變電站用隔聲性能優(yōu)化的裝配式墻板設計及試驗研究*

李 想， 莫 娟， 蔡紅軍， 劉守亮， 朱占巍， 姜在興， 馬裕超， 李毅剛

(1 中國電力科學研究院有限公司， 北京 100192； 2 國網(wǎng)北京市電力公司， 北京 100031)

0 前言

變電站在我國電力輸送過程中起到關鍵的樞紐作用[1]。近年來，隨著城市建設的快速發(fā)展，社會用電量的不斷攀升，許多變電站逐漸深入到人口密集的區(qū)域，城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的變電站越來越多，變電站噪聲對周圍居民的影響受到了社會的廣泛關注[2]。其中變壓器噪聲是戶內(nèi)變電站中噪聲的主要來源，噪聲頻率范圍主要集中在中低頻，同時也存在少部分高頻段噪聲[3-6]。噪聲控制方法主要包括隔聲、吸聲、隔振等[7-8]。在戶內(nèi)變電站建設方面，變電站模塊化建設已成為我國變電站設計主流，統(tǒng)一的設計深度和建設標準，可以提高施工效率，降低建設成本[9]。但是，模塊化裝配式戶內(nèi)變電站的圍護結構主要以鋁鎂錳夾芯板等輕質(zhì)墻體為主，對電力設備噪聲的控制能力是有限的。因為缺乏與戶內(nèi)變電站模塊化建設相匹配的噪聲治理方案，所以針對噪聲治理需求迫切的變電站，只能對其進行降噪改造工程，但這會大大增加建設成本。因此，開展戶內(nèi)變電站用高隔聲模塊化墻體結構設計，將設備的噪聲輻射控制在變電站內(nèi)部，開發(fā)出相較于降噪改造成本更加低廉、降噪效果顯著的高隔聲模塊化墻體結構，將噪聲治理方案與模塊化建設相適配，形成統(tǒng)一的定制式工程解決方案，具有重要的工程應用價值和較高的社會效益。

模塊化戶內(nèi)變電站的圍護結構以可裝配的金屬面夾芯板為主。關于墻板隔聲性能的理論研究主要有四種方法，分別為波傳遞法、模態(tài)分析法、統(tǒng)計能量分析法和數(shù)值分析法。波傳遞法是求解構件隔聲量的經(jīng)典方法，得到的規(guī)律主要是“質(zhì)量定律”和“吻合效應”，但是由于其未考慮構件的幾何尺寸，在低頻區(qū)域得到的隔聲量與實測值偏差較大[10-11]。模態(tài)分析法是在一側(cè)混響聲場激勵下，根據(jù)構件的模態(tài)信息和輻射特性，求解其振動響應和輻射聲場以及隔聲量；該方法的缺點在于復雜條件下構件在高頻區(qū)域的模態(tài)難以準確計算[12]。統(tǒng)計能量分析法基于統(tǒng)計平均概念，把聲振耦合系統(tǒng)的能量傳遞轉(zhuǎn)化為一組線性方程的求解；該方法只適合于高頻域計算，并且，聲振能量的非共振傳遞部分要根據(jù)具體問題作特殊考慮[13]。數(shù)值分析法主要包括有限元法和邊界元法。

關于墻板構件隔聲性能的測試技術也在不斷發(fā)展中。目前，構件隔聲的測試技術主要有混響室法、現(xiàn)場測量法、駐波管法等，這些測試技術各有優(yōu)勢和不足。混響室法作為測量構件隔聲的標準方法對測試條件的要求比較高?，F(xiàn)場測量法的缺點在于測試精度不高，無法避免側(cè)向傳聲的影響。駐波管法只能對一定尺寸的試件在固定頻率范圍內(nèi)測得隔聲量，因此，駐波管法多用于材料的隔聲性能測試，對于結構的隔聲性能評價存在較大的誤差[14]。除上述幾種最常用的方法外，構件隔聲的測試技術還包括混響室-消聲箱法[15]、脈沖聲測試隔聲法[16]、傳遞函數(shù)測試隔聲法[17]等等。本文需要測試不同墻體結構的隔聲性能，采用的是傳統(tǒng)的混響室法測試技術。

