城市變電站局域共振隔聲阻尼減振聲學(xué)超材料及特性研究

何真珍

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院）

0 引言

近年針對(duì)變電站或小區(qū)配變?cè)肼暤耐对V量呈逐年上升趨勢(shì)，環(huán)保部門對(duì)生產(chǎn)性噪聲的控制越來(lái)越嚴(yán)格，監(jiān)測(cè)力度越來(lái)越大。通過(guò)隔聲、吸聲、消聲、阻尼減振等措施，增加噪聲在傳播途徑中的能量損失是常采用降噪措施，但這些技術(shù)措施的可行性和實(shí)際效果取決于聲學(xué)材料及其標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，如隔聲產(chǎn)品、吸聲產(chǎn)品及消聲產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了不少系列產(chǎn)品，包括可視性隔聲屏障類型、微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)吸隔聲屏障類型、大孔板吸隔聲屏障類型、漸變腔式吸聲體、漸變腔式微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲體、平板大孔板吸聲體、微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)平板吸聲體、阻抗復(fù)合式通風(fēng)消聲器、通風(fēng)消聲吸隔聲百葉等。

受制于聲學(xué)材料的發(fā)展，目前這些標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中存在幾何尺寸、重量與降噪效果之間的矛盾。本文在此基礎(chǔ)上研制基于局域共振的阻尼材料和納米涂料兩款減振降噪材料。

1 局域共振基本理論

局域共振機(jī)制在聲子晶體的研究中具有重要意義。對(duì)于400Hz頻率的波，使用2cm厚的該種材料就能阻隔，從而打破了傳統(tǒng)的聲音傳播中的質(zhì)量密度定律。特殊結(jié)構(gòu)的薄膜聲學(xué)超材料具有超強(qiáng)的低頻隔聲、吸聲、減振等性能，將聲能或者振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，可以抑制一定頻率范圍的彈性波。

局域共振式的減振超材料常以“膜+質(zhì)量塊”的形式構(gòu)造，將彈性薄膜（通常為圓形）固定在框架上，同時(shí)將質(zhì)量塊固定在彈性薄膜上。當(dāng)聲波垂直于薄膜平面入射時(shí)，只要入射頻率和質(zhì)量塊在薄膜上的共振頻率相匹配，就能夠使得聲波被完全反射而不能透過(guò)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整質(zhì)量塊和薄膜的彈性模量，實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)較窄頻段聲波的衰減。將質(zhì)量環(huán)添加到薄膜型聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)中，該類結(jié)構(gòu)具有多個(gè)傳遞損失峰值，增加了傳遞損失峰值的頻帶寬度，可以抑制更多頻率的噪聲。

2 微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)聲學(xué)超材料的影響

薄膜型聲學(xué)超材料由支撐框架、彈性薄膜、附加質(zhì)量組成。通常，薄膜型聲學(xué)超材料單元的邊界固定，單元外形為矩形或正方形，附加質(zhì)量位于薄膜中心。常用的描述超材料聲學(xué)性能的參數(shù)如圖1所示，包括：第一個(gè)隔聲谷所處頻率位置f1，隔聲峰所處頻率位f2，第二個(gè)隔聲谷所處頻率位置f3；最大隔聲量TLmax；大于某一隔聲量TL0的頻帶寬度Bf。

圖1 描述聲學(xué)超材料調(diào)控規(guī)律的物理參數(shù)示意圖

1）薄膜面密度對(duì)隔聲量的影響。隨著薄膜面密度的增加，整個(gè)材料第一個(gè)隔聲谷頻率f1和隔聲峰頻率f2變化很小，而第二個(gè)隔聲谷頻率f3向低頻移動(dòng)。薄膜面密度增大時(shí)，最大隔聲量基本不變。在薄膜型聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)提高薄膜面密度來(lái)增加彈性薄膜的抗撕拉性能、防老化性能和阻尼耗散性能。

2）附加質(zhì)量面密度對(duì)隔聲量的影響。第一個(gè)隔聲谷頻率f1和隔聲峰頻率f2隨附加質(zhì)量面密度的增大而減小，第二個(gè)隔聲谷頻率f3幾乎不變化。當(dāng)附加質(zhì)量面密度增大時(shí)，頻帶寬度增大。在薄膜型聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)時(shí)，提高附加質(zhì)量面密度能夠有效提升薄膜型聲學(xué)超材料的隔聲性能。

