室內(nèi)干式配電變壓器噪聲聲場(chǎng)傳播特性及治理

李鐵楠，胡勝，吳曉文，彭繼文，盧鈴

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

室內(nèi)干式配電變壓器噪聲聲場(chǎng)傳播特性及治理

李鐵楠，胡勝，吳曉文，彭繼文，盧鈴

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

建立了典型結(jié)構(gòu)室內(nèi)配電變壓器的噪聲空氣聲場(chǎng)傳播有限元模型，對(duì)噪聲在空氣中傳播和衰減的基本特性進(jìn)行了定量計(jì)算，分析了聲源強(qiáng)度、物體表面吸聲系數(shù)、聲源位置三個(gè)主要因素對(duì)聲場(chǎng)分布特性的影響，并根據(jù)所得傳播和衰減規(guī)律，提出了相應(yīng)的治理方案，取得了良好的控制效果。

配電變壓器；有限元；空氣聲；噪聲治理

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快以及人民生活水平的不斷提高，電力系統(tǒng)用電負(fù)荷逐漸增加。電力變壓器是電能分配與傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，受制于土地供給控制和城市規(guī)劃，同時(shí)為了降低受端線路電壓損耗，越來越多配電變壓器被安裝在居民區(qū)周邊或者居民樓的地下室中〔1－2〕。

居民小區(qū)配電變壓距居民較近，特別是位于居民樓地下室結(jié)構(gòu)中的變壓器，其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，往往能夠?qū)π^(qū)居民的正常生活造成困擾。隨著我國(guó)環(huán)境法規(guī)的不斷完善以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，小區(qū)配電變壓器噪聲擾民問題已經(jīng)成為電力行業(yè)投訴的焦點(diǎn)。因此，變壓器噪聲控制是需要研究的重要課題〔3－4〕。

通過仿真計(jì)算來定量研究配電變壓器噪聲在空氣聲場(chǎng)中的傳播及衰減規(guī)律，得到其聲場(chǎng)在空間的分布特性，將有助于配電變壓器噪聲治理研究工作的進(jìn)行?？紤]到聲源在空氣聲場(chǎng)中的放射傳播特性，本文在此基礎(chǔ)上建立了噪聲在兩層多房間結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)聲源傳播輻射模型，分別對(duì)影響聲場(chǎng)空間分布的三個(gè)主要因素——聲源大小、物體表面的吸聲系數(shù)及聲源位置進(jìn)行分析，得到相關(guān)結(jié)論，并提出相應(yīng)的治理方案。

1 噪聲空氣聲場(chǎng)傳播理論

在非理想狀況下，入射聲波在經(jīng)過房間界面與空氣的接觸面時(shí)，會(huì)有一小部分聲能量被邊界吸收，而不能全部反射。界面對(duì)聲波的吸收，可以采用特性阻抗的模型以簡(jiǎn)化問題，即定義邊界上某點(diǎn)的法向特性阻抗zn為其聲壓值與法向速度之比，而與界面上其他點(diǎn)的法向速度無關(guān)。法向特性阻抗在不同頻率、不同位置、不同界面上可能會(huì)有所不同，通常滿足其中，ρ0為媒質(zhì)處于靜態(tài)時(shí)的媒質(zhì)密度，c為聲波傳播的速度。

給定房間內(nèi)部的一個(gè)點(diǎn)聲源，分析房間內(nèi)點(diǎn)源激發(fā)的聲場(chǎng)，即房間的格林函數(shù)，滿足方程〔5－7〕:

式中 ▽2為拉普拉斯算子；P為聲壓，k為波數(shù)，r為聲場(chǎng)位置，r′為聲源位置。

式中 S為邊界面；n為邊界面向外方向的單位矢量。

通過計(jì)算可得

能量的衰減規(guī)律為e－t/τ。其中，τ為衰減快慢的度量。房間體積V與邊界面積S之比越大，墻壁的法向特性阻抗越高，衰減越慢。因此，非剛性的界面使每個(gè)模式的振動(dòng)隨著時(shí)間衰減。

射線在界面上連續(xù)兩次反射間的空間平均距離為:

