居民楼房结构噪声传递的优化治理

徐禄文，邹岸新

(重庆市电力公司电力科学研究院,重庆401123)

居民楼房结构噪声传递的优化治理

徐禄文，邹岸新

(重庆市电力公司电力科学研究院,重庆401123)

居民楼内由水泵房、配电房以及中央空调等设施引起的结构传声问题，越来越受到人们关注。由此，以配电房为例，对声源处结构传声、空气传声、孔洞衍射声三种传播途径的声功率进行了预测，并对结构传声治理提出了隔振设计方案，通过对各设计参数与材料的优化与比选，使结构传声部分的噪声量降低14～20 dB。治理的方案有一定的参考价值。

声学；居民楼；结构传声；隔振

随着城市用地日趋紧张，水泵房、配电房以及中央空调等居民楼配套设施大多布置在楼层底部或楼顶。这些设施在运行时会产生一定程度的振动，并激发环境噪声的传播，严重时会对邻近居民产生干扰，甚至影响其生活与休息[1]。有关居民楼结构传声问题的环保投诉和纠纷日渐增多，影响社会的和谐与稳定。针对这一问题，采用传统的吸声、隔声或消声治理措施，很难达到理想的效果。本文以居民楼内的配电变压器为例，通过现场振动测试，对其结构传声机理进行了深入分析；文中对隔振方案进行了研究，为居民楼结构传声分析及优化治理提供一种技术参考。

1 配电房噪声的来源及特征

1.1 噪声源分析

居民楼内配电房声源主要是变压器运行产生的电磁噪声和机械噪声。电磁噪声主要由硅钢片的磁致伸缩和绕组中的电磁力引起的，机械噪声则是设备振动、冷却风扇运转引起的。研究表明，变压器噪声主要是由心磁致伸缩引起，铁心励磁时，由晶粒间交换作用力引起的硅钢片尺寸沿磁力线方向伸长、垂直于磁力线方向缩短[2]。该伸缩使得铁心随着励磁频率和磁通密度的变化而发生周期性的振动，进而产生本体噪声。

1.2 变压器振动频率特征

由于磁致伸缩周期恰恰是电源频率（电源基频50 Hz）的半个周期，所以磁致伸缩引起的变压器本体的振动是以两倍的电源频率为其基频，故配电变压器铁心振动的频谱范围通常在100～500 Hz之间。图1某小区配电房内变压器实测的振动信号频谱图，根据实测信号分析，该变压器振动向外传递的主要频率为100 Hz及其倍频200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz，故其振动属于高频振动。对于不同容量的电力变压器，其振动频谱有所不同，额定容量越大，基频所占的比例越大，谐频分量越小，而额定容量越小，基频成分越小，谐频分量越大[9]。

图1 铁心支座振动频谱图

1.3 配电房及居民室内噪声频率特征

噪声频率划分范围：小于300 Hz为低频声，300～1 000 Hz为中频声，大于1 000 Hz为高频声[2]。依据同类地区大量噪声测试研究，该小区配电房内噪声峰值频率范围在205～301 Hz，基本属低频噪声源；在夜间居民室内噪声峰值频率多出现在125～250 Hz之间，室内噪声明显呈低频特性，其声压级多小于42.7 dB。

2 配电房噪声传播途径及声功率分析

2.1 传播途径分析

对该小区配电房结构及周边环境大量调查与测试研究，配电房噪声基本以以下几种途径向楼内住户传播，如图2所示。

1)变压器振动通过基础、墙体等构配件传播至居民室内墙面(楼面)，墙面(楼面)振动再次激发空气振动，产生二次噪声；

2)直接经由墙体、楼板等结构构件振动而传递的低频噪声；

3)配电房内空气声通过门窗等孔洞衍射，然后通过住宅门窗等孔缝传播至居民室内[3]。

前两种均以弹性波的形式在固体结构中传播(即结构传声)。该结构性噪声频率低，而低频声波在固体中传播其能量随距离的增加衰减较小，此亦是结构传声在建筑物中影响范围广的主要原因。

