新型減振降噪材料在城市變電站的應(yīng)用研究

姚 明

(國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

近年針對變電站或小區(qū)配變噪聲的投訴量呈現(xiàn)出逐年上升趨勢，環(huán)保部門對生產(chǎn)性噪聲的控制越來越嚴(yán)格，監(jiān)測力度越來越大。通過隔聲、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，是常采用的降噪措施，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)消聲器和通風(fēng)消聲吸隔聲百葉等。

由于受制于聲學(xué)材料的制約，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)上研制出基于局域共振的阻尼材料和納米涂料兩款減振降噪材料，并在變電站項(xiàng)目中開展工程應(yīng)用。

1 局域共振基本理論

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?？梢酝ㄟ^調(diào)整質(zhì)量塊和薄膜的彈性模量，實(shí)現(xiàn)對某個(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，這類結(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)律的幾個(gè)物理參數(shù)示意圖

(1)薄膜面密度對隔聲量的影響。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。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)，可以通過提高薄膜面密度來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)量尺寸對隔聲量的影響。隨著附加質(zhì)量邊長的增加，整個(gè)薄膜型聲學(xué)超材料的特征頻率向高頻移動，整個(gè)材料的隔聲性能變化不是太大。隨著附加質(zhì)量邊長的增加，最大隔聲量的幅值減小，當(dāng)附加質(zhì)量邊長增大時(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)量的底面積來更好地將重物與薄膜黏合在一起。

(5)薄膜張緊力對隔聲量的影響。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。

(6)附加質(zhì)量位置對隔聲量的影響。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試

局域共振板以6061牌號鋁板為基體，每塊板尺寸為471 mm×185 mm，板厚20 mm。每塊板上制作18×7個(gè)晶格單元，每個(gè)單元的尺寸為20 mm×20 mm方形，薄膜材料是環(huán)氧樹脂，中心質(zhì)量塊為直徑7 mm圓柱形鐵塊。被測試件共用16(4×4)塊局域共振板安裝在測試框架上拼成一個(gè)大塊的被測件，被測件外廓尺寸為2 000 mm×1 000 mm。

3.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)

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

3.2 試驗(yàn)試件描述

為了增加對比性，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1.2 mm的6061牌號鋁合金制作，外輪廓尺寸為2 000 mm×1 000 mm,包含5根隔框5根長桁。其中，隔框鈑金厚為2 mm，高度為50 mm，寬度為30 mm；長桁鈑金厚為2 mm，高度為20 mm，寬度為20 mm。航空隔音棉容重為19.2 kg/m3,厚度為25.4 mm。NAM-1501的面密度為1.1 kg/m2，單塊外廓尺寸為471 mm×185 mm。所有試件的有效測試面積為2 000 mm×800 mm，四邊各留出寬度100 mm區(qū)域用于安裝密封。

3.3 安裝描述

光壁板與測試窗框架通過螺栓連接，測試窗框架預(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 測點(diǎn)和聲源布置

隔聲指數(shù)測量時(shí)，聲源室和接收室內(nèi)傳聲器測點(diǎn)以及無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，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)軸符號右手螺旋定則。

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

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

圖2 隔聲指數(shù)測量時(shí)，測點(diǎn)和聲源位置分布圖

混響時(shí)間測量時(shí)，接收室內(nèi)傳聲器測點(diǎn)以及無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)測點(diǎn)和聲源位置1的三維坐標(biāo)分別為：測點(diǎn)1(1820,1180，1500)，測點(diǎn)2(2150,2700，1700)，測點(diǎn)3(2030,2030，2100)，測點(diǎn)4(1315,3575，1300)，聲源位置1(300,300，250)。

聲源室內(nèi)5個(gè)測點(diǎn)和2個(gè)聲源位置的三維坐標(biāo)分別為：測點(diǎn)1(1380,1340，1800),聲源位于位置2時(shí)，接收室內(nèi)4個(gè)測點(diǎn)和聲源位置2的三維坐標(biāo)分別為：測點(diǎn)1(1200,2240，2200)，測點(diǎn)2(2150,2700，1700)，測點(diǎn)3(2030,2030，2100)，測點(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)測點(diǎn)和聲源位置3的三維坐標(biāo)分別為：測點(diǎn)1(1820,1180，1500)，測點(diǎn)2(2150,2700，1700)，測點(diǎn)3(1315,3575，1300)，測點(diǎn)4(1200,2240，2200)，聲源位置3(3200,5500，250)。

圖3 混響時(shí)間測量時(shí)，測點(diǎn)和聲源位置分布圖

3.5 數(shù)據(jù)處理

(1)

平均隔聲量：

R=-10 lg[(10-R1/10+10-R2/10)/2]

(2)

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

測試試驗(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)單值評價(jià)結(jié)果(100 Hz～3 150 Hz)：

類飛機(jī)壁板：RW=22 dB；

類飛機(jī)壁板+航空隔音棉：RW=26 dB；

類飛機(jī)壁板+NAM-1501：RW=29 dB。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在電站噪聲的主要頻率內(nèi)(100～2 000 Hz)，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3 dB。

4 結(jié)語

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。

圖4 空氣聲隔聲量結(jié)果曲線