式中 ˉn為射線在單位時(shí)間內(nèi)被界面反射的次數(shù)的平均值，該公式對(duì)于一般形狀的房間同樣適用。

如果聲源停止作用時(shí)房間內(nèi)的聲場(chǎng)是擴(kuò)散聲場(chǎng)，由大量的射線組成，平均能量是ˉE。經(jīng)過邊界的一次反射射線的能量下降了1－ˉα倍，ˉα為邊界的總吸聲系數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間t，所有射線經(jīng)過邊界反射的平均次數(shù)為ˉnt，平均能量密度下降到:

可見，室內(nèi)的聲能量隨時(shí)間指數(shù)衰減。房間聲學(xué)中把聲場(chǎng)下降60 dB，即平均聲能密度自原始值衰變到百萬分之一所需時(shí)間為混響時(shí)間，記作T60。根據(jù)分貝的定義得到著名的賽賓公式:

入射聲波在界面上反射，界面吸收能量，所吸收的聲能量與入射聲能量的比成為能量的吸聲系數(shù)，由界面的材料性質(zhì)決定。設(shè)界面材料的法向特性阻抗為zn，則

式中 Pi，Pr為界面上入射波和反射波的聲壓；Vin和Vrn為界面上入射波和反射波的法向速度；θ為入射角。

法向特性阻抗很大的界面對(duì)擴(kuò)散聲場(chǎng)的吸聲系數(shù)為:

式 (9)給出了法向特性阻抗和吸聲系數(shù)之間的關(guān)系。

2 變壓器噪聲空氣聲場(chǎng)建模及仿真

2.1 變壓器噪聲空氣聲場(chǎng)模型搭建

空氣途徑是噪聲傳播的主要途徑之一，為了能夠分析和定量計(jì)算噪聲通過此途徑的傳播和衰減過程，建立的室內(nèi)空氣聲場(chǎng)模型采用雙層多房間結(jié)構(gòu)。房間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 房間結(jié)構(gòu)模型

房間分為兩層，尺寸為長(zhǎng)10 m，寬度6 m，高度5 m。內(nèi)部設(shè)有10個(gè)房間，房間之間設(shè)置有相應(yīng)的門窗結(jié)構(gòu)，在一層和二層之間通過樓梯間形成通道。

僅從研究傳播途徑及衰減的角度來說，變壓器噪聲在沿著空氣途徑傳播時(shí)，可以將聲源等效為一個(gè)點(diǎn)聲源或者體聲源置于模型中的某個(gè)位置。因此，在此模型中，主要的變量分別為聲源與墻壁的吸收率。聲源大小和位置的不同，會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定差異。由于沒有必要研究房間中每一個(gè)點(diǎn)的聲音傳播規(guī)律，因此，只需選取部分有代表性的結(jié)構(gòu)作為參考的依據(jù)。同時(shí)應(yīng)該注意到，聲源的大小對(duì)于傳播途徑的影響不大，無論發(fā)聲體強(qiáng)度如何，產(chǎn)生的噪聲會(huì)沿著相同的路徑傳播。因此，本文主要研究不同位置點(diǎn)造成的影響。

為了方便起見，將各個(gè)房間都進(jìn)行編號(hào)。具體如圖2所示。其中，聲源位于2號(hào)房間，聲功率為10－4W。7號(hào)房間下面是9號(hào)房間，10號(hào)房間位于8號(hào)房間之下，11號(hào)房間旁邊。除去樓梯所占用的第6單元，其他的10個(gè)單元均為房間結(jié)構(gòu)。

圖2 各單元編號(hào)

2.2 邊界條件設(shè)置

在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，需要對(duì)11個(gè)編號(hào)的單元結(jié)構(gòu)設(shè)定初始的聲能量密度為0。對(duì)于每個(gè)房間而言需要單獨(dú)設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。在實(shí)際中，墻壁、天花板、地板和門窗等結(jié)構(gòu)對(duì)于聲波的吸收率是有差異的，需要分別進(jìn)行設(shè)置。其中，設(shè)墻壁的吸收率α為0.05。

聲音在傳播過程中遇到不同介質(zhì)玻璃時(shí)會(huì)發(fā)生折反射，這個(gè)過程中存在能量損耗。窗戶的作用就是空氣－固體－空氣的過程，兩次反射，自然聲音的能量就降低了。且考慮到表面光滑的物體對(duì)于聲音的吸效率較低，此處取吸收率為α為0.01。