图2 配电房噪声的传播途径

2.2 噪声源声功率估算

相关研究资料表明：同一振源对不同传播途径声功率的大小不仅与声源振动的强度有关，还与传播介质的声阻抗、有效辐射面积等有关[4，5]。所取研究小区配电房内安装一台SC(B)10-00/10型号的干式变压器，其防护罩尺寸为1.41×0.98×1.082 m，器身总重量为2 832 kg，激振基频为f=100 Hz，测得变压器支座振动加速度有效值为ae1=0.26 m/s2，防护罩振动加速度有效值为ae2=0.56 m/s2，速度有效值分别为ve1=0.04 cm/s2，ve2=0.09 cm/s2。底座槽钢与混凝土基础(或回填土地基)刚性接触有效接触面积S1=0.98× 0.1×2≈0.2 m2，防护罩与空气接触有效辐射面积约为S2=6.55 m2。表1是三种传播途径在噪声源处声功率的估算值。

表1 三种传播途径在噪声源处声功率估算值

按平面波传播理论计算得出上述三种方式所传递的声功率之比为0.233 6(0.092)：2.12×10-3：5.3× 10-6，约为44 075(17 358)：400：1。显然，为控制变压器引起的相邻房间噪声污染，变压器设施振动所引起的结构传声不可忽视。

3 结构传声治理—隔振设计

1）变压器常规隔振系统力学模型如图3所示，变压器铁心、铁轭、夹件、绕组等呈对称设计，可把变压器简化一个集中质量m，隔振系统刚度设为k，系统阻尼为c，隔振系统的动力学模型其运动微分方程：m x¨+c x˙+k x=F0·sinω t，隔振系统受到的扰动力幅值为F0，扰动频率为ω；

图3 变压器隔振系统

2）扰动力F0和传递力FT分析：变压器铁心的水平和垂向扰动力均较小，且主要隔离其垂向振动。简化为质点纵向振动后，仅在垂向上受铁心和绕组振动的扰动力，F0=m a=2 832×0.26=736.3 N，可见扰动力不大。传递力为FT，有阻尼时FT由两个部分组成：一部分为弹簧力幅值(kx0)；一部分为阻尼力，对粘性阻尼其力幅为(cωx0)；

3）扰动频率f与铁心自振频率f z分析：变压器的扰动频率以100 Hz为基频，含有倍频200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz，通常基于基频设计，同时铁心的自振频率应避开下列频率区：75～125 Hz、165～235 Hz、275～325 Hz、375～425 Hz等。通过有限元软件计算和经验公式计算，SC(B)10-800型变压器铁心固有频率离共振带较远，表2为其铁心自振频率的计算结果；

表2 变压器铁心固有频率

4）确定隔振系统的固有频率f0和传递率TA：根据隔振设计原理不论阻尼比(ζ/ζc)多大，只有(f/f0)＞1.414时，TA才小于1。从技术和经济角度考虑，最佳频率比取f/f0=2.5～4.5，最佳阻尼比取ζ/ζc= 0.05～0.2[6]，则f0=22～40 Hz；传递率

5）附加质量块和载荷：为了提高基座刚度（底座为2根98 cm长的10#槽钢刚度较小）、减小设备振幅、改善机组平衡性能及质量分布的均匀性、使隔振器受力均匀，可考虑增加一个刚度足够大（厚度控制在15～20 cm）、面积同变压器底面积的钢筋混凝土质量块。系统静荷载34 207 N，动荷载较小可忽略，合力作用点位于变压器轮廓的几何形心，每只隔振器均匀承受的载荷为5701 N（设用6只相同刚度隔振器）；

