變電站降噪吸聲材料研究進(jìn)展

馬曉光

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北　保定　071003)

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變電站降噪吸聲材料研究進(jìn)展

馬曉光

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

基于國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)，介紹了噪聲源控制、傳播途徑控制、對(duì)接受者進(jìn)行保護(hù)三種噪聲控制方法，結(jié)合現(xiàn)有變電站噪聲主要控制方法，論述了各種降噪吸聲材料對(duì)變電站噪聲的治理效果，針對(duì)變電站噪聲低頻特性，提出采用微孔纖維復(fù)合吸聲板解決變電站噪聲超標(biāo)問(wèn)題，微孔纖維復(fù)合吸聲板所具有的良好散熱性、耐持久性、寬頻性、環(huán)保性以及低頻消聲優(yōu)勢(shì)使其成為變電站降噪治理的理想材料。

變電站；噪聲；吸聲材料

變電站作為輸變電工程中的重要組成部分，在電網(wǎng)運(yùn)行中有著不可或缺的作用，城市建設(shè)日新月異，居民小區(qū)、商業(yè)區(qū)的樓房越來(lái)越密集，變電站也越來(lái)越靠近居民區(qū)，變電站帶來(lái)的噪聲污染環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。噪聲對(duì)人體的危害主要變現(xiàn)有以下幾個(gè)方面：影響聽(tīng)力，嚴(yán)重時(shí)甚至可以引起暫時(shí)性耳聾；影響工作人員之間的交流，阻礙正常工作的進(jìn)行；干擾人們的休息，使人產(chǎn)生疲勞感，容易引發(fā)安全事故[1]。因此加強(qiáng)噪聲控制，降低噪聲污染已經(jīng)變得刻不容緩[2]。本文介紹了噪聲控制的幾種常用方法及變電站主要降噪控制措施，分析并提出了一種新型的適合變電站降噪治理的理想材料。

1　變電站噪聲控制方法

噪聲控制技術(shù)可以分為無(wú)源控制技術(shù)和有源控制技術(shù)兩種，噪聲傳播主要包括噪聲源、傳播介質(zhì)、接受者三部分[3]，噪聲控制的主要方法就是對(duì)這三個(gè)部分分別進(jìn)行控制。

1.1噪聲源控制

噪聲源控制技術(shù)就是通過(guò)降低聲源的聲功率級(jí)來(lái)達(dá)到消減噪聲的目的，主要是通過(guò)改進(jìn)產(chǎn)生噪聲設(shè)備的生產(chǎn)工藝，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高加工精度，增加減振防護(hù)墊等方法從根本上減弱聲源的振動(dòng)。

變壓器噪聲主要是由于變壓器內(nèi)部鐵心與繞組的振動(dòng)引起的，降低變壓器的振動(dòng)能夠有效減弱變壓器的聲功率級(jí)?，F(xiàn)有的優(yōu)化措施主要包括選用優(yōu)質(zhì)鐵心硅鋼片、提高鐵心硅鋼片的加工工藝、優(yōu)化磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)等[4]。噪聲源控制技術(shù)是最根本也是最有效的方法，但是其難度也是最大的，現(xiàn)有技術(shù)很難完全解決變壓器噪聲影響問(wèn)題，而且對(duì)于已經(jīng)建成的變電站也無(wú)法采用此措施。

1.2傳播途徑控制

噪聲傳播途徑的控制主要是采用吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)、消聲技術(shù)、阻尼技術(shù)等[5-6]對(duì)傳播中的聲波進(jìn)行吸收、阻隔，最終達(dá)到消除噪聲影響的目的。吸聲技術(shù)是指采用吸聲材料將入射的聲能吸收消耗掉，減少聲波的反射作用，從而達(dá)到降低聲源傳播方向上的噪聲值的目的；隔聲技術(shù)是將入射的聲波盡可能的反射，使得透射的聲能變小，進(jìn)而降低另一側(cè)的噪聲；阻尼技術(shù)是采用阻尼材料將一部分聲能吸收轉(zhuǎn)化為熱能，一部分聲能以位能的形勢(shì)貯存起來(lái)，最終抑制噪聲的傳播。