3）薄膜尺寸對(duì)隔聲量的影響。隨著單元薄膜尺寸的增加，整個(gè)聲學(xué)超材料的隔聲性能迅速下降。隨著薄膜邊長(zhǎng)的增加，最大隔聲量的幅值變小。在薄膜型聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)時(shí)，作為支撐的格柵結(jié)構(gòu)的單元尺寸不能設(shè)計(jì)太大，減小單元尺寸能夠提高整個(gè)聲學(xué)超材料的低頻隔聲性能。

4）附加質(zhì)量尺寸對(duì)隔聲量的影響。隨著附加質(zhì)量邊長(zhǎng)的增加，整個(gè)薄膜型聲學(xué)超材料的特征頻率向高頻移動(dòng)，整個(gè)材料的隔聲性能變化不是太大。隨著附加質(zhì)量邊長(zhǎng)的增加，最大隔聲量的幅值減小，當(dāng)附加質(zhì)量邊長(zhǎng)增大時(shí)，頻帶寬度增大。在薄膜型聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要適當(dāng)增大附加質(zhì)量的底面積來(lái)更好地將重物與薄膜黏合在一起。

5）薄膜張緊力對(duì)隔聲量的影響。隨著薄膜張緊力的增加，整個(gè)材料的特征頻率向高頻移動(dòng)。

6）附加質(zhì)量位置對(duì)隔聲量的影響。當(dāng)附加質(zhì)量位于薄膜中心 c 點(diǎn)時(shí)，整個(gè)薄膜型聲學(xué)超材料的隔聲性能最優(yōu)，當(dāng)附加質(zhì)量偏離薄膜中心時(shí)，其隔聲性能下降，當(dāng)附加質(zhì)量位于薄膜中心時(shí)，最大隔聲量和頻帶寬度最優(yōu)。

3 局域共振試件制備及性能測(cè)試

局域共振板以6061牌號(hào)鋁板為基體，每塊板尺寸為471mm×185mm，板厚20mm。每塊板上制作18×7個(gè)晶格單元，每個(gè)單元的尺寸為20mm×20mm方形，薄膜材料是環(huán)氧樹脂，中心質(zhì)量塊為直徑7mm圓柱形鐵塊。被測(cè)試件共用16（4×4）塊局域共振板安裝在測(cè)試框架上拼成一個(gè)大塊的被測(cè)件，被測(cè)件外廓尺寸為2000mm×1000mm。

3.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

按照ISO 10140-2:2010《聲學(xué) 建筑構(gòu)件隔聲的試驗(yàn)室測(cè)量第2部分 空氣聲隔聲的測(cè)量》進(jìn)行檢測(cè)，參照ISO 717-1:1996《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件的隔聲評(píng)定 第1部分 空氣聲隔聲》進(jìn)行單值評(píng)價(jià)。

3.2 試驗(yàn)試件描述

為了增加對(duì)比性，試驗(yàn)試件共分三種結(jié)構(gòu)：光壁板；光壁板+航空隔音棉；光壁板+NAM-1501局域共振材料。

光壁板采用厚度為1.2mm的6061牌號(hào)鋁合金制作，外輪廓尺寸為2000mm×1000mm，包含5根隔框5根長(zhǎng)桁。其中隔框鈑金厚2mm，高度為50mm，寬度為30mm；長(zhǎng)桁鈑金厚2mm，高度為20mm，寬度為20mm。航空隔音棉容重為19.2kg／m3，厚度為25.4mm。NAM-1501的面密度為1.1kg/m2，單塊外廓尺寸為471mm×185mm。所有試件的有效測(cè)試面積為2000mm×800mm，四邊各留出寬度100mm區(qū)域用于安裝密封。

3.3 安裝描述

光壁板年與測(cè)試窗框架通過(guò)螺栓連接，測(cè)試窗框架預(yù)先嵌入聲源室和接收室間墻壁內(nèi)，試件與測(cè)試框架之間采用彈性密封墊固定。航空隔音棉和NAM-1501均面朝接收室鋪設(shè)于光壁板側(cè)。

3.4 測(cè)點(diǎn)和聲源布置

隔聲指數(shù)測(cè)量時(shí)，聲源室和接收室內(nèi)傳聲器測(cè)點(diǎn)以及無(wú)指向性聲源位置均符合ISO 10140標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2所示。接收室內(nèi)以左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，創(chuàng)建坐標(biāo)系X1O1Y1，三個(gè)方向的坐標(biāo)軸符合右手螺定則。聲源室內(nèi)以左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，創(chuàng)建坐標(biāo)系X1O1Y1，三個(gè)方向的坐標(biāo)軸符號(hào)右手螺旋定則。

