变电站降噪吸声材料研究进展

马晓光

(华北电力大学环境科学与工程学院，河北　保定　071003)



变电站降噪吸声材料研究进展

马晓光

(华北电力大学环境科学与工程学院，河北保定071003)

基于国内外研究文献，介绍了噪声源控制、传播途径控制、对接受者进行保护三种噪声控制方法，结合现有变电站噪声主要控制方法，论述了各种降噪吸声材料对变电站噪声的治理效果，针对变电站噪声低频特性，提出采用微孔纤维复合吸声板解决变电站噪声超标问题，微孔纤维复合吸声板所具有的良好散热性、耐持久性、宽频性、环保性以及低频消声优势使其成为变电站降噪治理的理想材料。

变电站；噪声；吸声材料

变电站作为输变电工程中的重要组成部分，在电网运行中有着不可或缺的作用，城市建设日新月异，居民小区、商业区的楼房越来越密集，变电站也越来越靠近居民区，变电站带来的噪声污染环境问题越来越严重。噪声对人体的危害主要变现有以下几个方面：影响听力，严重时甚至可以引起暂时性耳聋；影响工作人员之间的交流，阻碍正常工作的进行；干扰人们的休息，使人产生疲劳感，容易引发安全事故[1]。因此加强噪声控制，降低噪声污染已经变得刻不容缓[2]。本文介绍了噪声控制的几种常用方法及变电站主要降噪控制措施，分析并提出了一种新型的适合变电站降噪治理的理想材料。

1　变电站噪声控制方法

噪声控制技术可以分为无源控制技术和有源控制技术两种，噪声传播主要包括噪声源、传播介质、接受者三部分[3]，噪声控制的主要方法就是对这三个部分分别进行控制。

1.1噪声源控制

噪声源控制技术就是通过降低声源的声功率级来达到消减噪声的目的，主要是通过改进产生噪声设备的生产工艺，优化设备结构，提高加工精度，增加减振防护垫等方法从根本上减弱声源的振动。

变压器噪声主要是由于变压器内部铁心与绕组的振动引起的，降低变压器的振动能够有效减弱变压器的声功率级。现有的优化措施主要包括选用优质铁心硅钢片、提高铁心硅钢片的加工工艺、优化磁屏蔽结构设计、设计合理的冷却系统等[4]。噪声源控制技术是最根本也是最有效的方法，但是其难度也是最大的，现有技术很难完全解决变压器噪声影响问题，而且对于已经建成的变电站也无法采用此措施。

1.2传播途径控制

噪声传播途径的控制主要是采用吸声技术、隔声技术、消声技术、阻尼技术等[5-6]对传播中的声波进行吸收、阻隔，最终达到消除噪声影响的目的。吸声技术是指采用吸声材料将入射的声能吸收消耗掉，减少声波的反射作用，从而达到降低声源传播方向上的噪声值的目的；隔声技术是将入射的声波尽可能的反射，使得透射的声能变小，进而降低另一侧的噪声；阻尼技术是采用阻尼材料将一部分声能吸收转化为热能，一部分声能以位能的形势贮存起来，最终抑制噪声的传播。

在20世纪80年代，为了抑制变压器本体的振动噪声，美国等国家开始试验采用弹簧金属片在变压器上安装高效隔音板，同时考虑加装吸声材料，使隔音板的降噪效果更加明显有效[7]。祝志祥等[8]针对变压器噪声的低频特性，介绍了现有的吸声材料的种类和性能特点，从降噪控制的有效性与经济性方面分析了新型吸声结构对于变电站换流站噪声的治理效果。白志勇[9]在原有隔声罩的基础上，考虑变电站噪声的特性，采取扩张式和迷宫式相结合的方法设计出一种新型消声器，并在SYSNOISE软件中通过模拟计算了消声窗的消声量。

噪声传播途径的控制是变电站最主要、最有效的噪声控制措施，目前主要采用加装不同的降噪吸声材料的方式进行噪声的治理。

1.3对接受者进行保护

对于一些无法或者不易采取降噪措施的工作场所，可以通过对工作人员进行保护的措施来解决噪声侵扰问题，主要包括佩戴防噪耳塞、耳罩、防噪头盔等。对接受者进行保护会影响工作人员的工作效率，因此一般不采用此种方法。