6）隔振器的选择[6-7]：由于钢弹簧容易传递高频振动，且横向刚度较小，故当f0＞15 Hz时，宜选用软木、压缩型橡胶材料设计隔振器，材料阻尼比ζ/ζc= 0.025～0.2。表3为软木、橡胶型隔振器设计计算结果，依据表3所示隔振器设计计算，最终选择的弹性阻尼隔振器尺寸见表4。该橡胶隔振器的受力类型为压缩型，橡胶材料具有适量的阻尼，可以吸收振动能量，对高频振动能量的吸收尤为有效，通常在30 Hz以上已相当明显，其工作频段较宽广，在5～3 500 Hz，能使高频的结构噪声显著降低，通常能使100～3 200 Hz频段中的结构噪声降低达20 dB左右[8]。

表3 软木/橡胶隔振器设计计算

为了验证不同隔振材料的隔振效果，研究人员通过利用不同材料的隔振器对某小区的配变的结构传声实际治理效果进行了现场测试。测试结果如表5所示。从表中可以看出，橡胶隔振材料可以达到很好的效果；

表4 弹性隔振器尺寸

表5 隔振效果

7）隔振器的安装与布置：在水平与垂向均对称于变压器重心轴线安装和布置，保持变压器主要表现垂向振动，不引起任何型式的其他振动，图4为隔振器布置图；

图4 隔振器布置图

8）相关部件的柔性联接与固定：采取隔振机组振幅将有所增加，则与机组相关的桥架、电缆、管道等均宜采用柔性联接，电缆应有一定的拉伸余量，柔性接头之外的管道等应采用弹性支承，管道等过墙或过楼板应加设弹性垫为佳；

9）毗邻房间噪声减低量理论值，软木隔振器1：传递率TA=0.065，降噪量NR=23.7 dB；软木隔振器2：传递率TA=0.042，降噪量NR=27.5 dB；橡胶隔振器3：传递率TA=0.095，降噪量NR=20.4 dB；

10）通过对某小区配电房结构传声进行治理，现场测试，发现橡胶型隔振材料能够获得较好的效果。

4 结语

(1)从噪声源传播路径分析，对三种典型传播途径的声功率进行了估算，其比为4 075(17 358)：400：1，表明水泵房、配电房以及中央空调设施等居民楼配套设施在运行时产生的结构传声不可忽视；

(2)针对配电房结构传声，提出了隔振系统的治理方案。通过优化设计系统的参数与材料的比选，该系统可以使得配电房毗邻房间结构传声部分的噪声减量达到14～20 dB；

(3)水泵房或中央空调等居民楼配套设施运行时产生的结构传声，其机理与配电变压器相同。因此，该隔振系统治理方案不仅适用于配电房，同样适用于水泵房或中央空调等引起的居民楼结构传声问题。

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[6]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1986：33-36.

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Optimal Control of Structure-borne Noise Transm ission of Residential Buildings

XU Lu-wen,ZOU An-xin

(Power Science Research Institute,Chongqing Power Company,Chongqing 401123,China)

In recent years,more and more attentions have been paid to the structure-borne noise transmission in resident buildings caused by water pump room,power distribution room and central air conditioning facilities.In this paper,taking the power distribution room as an example,the sound powers of three transm ission forms,including structural transm ission of sound source,air transm ission of sound,and sound hole-diffraction,are forecasted.A design scheme of vibration isolation for structural sound transmission control is put forward.Through the optimization of design parameters and material selection,the noise of the structural sound transm ission part can be reduced by 14～20 dB.So,this scheme is of the value for reference.

acoustics;residential building;structure-borne noise transmission;vibration isolation

TB5；TB533

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.033

1006-1355(2014)01-0146-04

2013-02-05

徐禄文：男（1967-）四川广安人，高级工程师，目前从事电网环保及噪声优化控制技术研究。

E-mail:xuluwen1000@sina.com

邹岸新（1985-），男，湖北黄冈人，助理工程师，目前从事电磁场计算及噪声振动控制研究。

E-mail:331501253@qq.com