圖2 隔聲指數(shù)測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)和聲源位置分布圖

接收室內(nèi)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)分別為：測(cè)點(diǎn)1（1820，1180，1500），測(cè)點(diǎn)2（2150，2700，1700），測(cè)點(diǎn)3（2030，2030，2100），測(cè)點(diǎn)4（1315，3575，1300），測(cè)點(diǎn)5（1200，2240，2200）。

聲源室內(nèi)5個(gè)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)聲源位置的三維坐標(biāo)分別為：測(cè)點(diǎn)1（1380，1340，1800），測(cè)點(diǎn)2（1310，3660，2000），測(cè)點(diǎn)3（2310，3910，1600），測(cè)點(diǎn)4（3130，4550，1400），測(cè)點(diǎn)5（3000，1860，2200），聲源位置1（4100，1500，1450），聲源位置2（4200，4000，1550）。

混響時(shí)間測(cè)量時(shí)，接收室內(nèi)傳聲器測(cè)點(diǎn)以及無(wú)指向性聲源位置均符合ISO 3382-2標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3所示。接收室內(nèi)以左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，創(chuàng)建坐標(biāo)系X1O1Y1，三個(gè)方向的坐標(biāo)軸符合右手螺定則。

聲源位于位置1時(shí)，接收室內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)和聲源位置1的三維坐標(biāo)分別為：測(cè)點(diǎn)1（1820，1180，1500），測(cè)點(diǎn)2（2150，2700，1700），測(cè)點(diǎn)3（2030，2030，2100），測(cè)點(diǎn)4（1315，3575，1300），聲源位置1（300，300，250）。

聲源室內(nèi)5個(gè)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)聲源位置的三維坐標(biāo)分別為：測(cè)點(diǎn)1（1380，1340，1800）,聲源位于位置2時(shí)，接收室內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)和聲源位置2的三維坐標(biāo)分別為：測(cè)點(diǎn)1（1200，2240，2200），測(cè)點(diǎn)2（2150，2700，1700），測(cè)點(diǎn)3（2030，2030，2100），測(cè)點(diǎn)4（1315，3575，1300），聲源位置2（3300，400，250）。

聲源位于位置3時(shí)，接收室內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)和聲源位置3的三維坐標(biāo)分別為：測(cè)點(diǎn)1（1820，1180，1500），測(cè)點(diǎn)2（2150，2700，1700），測(cè)點(diǎn)3（1315，3575，1300），測(cè)點(diǎn)4（1200，2240，2200），聲源位置3（3200，5500，250）。

圖3 混響時(shí)間測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)和聲源位置分布圖

3.5 數(shù)據(jù)處理

隔聲量：

式中，i為1或2，分別表示聲源位于位置1或位置2；Li1為經(jīng)背景噪聲修正后的聲源室能量平均聲壓級(jí)，dB；Li2為經(jīng)背景噪聲修正后的接收室能量平均聲壓級(jí)，dB；S為試件安裝測(cè)試洞口面積，本次測(cè)量S＝1.6m2；A為接收室吸聲量，m2。，其中V＝90m3；T為接收室混響時(shí)間。

平均隔聲量：

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果如圖4所示，參照ISO 717-1，隔聲指數(shù)單值評(píng)價(jià)結(jié)果（100～3150Hz）：類飛機(jī)壁板為RW=22dB；類飛機(jī)壁板+航空隔音棉為RW=26dB；類飛機(jī)壁板+NAM-1501為RW=29dB。

圖4 空氣聲隔聲量結(jié)果曲線

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在電站噪聲的主要頻率內(nèi)（100～2000Hz），光壁板＋NAM-1501試件具有較好的隔聲效果，比光壁板＋航空海棉試件約高3dB。

光壁板試件照片見圖5，航空海棉、NAM-1501局域共振試件照片見圖6。

圖5 光壁板試件照片

圖6 航空海棉、NAM-1501局域共振試件照片

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了局域共振結(jié)構(gòu)的隔聲機(jī)理和共振微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔聲效果的影響規(guī)律，制作了局域共振試件進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所制作的局域共振試件在電站噪聲頻段較“光壁板＋航空海棉”試件有較高的隔聲效能。