在20世紀(jì)80年代，為了抑制變壓器本體的振動(dòng)噪聲，美國(guó)等國(guó)家開(kāi)始試驗(yàn)采用彈簧金屬片在變壓器上安裝高效隔音板，同時(shí)考慮加裝吸聲材料，使隔音板的降噪效果更加明顯有效[7]。祝志祥等[8]針對(duì)變壓器噪聲的低頻特性，介紹了現(xiàn)有的吸聲材料的種類和性能特點(diǎn)，從降噪控制的有效性與經(jīng)濟(jì)性方面分析了新型吸聲結(jié)構(gòu)對(duì)于變電站換流站噪聲的治理效果。白志勇[9]在原有隔聲罩的基礎(chǔ)上，考慮變電站噪聲的特性，采取擴(kuò)張式和迷宮式相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)出一種新型消聲器，并在SYSNOISE軟件中通過(guò)模擬計(jì)算了消聲窗的消聲量。

噪聲傳播途徑的控制是變電站最主要、最有效的噪聲控制措施，目前主要采用加裝不同的降噪吸聲材料的方式進(jìn)行噪聲的治理。

1.3對(duì)接受者進(jìn)行保護(hù)

對(duì)于一些無(wú)法或者不易采取降噪措施的工作場(chǎng)所，可以通過(guò)對(duì)工作人員進(jìn)行保護(hù)的措施來(lái)解決噪聲侵?jǐn)_問(wèn)題，主要包括佩戴防噪耳塞、耳罩、防噪頭盔等。對(duì)接受者進(jìn)行保護(hù)會(huì)影響工作人員的工作效率，因此一般不采用此種方法。

2　變電站降噪用吸聲材料及其性能概述

吸聲材料就是可以把聲能轉(zhuǎn)化為熱能的材料。按照其吸聲原理大致可以分為多孔吸聲材料和共振結(jié)構(gòu)兩大類。

當(dāng)聲波入射到多孔吸聲材料表面時(shí)，聲波的振動(dòng)帶動(dòng)材料內(nèi)小孔或間隙內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，與孔壁產(chǎn)生摩擦，孔壁和纖維表面的空氣不易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在摩擦和粘滯力的共同作用下，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到聲波衰減的目的[10]。共振吸聲結(jié)構(gòu)材料是通過(guò)材料結(jié)構(gòu)與聲波產(chǎn)生共振，將聲能損耗掉，最終使聲波在傳播過(guò)程中被逐漸削減[11]。

2.1多孔吸聲材料

2.1.1纖維吸聲材料

纖維吸聲材料包括有機(jī)纖維吸聲材料、無(wú)機(jī)纖維吸聲材料、金屬纖維材料[12]三種。

(1)有機(jī)纖維材料

有機(jī)纖維制品作為早期使用的吸聲材料在中高頻范圍內(nèi)具有良好的吸聲性能，主要有棉麻植物纖維、甘蔗纖維板、木質(zhì)纖維板、毛氈、植物纖維吸聲板、木絲板、稻草板等有機(jī)天然纖維材料，有機(jī)化學(xué)纖維類材料主要包括滌綸棉、聚酯纖維以及晴綸棉等[13]。這類材料的問(wèn)題是對(duì)低頻噪聲降噪效果差，防火、防潮、防腐能力較差，可用年限少，需要經(jīng)常更換，對(duì)環(huán)境的要求較高。

(2)無(wú)機(jī)纖維材料

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，無(wú)機(jī)纖維材料的種類不斷增多，玻璃棉、礦渣棉和巖棉等具有良好吸聲性能及防腐、防火、不易老化等特點(diǎn)的新材料逐漸取代了有機(jī)纖維吸聲材料，大量應(yīng)用于噪聲治理工程，并取得了良好的效果。但是無(wú)機(jī)纖維吸聲材料性脆易斷、質(zhì)地松軟，在材料斷裂后容易產(chǎn)生纖維粉末，形成揚(yáng)灰，污染環(huán)境。同時(shí)無(wú)機(jī)纖維材料普遍存在受潮后吸聲性能下降的問(wèn)題。

(3)金屬纖維材料

近年來(lái)，金屬纖維吸聲材料的研究發(fā)展快速，金屬纖維吸聲材料是金屬纖維(直徑10-5～10-4m)以一種特定的排列方式通過(guò)冷沖壓或高溫?zé)Y(jié)等工藝制作而成的新型材料。常用的金屬纖維材料有鋁纖維吸聲材料、連續(xù)銅纖維材料以及不銹鋼纖維材料等[14]。