本文在原有模塊化戶內(nèi)變電站用的裝配式墻板的基礎上，根據(jù)墻板隔聲性能相關的理論依據(jù)，對其進行了隔聲性能優(yōu)化設計。采用混響室法對原墻板與新墻板進行了試驗研究，對其隔聲性能進行對比分析，最終提出了一種變電站用隔聲性能優(yōu)化的裝配式墻板。

1 理論依據(jù)

1.1 單層墻的隔聲

1.1.1 隔聲質(zhì)量定律

對于單層均勻墻，如果不考慮邊界條件，也就是假設墻板無限大，并且認為墻板是無剛性、無阻尼的柔順質(zhì)量。那么，就可以從理論上得到當聲波垂直入射時，該墻板的隔聲量R計算公式如下[18]：

R=20lgm+20lgf-43

(1)

式中：R為墻板的隔聲量，dB；m為墻板的面密度，kg/m2；f為入射聲波的頻率，Hz。

如果入射聲波方向為無規(guī)則入射，則式(1)可修正為[18]：

R=20lgm+20lgf-48

(2)

由式(1)和式(2)可以看出，墻板的隔聲量隨墻板的面密度和入射聲波頻率的增大而增大，墻板面密度或入射聲波頻率每增大一倍，墻板的隔聲量增大6dB。墻板的面密度越大其隔聲量就越大，這就是質(zhì)量定律。由于公式是在假設條件下得到的，實際中，墻板面密度或入射聲波頻率每增大一倍，墻板的隔聲量增大不了6dB。根據(jù)大量的隔聲試驗研究，墻板面密度每增大一倍，墻板的隔聲量增大5.4dB；而入射聲波頻率每增大一倍，墻板的隔聲量增大3.6dB。

1.1.2 隔聲頻率特性

根據(jù)質(zhì)量定律，在單層均勻墻的面密度一定的條件下，其隔聲量隨入射聲波頻率的增大而增大。但是在實際中，墻板的隔聲量與入射聲波頻率的關系還受到共振作用和吻合效應的影響，如圖1所示[18]。單層均勻墻的隔聲頻率特性與墻板的面密度、剛度、阻尼相關。

圖1 單層均勻墻的隔聲頻率特性

在圖1中，單層均勻墻的隔聲頻率特性分成了Ⅰ～Ⅲ三個區(qū)域。Ⅰ區(qū)域為剛度控制區(qū)，墻板的隔聲量隨入射聲波頻率的增大而減小，當入射聲波的頻率等于墻板的固有頻率時，墻板發(fā)生共振，此時墻板的隔聲量達到了最低值，由于墻板的固有頻率不止一個，因此共振區(qū)內(nèi)有不止一個共振頻率，其中影響最大的是第一共振頻率(f0)；發(fā)生共振時，墻板的阻尼越大，其對共振作用的抑制作用越明顯，墻板隔聲量隨入射聲波頻率的波動越小，且共振區(qū)越窄。隨入射聲波頻率繼續(xù)增大，共振現(xiàn)象消失，進入質(zhì)量控制區(qū)，即Ⅱ區(qū)域；在質(zhì)量控制區(qū)，墻板的隔聲量遵循質(zhì)量定律，即墻板的面密度保持不變時，其隔聲量隨入射聲波頻率的增大而增大；當入射聲波頻率再繼續(xù)增大時，墻板會因吻合效應而使其隔聲量大大減??；吻合效應是由于入射聲波與墻板的彎曲波在空間疊加時在相位上相互吻合而產(chǎn)生的，當入射聲波頻率到達臨界頻率fc時，發(fā)生吻合效應，隔聲量出現(xiàn)吻合谷，越過吻合谷以后，墻板的隔聲量會隨入射聲波頻率的增大而繼續(xù)增大，因此Ⅲ區(qū)域稱為臨界頻率控制區(qū)。從圖1中還可以看出，墻板的阻尼越大，吻合效應越不明顯，隔聲量下降的越少。