天花板結(jié)構(gòu)一般都比墻壁結(jié)構(gòu)粗糙，相對(duì)的吸聲率也會(huì)高一些，設(shè)定α為0.1。需要注意的是，在此模型中，1樓的天花板結(jié)構(gòu)與2樓地板之間是相互獨(dú)立的，不是同一結(jié)構(gòu)。在研究空氣途徑傳播時(shí)，僅考慮傳播途徑中不同介質(zhì)之間的損耗和吸收率，但不考慮經(jīng)過多次折射進(jìn)入下一區(qū)間的情況。

考慮到地板和墻體所用的材料不一，為了方便區(qū)分，設(shè)置地板的吸聲率為0.15。實(shí)際上不同材料的吸聲率存在很大的差異，表面的粗糙程度也能夠?qū)ξ暵试斐奢^大的影響，以上因素?zé)o法一一驗(yàn)證。

在不同的房間之間設(shè)置聲場(chǎng)傳輸耦合邊界條件。在給出的模型中，房間相當(dāng)于一個(gè)聯(lián)合體，而非整體。研究噪聲在空氣通道中的傳播，需要建立房間與房間之間的連通關(guān)系，在仿真模型中通過耦合實(shí)現(xiàn)的?？紤]到聲波通過門框結(jié)構(gòu)時(shí)候能量會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，不失一般性，設(shè)置傳輸損耗為5 dB。

2.3 仿真結(jié)果

聲壓級(jí)的分布如圖3所示，聲源點(diǎn) (即等效變壓器所在位置)聲壓級(jí)最大，達(dá)到了79.4 dB。與此同時(shí)，2號(hào)房間在整個(gè)仿真模型的10個(gè)房間結(jié)構(gòu)中，噪聲最大。當(dāng)聲音有直接的空氣通道可以流通時(shí)，噪聲的傳播衰減較小。如在同一層相鄰的房間，聲壓的減小相對(duì)較小。但是對(duì)于沒有直接空氣通道的房間，噪聲的衰減是非常明顯的，如圖所示2號(hào)房間正上方的房間中，聲音強(qiáng)度已經(jīng)衰減到55 dB，最大衰減了24.4 dB。

圖3 房屋結(jié)構(gòu)中的聲壓分布

房間中的聲能量密度分布如圖4所示，與聲壓分布有類似的規(guī)律，同樣是在聲源點(diǎn)附近的聲能量密度最大，在同一個(gè)房間中，衰減相對(duì)較小。往相鄰房間傳播時(shí)，聲能量密度會(huì)相對(duì)較大的減小，而繼續(xù)往不相鄰的房間傳播時(shí)，衰減幅度較大的。

圖4 房屋結(jié)構(gòu)中的聲能量密度分布

通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲源點(diǎn)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的最大聲壓和最小聲壓會(huì)發(fā)生變化，但是這并不影響其分布和衰減特性。當(dāng)聲源強(qiáng)度只是小范圍變化時(shí) (±50%)，室內(nèi)聲壓分布變化較小。當(dāng)聲源強(qiáng)度以指數(shù)形式增長(zhǎng)或者衰減時(shí)，其最大最小分貝值重新分布如圖5所示。可以看到，聲源強(qiáng)度每提高10倍，相應(yīng)的表現(xiàn)在最大和最小分貝值上面會(huì)有10 dB左右的變化。

圖5 聲源強(qiáng)度指數(shù)變化時(shí)的影響

聲源點(diǎn)位置由原來的2號(hào)房間變到8號(hào)房間時(shí)，所得到的各個(gè)房間中的聲壓將重新分布，具體如圖6所示?？梢钥吹?，當(dāng)聲源點(diǎn)的位置改變時(shí)，聲壓級(jí)的分布也隨之改變，考慮到具體位置的不同，同樣聲源強(qiáng)度在不同位置時(shí)，所產(chǎn)生的最大和最小分貝值是不同的。

