空氣形成結(jié)構(gòu)噪聲。要控制變壓器引起的結(jié)構(gòu)噪聲，最直接的辦法是切斷振動(dòng)傳遞途徑，因此噪聲治理工程采取了兩項(xiàng)控制變壓器振動(dòng)傳遞的措施。第一用空氣彈簧減振器隔絕變壓器機(jī)座的振動(dòng)，第二用彈性支架隔絕電線轎架的振動(dòng)。

2.1空氣彈簧減振器隔絕變壓器機(jī)座的振動(dòng)

空氣彈簧是由柔性橡膠氣囊和充氣閥組成，當(dāng)用壓縮空氣充入氣囊后其即成為具有彈性的空氣彈簧。本工程中為防止空氣囊內(nèi)的氣體泄漏，每只空氣彈簧均安裝了壓力傳感器，一旦氣囊內(nèi)的壓力不足，充氣泵就自動(dòng)充氣?？諝鈴椈蓽p振器具有減振頻率低，隔振效果好、自適應(yīng)充氣等特點(diǎn)，且其垂向剛度具有隨載荷的增大而增大的特性，因此空氣彈簧減振器在較大的荷載范圍內(nèi)均能有效隔絕振動(dòng)和聲波的傳遞。圖3 是空氣彈簧減振器安裝在變壓器機(jī)座下方的實(shí)物圖，圖4是該減振器的載荷/氣壓曲線圖。

圖3　空氣彈簧安裝圖Fig.3　Air spring installation diagram

圖4　空氣彈簧載荷/氣壓曲線Fig.4　Air spring load / pressure curve

根據(jù)變壓器重量，在變壓器槽鋼支架上安裝了16只空氣彈簧減振器，每8只空氣彈簧減振器一組，配備一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，由PLC控制器實(shí)現(xiàn)多路電路和氣路的控制。當(dāng)空氣彈簧減振器氣囊內(nèi)的壓力低于下限閾值時(shí)PLC控制器可閉合氣泵電源和氣路中的電磁閥的電源，給氣囊充氣；當(dāng)氣囊內(nèi)的壓力達(dá)到上限閾值時(shí)PLC控制器可斷開電源，停止充氣，使空氣彈簧始終處于最佳的減振狀態(tài)。

2.2用彈性支架等措施隔絕電線轎架的振動(dòng)

橡樹林變壓器的線路轎架是通過元鋼吊勾固定在天花板上的，靠近墻體時(shí)轎架則直接固定在墻上，由于轎架受變壓器激發(fā)產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)必然通過元鋼等固定件傳遞到天花和墻體上?，F(xiàn)場(chǎng)不能直接測(cè)量轎架上的振動(dòng)級(jí)，但用木條接觸轎架，感受到振動(dòng)十分明顯。所以工程中對(duì)轎架固定方式進(jìn)行了改進(jìn)，將原先的剛性吊裝和擱置方式改為彈性支撐方式，同時(shí)對(duì)穿墻而過的電線轎架在穿墻處采取軟接觸處理。

圖5為隔絕變壓器振動(dòng)的措施示意圖。

圖5　變壓器隔振措施示意圖Fig.5　Schematic diagram of transformer isolation measures

3　治理效果和存在問題

3.1噪聲治理效果

對(duì)成都橡樹林地下室變壓器底座上安裝了空氣彈簧減振器，在變電房正上方的一樓居民室內(nèi)測(cè)量，室內(nèi)噪聲級(jí)從原來的41dB(A)降至30dB(A)以下，達(dá)到了《社會(huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》GB22337-2008[4]中規(guī)定的固定設(shè)備引起室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的排放限值，但夜間在室內(nèi)仍然可以聽到變壓器運(yùn)行噪聲。進(jìn)一步對(duì)變壓器的線路轎架采取彈性支架，轎架穿墻處采取軟接觸處理后，一樓居民室內(nèi)的噪聲級(jí)降至26.0 dB(A)，即使深夜也聽不到地下室變壓器運(yùn)行噪聲。下表為變電房正上方一樓居民室內(nèi)的三次噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表　正上方居民室內(nèi)前后噪聲級(jí)對(duì)比

3.2存在問題

工程完成后3年來，樓上居民從未反映過地下室變壓器噪聲干擾問題。但發(fā)現(xiàn)自制的空氣彈簧減振器存在慢漏氣現(xiàn)象，一只空氣彈簧大約兩天左右需要補(bǔ)充一次壓縮空氣。另外原配備的充氣用壓縮機(jī)3年中損壞過兩次。因此，需要進(jìn)一步提高空氣彈簧減振器性能，使之保氣性能更好，配置的空氣壓縮機(jī)也應(yīng)該更穩(wěn)定可靠。

4　結(jié)　論

變壓器是居民小區(qū)內(nèi)必備的公輔設(shè)備，該設(shè)備本身的運(yùn)行噪聲并不大，但是如果將其安裝在居民樓下方的地下室，很容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，影響同棟居民的正常生活和休息。本工程通過對(duì)變壓器底座加設(shè)空氣彈簧減振器、對(duì)電線轎架進(jìn)行彈性支撐等振動(dòng)隔絕措施，有效地消除了上層居民室內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲。但工程中采用的空氣彈簧雖然隔振性能很好，但其保氣性能需要進(jìn)一步提高。

[1]趙松齡.噪聲的降低與隔離[M].上海:上海同濟(jì)大學(xué)出版社,1989.

[2]杜功煥,等.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1981.

[3]馬大猷.噪聲和振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[4]GB22337-2008,社會(huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

Study of the Transformer Structural Noise Control in Xiangshulin Resedential Area

JI Zheng-yu

(NanjingSourceConstantEnvironmentalResearchInstituteCo.,Ltd.,Nanjing210049,China)

The transformer in Xiangshulin residential area of Chengdu was installed in the underground basement of residential buildings, its running noise was transmissed through buildings. This paper analyzed the propagation mechanism of the transformer noise, and used vibration isolation measures such as air spring shock absorber, which had effectively eliminate the influence of indoor transformer noise to the residents upstairs.

Transformer; structure noise; air spring

2014-12-15

嵇正毓(1947-)，男，江蘇揚(yáng)州人，1982年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系聲學(xué)專業(yè)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事環(huán)境保護(hù)工作。

X707

A

1001-3644(2015)01-0167-04