1.2 雙層墻的隔聲

如果把兩個單層墻中間留一定的間距就形成了雙層隔聲結構，兩墻中間有一個空腔。相比于把兩個單層墻粘在一起，擁有空腔的雙層墻結構，其隔聲性能更加優(yōu)異。這是由于空腔中的空氣具有彈性作用，和兩個單層墻之間形成了一個“質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)。聲波通過第一層單層墻的振動傳給空腔中的空氣，空氣再將聲波傳給第二層單層墻并最終通過第二層單層墻的振動向外輻射。由于空氣層的彈性作用起到了減振效果，使第二層單層墻的振動減小，其向外輻射的聲音也減小，從而提高了隔聲性能。

與單層墻相類似，雙層墻結構同樣遵循隔聲頻率特性和質(zhì)量定律。當外界聲波的頻率與雙層墻結構的固有頻率相等時，雙層墻結構會發(fā)生共振，聲能就會通過墻體大量向外輻射，這時墻體的隔聲性能會大大下降。雙層墻結構的共振頻率f0可由下式進行估算[18]：

(3)

式中：M1為第一層單層墻的面密度，kg/m2；M2為第二層單層墻的面密度，kg/m2；ρ0為空氣密度，kg/m3；C為空氣中聲速，m/s；d為兩墻板之間間距，m。

雙層墻結構同樣會有吻合效應，并且臨界頻率就是兩個單層墻的臨界頻率。因此，當兩個單層墻結構完全相同的時候，臨界頻率重合，隔聲頻率特性曲線在吻合谷下凹得很深，隔聲性能會大大地下降。反之，如果將兩個單層墻做成不同的結構，把每個單層墻的臨界頻率錯開，雖然會出現(xiàn)兩個吻合谷，但是每個吻合谷下凹得很淺，從而會大大提高雙層墻結構的隔聲性能。雙層墻結構同樣遵循質(zhì)量定律，其隔聲量R可以通過下式估算[18]：

R=16lg(M1+M2)+16lgf-30+ΔR

(4)

式中ΔR為雙層墻的附加隔聲量，dB。

另外，如果在雙層墻結構的中間填充多孔吸聲材料，增加雙層墻結構的阻尼，那么當雙層墻在共振頻率或臨界頻率附近發(fā)生劇烈振動時多孔吸聲材料可以起到減振作用，從而能夠進一步提高隔聲性能。

2 隔聲優(yōu)化的復合夾芯板設計

2.1 優(yōu)化前夾芯板的結構

目前，針對模塊化變電站，其建筑圍護結構多采用金屬面夾芯板，其截面如圖2所示，優(yōu)化前夾芯板各部分所用材料及尺寸如表1所示。

圖2 優(yōu)化前夾芯板的截面示意圖

優(yōu)化前夾芯板各部分所用材料及尺寸 表1

優(yōu)化前金屬面夾芯板結構，上面板為鋁鎂錳板，下面板為鍍鋁鋅鋼板，中間芯層為巖棉條，上下面板和芯層通過粘結劑粘接，夾芯板兩側(cè)的包邊由聚氨酯填充。當前的這種輕質(zhì)夾芯板技術方案能夠?qū)崿F(xiàn)變電站模塊化建設的需求，其安裝方便快捷，但是對變電站設備噪聲的控制能力有限，難以滿足變電站對圍護結構隔聲性能的要求。

2.2 夾芯板的隔聲優(yōu)化設計

針對目前使用的金屬面夾芯板，筆者對其進行了隔聲優(yōu)化設計。首先，是對芯層進行了改進，芯層改用芯層1+芯層2的方式。其中，芯層1采用10mm厚纖維水泥板，這可以顯著增強芯層的剛度和面密度，從而大大增強夾芯板墻體結構的隔聲性能，另外，纖維水泥板具有優(yōu)良的防火絕緣和防潮性能而且不易變形以及翹曲，非常適用于變電站的圍護結構；芯層2采用90mm厚巖棉條，巖棉作為多孔吸聲材料，充當芯層起到了彈性介質(zhì)和阻尼的作用，即可以起到減振的作用，從而能夠進一步提高夾芯板的隔聲性能。然后，上下面板改用0.8mm厚鍍鋁鋅鋼板，這樣可以增強金屬面的剛度，從而提高夾芯板的隔聲性能并且與纖維水泥板加巖棉的芯層膠合粘接時不易變形。最后，夾芯板的面板與芯層1、芯層2之間通過粘結劑粘接，夾芯板兩側(cè)采用聚氨酯包邊，其截面如圖3所示，隔聲優(yōu)化的夾芯板各部分所用材料及尺寸如表2所示。