通過調(diào)整聲源位置四周墻壁的吸聲系數(shù)，將吸聲系數(shù)由原來的0.05調(diào)整到0.2，新的聲壓分布云圖如圖7所示。

圖6 聲源位置變化時(shí)聲壓級(jí)分布

圖7 吸聲系數(shù)調(diào)整時(shí)聲壓級(jí)分布

可以看到，調(diào)整吸聲系數(shù)后，最大聲壓級(jí)和最小的聲壓級(jí)數(shù)值有所降低，但變化不大。最大聲壓級(jí)的變化要小于最小聲壓級(jí)，其原因在于，最大聲壓級(jí)分布在聲源附近，吸聲材料很難改變發(fā)聲體周圍的聲場(chǎng)分布，對(duì)通過吸聲材料之后的聲場(chǎng)分布產(chǎn)生的影響相對(duì)較大。從仿真的結(jié)果來看這種影響很有限。

3 噪聲抑制方法及實(shí)驗(yàn)研究

國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)于配電變壓器減振降噪的研究工作較少。抑制噪聲和振動(dòng)的方法主要可以分為三大類:被動(dòng)控制、振源主動(dòng)控制和振動(dòng)抑制〔8－11〕。

被動(dòng)控制主要是從變壓器噪聲的傳播路徑上入手，需要選擇合適的位置安裝吸聲板，在屋內(nèi)墻壁上涂抹吸聲材料形成隔聲屏障，同時(shí)設(shè)置隔振帶增大振動(dòng)在傳播方向上的阻尼。該方式需要外部配置冷卻風(fēng)扇，易造成變壓器安裝困難，使用成本增加，降噪效果并不明顯。

主動(dòng)控制主要是通過噪聲相互抵消的方法來達(dá)到降噪的目的。理論上，可在變壓器周圍人為安裝噪聲源，其發(fā)出的聲信號(hào)與變壓器噪聲相位相反，能夠在一定程度上抵消變壓器的噪聲，從而起到降低噪聲的效果。但該方法需要對(duì)變壓器本體振動(dòng)規(guī)律有比較深入的把握，目前在理論上研究的較為深入，實(shí)際工程應(yīng)用效果有待提高。

考慮經(jīng)濟(jì)因素，為變壓器安裝減振底座是一種降低變壓器噪聲的有效方法，安裝方法如圖8所示。安裝了減振底座之后，通過空氣場(chǎng)傳播的噪聲得到了有效的抑制，具體效果如圖9所示。

圖8 干式變壓器減振底座安裝示意圖

圖9 安裝減震墊前后變壓器噪聲水平變化

4 結(jié)論

在對(duì)配電變壓器噪聲傳播特性的研究工作中，仿真模型的準(zhǔn)確性是整個(gè)研究的關(guān)鍵。本文建立了空氣聲場(chǎng)的等效有限元計(jì)算模型，將變壓器等效為一個(gè)點(diǎn)放射聲源，研究了兩層10個(gè)房間結(jié)構(gòu)中噪聲在空氣中的衰減及傳播規(guī)律。在本仿真中，主要的參數(shù)和變量是聲源的強(qiáng)度、物體表面的吸聲系數(shù)及聲源的位置?？梢钥闯觯瑢?duì)噪聲的傳播和分布影響最大的還是聲源的位置，物體的吸聲系數(shù)一般較難改變，在實(shí)踐中，其值往往在0.1～0.6之間，仿真的結(jié)果表明，其變化所造成的衰減低于5 dB。通過給配電變壓器安裝減振底座來減小聲源振動(dòng)，從而抑制噪聲的手段，其效果可以達(dá)到10 dB，符合降噪需要，在工程實(shí)踐中可以作為主要噪聲控制手段。

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Acoustic Field Propagation Characteristics of Indoor Dry Distribution Transformer Noise and Its Control Technology

LI Tienan，HU Sheng，WU Xiaowen，PENG Jiwen，LU Ling
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A finite element model(FEM)of noise field propagation in a typical two-storey ten-room structure for distribution transformer is established.The basic characteristics of noise propagation and attenuation in the air are quantitatively calculated，by analyzing the influence of three main factors，the sound source intensity，surface acoustic absorption coefficient and the position of sound source，on the distribution of sound field.According to the law of noise propagation and attenuation，corresponding noise control techniques are proposed，which is proved to be effective by measurement.

distribution transformer；finite element；air borne noise；noise control

TM41

:A

:1008-0198(2017)02-0015-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.004

2016-07-15 改回日期:2016-09-29

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司科技項(xiàng)目 (5216A5140021)

李鐵楠(1965)，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，主要從事電力設(shè)備噪聲與振動(dòng)控制方面的工作。