鐘祥璋等[15]研究了鋁纖維吸聲板的吸聲性能、物理性及耐久性，結(jié)果表明當(dāng)板面密度為550 g/m2，厚度1.3 mm時(shí)，空腔深度由50 mm增加到200 mm，吸聲效果由0.69增加到0.82，吸聲板的吸聲系數(shù)在500 Hz以下得到很大提升；面密度為550 g/m2時(shí)，板厚度由1.2 mm增加到1.6 mm，吸聲系數(shù)大約提高了10%。王佐民等[16]研究了鋁纖維氈面密度對(duì)吸聲系數(shù)的影響，研究結(jié)果顯示隨著面密度的增加鋁纖維吸聲系數(shù)有所提高，在低于500 Hz的低頻段，吸聲效果增加明顯。當(dāng)鋁纖維面板的面密度不變，改變鋁纖維面板的厚度，隨厚度的增加中低頻部分的吸聲系數(shù)略有提高，高頻部分基本不變。丁宇翔等研究了孔隙率、厚度、纖維直徑和后空氣層等因素對(duì)連續(xù)銅纖維吸聲性能的影響。研究表明，隨孔隙率增加，吸聲系數(shù)大于0.5的起始頻率從2248 Hz增加到3256 Hz，共振峰吸聲系數(shù)可達(dá)1。隨著材料厚度的增加，吸聲曲線出現(xiàn)了多個(gè)峰值，第一共振頻率大幅向低頻方向移動(dòng)，吸聲系數(shù)大于0.5的起始頻率從2224 Hz降低至428 Hz[17]。

金屬纖維材料是一種環(huán)保型材料，具有力學(xué)性能好、質(zhì)量輕、吸聲性能優(yōu)異、耐高溫、耐凍等特點(diǎn)，特別適用于潮濕、高溫環(huán)境，但是相應(yīng)的生產(chǎn)成本較高，如何降低其經(jīng)濟(jì)成本是進(jìn)一步研究的方向。

2.1.2泡沫材料

泡沫材料按照其孔形式劃分,可分為閉孔、開(kāi)孔和半開(kāi)孔三種。微孔間互相封閉的稱為閉孔型泡沫材料，互相連通的稱為開(kāi)孔型泡沫材料，既有連通又有封閉的為半開(kāi)孔型泡沫材料[18]。聚氨酯泡沫塑料是一類新型的聲學(xué)材料，其不僅具有柔性材料的阻尼吸聲機(jī)理，也具有多孔材料的吸聲機(jī)理，具有較好的吸聲性能。

黃學(xué)輝等[19]以半硬質(zhì)聚氨酯泡沫體為吸聲骨料，水泥作為膠結(jié)材料，制成一種新型復(fù)合吸聲材料。分析了水灰比、引氣劑含量及孔徑大小對(duì)材料吸聲系數(shù)的影響。結(jié)果表明材料的最大平均吸聲系數(shù)為0.64，中低頻部分的吸聲效果很高。

周耿[20]使用慢回彈聚氨酯發(fā)泡材料作為基體材料，向基體中填充鋼渣粉，分析了不同材料層的復(fù)合以及填料的加入對(duì)降躁性能的影響。研究結(jié)果表明向基體材料中加入填料，材料隔聲性能加強(qiáng)；而不同材料層的復(fù)合，大幅提高了材料的隔聲性能和力學(xué)性能。

聚氨酯泡沫具有阻燃性好、容重輕、耐潮、易于切割和安裝方便等特點(diǎn)，適用于機(jī)電產(chǎn)品的隔聲屏障、消聲器等，但是其也存在低頻吸聲系數(shù)低及散熱性差等缺點(diǎn)，不太適合用于變電站降噪，尤其是特高壓變電站。

2.2共振吸聲結(jié)構(gòu)

共振吸聲結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用是微孔板，微孔板是把孔徑減小到絲米級(jí)，因?yàn)榇┛椎穆曌枧c其穿孔直徑成反比，從而增加了穿孔板的聲阻，使得微穿孔板具有了良好的吸聲性能。馬大猷教授于1975年提出微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)理論后，建立了微穿孔吸聲理論的計(jì)算方法[21-22]。