圖3 隔聲優(yōu)化的夾芯板截面示意圖

隔聲優(yōu)化的夾芯板各部分所用材料及尺寸 表2

這種纖維水泥-巖棉多層復合夾芯板結構，其上下面板采用高剛度且加厚的鍍鋁鋅鋼板，芯層采用纖維水泥板加巖棉的組合形式，使用這種形式的芯層，提高了夾芯板的面密度，增強了夾芯板結構的整體剛度，提高了夾芯板的隔聲性能。這些設計在保證該多層復合夾芯板整體結構具有足夠的機械強度、穩(wěn)定性、安全性外，優(yōu)化了其隔聲性能。下面將用試驗的方法對這種隔聲優(yōu)化的夾芯板的隔聲性能進行進一步的測試和分析。

3 試驗方法及結果

3.1 試驗方法

本文對構件隔聲性能的測量方法采用混響室測量法，即按照《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第3部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》(GB/T 19889.3—2005/ISO 140—3∶1995)[19]的相關規(guī)定進行測試?；祉懯覝y量法的實驗室由兩個相鄰的混響室和一個控制室組成，混響室的體積不應小于50m3，兩個混響室中一個是聲源室，一個是接收室，兩個混響室之間為填隙墻，填隙墻上具有測試洞口以供安裝構件，如圖4所示。

圖4 混響室測量法示意圖

進行隔聲測量時，將構件安裝于測試洞口并用硅酮密封膠將四周密封，使得聲音只通過測試構件傳透。然后，通過控制信號發(fā)生器產(chǎn)生所需聲音的電信號，再經(jīng)過功率放大器將信號進行放大，通過揚聲器將電信號轉(zhuǎn)化成聲信號，聲源室就產(chǎn)生了所需的聲波。聲源室內(nèi)的聲功率要足夠高，使得接收室內(nèi)的聲壓比環(huán)境聲壓至少要高出10dB。等到聲源室內(nèi)聲場穩(wěn)定之后，對兩間混響室的聲壓進行測量并采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后利用隔聲量計算公式計算得出被測樣品的隔聲量。另外，在《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第3部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》(GB/T 19889.3—2005/ISO 140—3∶1995)的附錄C：聲源的技術要求和布置中，對聲源的數(shù)量、位置等有明確的要求。本文的試驗滿足附錄C中相關規(guī)定，這樣測得的墻板隔聲量的試驗結果不受聲源室中的聲源位置或者聲波入射方向的影響，反映的是墻板本身固有的隔聲性能。圖5為測試洞口和控制室實景照片，圖6為優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板安裝于測試洞口的實景照片。

圖5 測試洞口和控制室實景照片

圖6 測試構件安裝于測試洞口的實景照片

根據(jù)《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第3部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》(GB/T 19889.3—2005/ISO 140—3∶1995)，隔聲量R的計算公式如下：

(5)

式中：L1為聲源室內(nèi)平均聲壓級，dB；L2為接收室內(nèi)平均聲壓級，dB；S為構件面積，m2；A為接收室內(nèi)吸聲量，m2。

3.2 試驗結果

圖7為優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板在100～5 000Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程隔聲特性曲線。從優(yōu)化前夾芯板的隔聲特性曲線中可以看出，在低頻區(qū)，160Hz處由于共振使夾芯板的隔聲量出現(xiàn)了一個谷值；頻率超過160Hz后，在160～400Hz范圍內(nèi)，隔聲量隨頻率的增大逐漸增大；但是，超過400Hz后，在400～2 500Hz頻率范圍內(nèi)，隔聲量隨頻率的增大基本保持不變，始終維持在30dB左右；在頻率超過2 500Hz以后，夾芯板的隔聲量才又隨著頻率的增大逐漸增大。

圖7 優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板在100～5 000Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程隔聲特性曲線

從隔聲優(yōu)化的夾芯板在100～5 000Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程隔聲特性曲線中可以看出，在低頻區(qū)，160Hz處由于共振使夾芯板的隔聲量出現(xiàn)了一個谷值；頻率超過160Hz后，在160～500Hz范圍內(nèi)，隔聲量隨頻率的增大快速增大；但是，超過500Hz后，在500～1 000Hz頻率范圍內(nèi)，隔聲量隨頻率的增大而減小，并且在1 000Hz處出現(xiàn)了由于吻合效應而產(chǎn)生的一個吻合谷，在吻合谷即1 000Hz處夾芯板的隔聲量為32.1dB；頻率超過1 000Hz以后，夾芯板的隔聲量隨著頻率的增大而快速增大。

圖8為優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板隔聲特性曲線對比圖，灰色區(qū)域為隔聲優(yōu)化的夾芯板在各個頻帶上的隔聲量超出優(yōu)化前夾芯板的部分。從圖8中可以看出，隔聲優(yōu)化的夾芯板在各個頻帶上的隔聲量均優(yōu)于優(yōu)化前夾芯板，其中，隔聲優(yōu)化的夾芯板在其吻合谷1 000Hz處的隔聲量超出的最少。如果以1 000Hz為界，在小于1 000Hz的中低頻區(qū)，隔聲優(yōu)化的夾芯板的平均隔聲量為32.3dB，比優(yōu)化前夾芯板的平均隔聲量超出了5.5dB；在大于1 000Hz的中高頻區(qū)，隔聲優(yōu)化的夾芯板的平均隔聲量為45.0dB，比優(yōu)化前夾芯板的平均隔聲量超出了12.7dB。這說明，優(yōu)化后的夾芯板無論在中低頻區(qū)還是在中高頻區(qū)其隔聲量都有了較大幅度的提高，優(yōu)化設計的效果明顯。

圖8 優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板隔聲特性曲線對比圖

進一步對優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板的試驗結果進行對比，見表3。從表3中可以看出，隔聲優(yōu)化的夾芯板的面密度為36.060kg/m2，是優(yōu)化前夾芯板的面密度的1.909倍，而其計權隔聲量已經(jīng)達到了39dB，比優(yōu)化前夾芯板的計權隔聲量增大了8dB，這進一步說明了優(yōu)化設計的效果良好。另外，經(jīng)過粉紅噪聲頻譜修正量修正后，隔聲優(yōu)化的夾芯板的隔聲量比優(yōu)化前夾芯板的增大了6dB，此項指標反映了對中高頻噪聲的隔聲效果。經(jīng)過交通噪聲頻譜修正量修正后，隔聲優(yōu)化的夾芯板的隔聲量比優(yōu)化前夾芯板增大了5dB，此項指標反映了對中低頻噪聲的隔聲效果。這兩項指標進一步說明了優(yōu)化后的夾芯板無論在中高頻區(qū)還是在中低頻區(qū)其隔聲效果都有了較大的提高，這也與前面對隔聲特性曲線的分析是一致的。

優(yōu)化前夾芯板和隔聲優(yōu)化的夾芯板試驗結果對比 表3

4 結論

(1)隔聲優(yōu)化設計的纖維水泥-巖棉多層復合夾芯板結構，其上下面板采用高剛度且加厚的鍍鋁鋅鋼板，芯層采用纖維水泥板加巖棉的組合形式，使用這種形式的芯層，可以提高夾芯板的面密度，增強夾芯板結構的整體剛度，提高夾芯板的隔聲性能。

(2)隔聲優(yōu)化的夾芯板在各個頻帶上的隔聲量均優(yōu)于優(yōu)化前夾芯板，無論在中低頻區(qū)還是在中高頻區(qū)其隔聲量都有了較大幅度的提高，優(yōu)化設計的效果明顯且優(yōu)化后的夾芯板在提高其隔聲性能的同時依然具有機械強度高、保溫隔熱性能好、防火等優(yōu)點。