左言言等[23]對(duì)穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。討論了穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的共振吸聲原理，基于對(duì)穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲阻抗的討論，分析了穿孔率、空腔深度、板厚、孔徑等參數(shù)對(duì)吸聲性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微穿孔板在300～800 Hz時(shí)的吸聲系數(shù)較高。微穿孔板具有耐高溫、耐腐蝕及能承受高速氣流沖擊方便回收、無(wú)污染等特點(diǎn)，但其也存在吸聲頻帶不夠?qū)挼娜秉c(diǎn)。

2.3金屬纖維加微孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)

通過(guò)將微穿孔吸聲板與金屬纖維吸聲板進(jìn)行復(fù)合，研制出了一種新型吸聲材料—微孔纖維復(fù)合吸聲板，該板以微穿孔板為外層、金屬纖維板為內(nèi)層，通過(guò)兩者背后的空腔，組合成一種雙共振吸聲結(jié)構(gòu)[24]，該型復(fù)合材料極大的拓寬了吸聲頻帶，很好的解決了微孔板頻帶不夠?qū)挼娜秉c(diǎn)。

張燕等[25]將金屬纖維板加在穿孔板后，增加了板后空腔的深度，進(jìn)而使得穿孔板的聲阻變大，對(duì)新的吸聲復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能測(cè)試結(jié)果表明該復(fù)合結(jié)構(gòu)峰值頻率在630 Hz左右，吸聲結(jié)構(gòu)的低頻特性得到加強(qiáng)。祝志祥等[26]將鋁纖維吸聲板與微穿孔板組成的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)與玻璃棉的低頻消聲能力進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并將該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)用于某城市變電站噪聲治理，結(jié)果表明金屬纖維加微孔復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的低頻消聲優(yōu)勢(shì)明顯，加裝該新型材料后，變電站噪聲水平由55 dB下降到41 dB左右，已經(jīng)接近0類聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

樊超等[27]采用丹麥 B&K4206 型雙傳聲器阻抗測(cè)量管測(cè)量微孔纖維復(fù)合吸聲板(背腔120 mm)的聲學(xué)性能，研究結(jié)果顯示微孔纖維板在100 Hz時(shí)的吸聲系數(shù)在0.3左右，在200～1600 Hz之間的吸聲系數(shù)可以維持在0.8以上，峰值頻率出現(xiàn)在1200 Hz，此時(shí)吸聲系數(shù)接近1。

金屬纖維加微孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)散熱性能好、耐持久、質(zhì)量輕安裝方便，同時(shí)克服了微孔板頻帶不夠?qū)挼娜秉c(diǎn)，又兼具較高的低頻消聲能力，是變電站噪聲治理的理想吸聲材料。

3　結(jié)　論

隨著特高壓變電站的建設(shè)以及城市化發(fā)展的加快，變電站噪聲污染問(wèn)題必將受到越來(lái)越多的關(guān)注，研究能夠有效治理變電站噪聲的吸聲材料有助于解決這一問(wèn)題。本文分析了變電站常用吸聲材料及其吸聲性能，在此基礎(chǔ)上提出金屬纖維板加微孔復(fù)合板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)用于變電站噪聲治理，其良好的散熱性、輕便性、難持久性、寬頻性以及低頻消聲優(yōu)勢(shì)使其成為變電站噪聲治理中的理想吸聲材料。

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Review on the Noise Control Material

MA Xiao-guang

(Environmental Science and Engineering Institute,North China Electric Power University,Hebei Baoding 071003,China)

Three noise control methods,including noise source control,transmission route control and protection of receptor,were introduced critically.The different effects of current noise adsorption materials on the noise control were discussed in detail.The method using microporous fiber composite acoustic board was proposed to address the substation noise problem.It was pointed out that the microporous fiber composite acoustic board was considered as the promising ideal material due to its good heat dispersion,persistence,broadband,environmental-friendly property and advantages in low-frequency noise control.

substation; noise; sound-absorbing material

馬曉光(1988-)，男，研究生，主要從事噪聲振動(dòng)與控制應(yīng)用研究。

X593

A

1001-9677(2016)06-0037-03