2　变电站降噪用吸声材料及其性能概述

吸声材料就是可以把声能转化为热能的材料。按照其吸声原理大致可以分为多孔吸声材料和共振结构两大类。

当声波入射到多孔吸声材料表面时，声波的振动带动材料内小孔或间隙内的空气运动，与孔壁产生摩擦，孔壁和纤维表面的空气不易产生运动，在摩擦和粘滞力的共同作用下，使一部分声能转化为热能，从而达到声波衰减的目的[10]。共振吸声结构材料是通过材料结构与声波产生共振，将声能损耗掉，最终使声波在传播过程中被逐渐削减[11]。

2.1多孔吸声材料

2.1.1纤维吸声材料

纤维吸声材料包括有机纤维吸声材料、无机纤维吸声材料、金属纤维材料[12]三种。

(1)有机纤维材料

有机纤维制品作为早期使用的吸声材料在中高频范围内具有良好的吸声性能，主要有棉麻植物纤维、甘蔗纤维板、木质纤维板、毛毡、植物纤维吸声板、木丝板、稻草板等有机天然纤维材料，有机化学纤维类材料主要包括涤纶棉、聚酯纤维以及晴纶棉等[13]。这类材料的问题是对低频噪声降噪效果差，防火、防潮、防腐能力较差，可用年限少，需要经常更换，对环境的要求较高。

(2)无机纤维材料

随着材料科学的不断发展，无机纤维材料的种类不断增多，玻璃棉、矿渣棉和岩棉等具有良好吸声性能及防腐、防火、不易老化等特点的新材料逐渐取代了有机纤维吸声材料，大量应用于噪声治理工程，并取得了良好的效果。但是无机纤维吸声材料性脆易断、质地松软，在材料断裂后容易产生纤维粉末，形成扬灰，污染环境。同时无机纤维材料普遍存在受潮后吸声性能下降的问题。

(3)金属纤维材料

近年来，金属纤维吸声材料的研究发展快速，金属纤维吸声材料是金属纤维(直径10-5～10-4m)以一种特定的排列方式通过冷冲压或高温烧结等工艺制作而成的新型材料。常用的金属纤维材料有铝纤维吸声材料、连续铜纤维材料以及不锈钢纤维材料等[14]。

钟祥璋等[15]研究了铝纤维吸声板的吸声性能、物理性及耐久性，结果表明当板面密度为550 g/m2，厚度1.3 mm时，空腔深度由50 mm增加到200 mm，吸声效果由0.69增加到0.82，吸声板的吸声系数在500 Hz以下得到很大提升；面密度为550 g/m2时，板厚度由1.2 mm增加到1.6 mm，吸声系数大约提高了10%。王佐民等[16]研究了铝纤维毡面密度对吸声系数的影响，研究结果显示随着面密度的增加铝纤维吸声系数有所提高，在低于500 Hz的低频段，吸声效果增加明显。当铝纤维面板的面密度不变，改变铝纤维面板的厚度，随厚度的增加中低频部分的吸声系数略有提高，高频部分基本不变。丁宇翔等研究了孔隙率、厚度、纤维直径和后空气层等因素对连续铜纤维吸声性能的影响。研究表明，随孔隙率增加，吸声系数大于0.5的起始频率从2248 Hz增加到3256 Hz，共振峰吸声系数可达1。随着材料厚度的增加，吸声曲线出现了多个峰值，第一共振频率大幅向低频方向移动，吸声系数大于0.5的起始频率从2224 Hz降低至428 Hz[17]。

金属纤维材料是一种环保型材料，具有力学性能好、质量轻、吸声性能优异、耐高温、耐冻等特点，特别适用于潮湿、高温环境，但是相应的生产成本较高，如何降低其经济成本是进一步研究的方向。

2.1.2泡沫材料

泡沫材料按照其孔形式划分,可分为闭孔、开孔和半开孔三种。微孔间互相封闭的称为闭孔型泡沫材料，互相连通的称为开孔型泡沫材料，既有连通又有封闭的为半开孔型泡沫材料[18]。聚氨酯泡沫塑料是一类新型的声学材料，其不仅具有柔性材料的阻尼吸声机理，也具有多孔材料的吸声机理，具有较好的吸声性能。

黄学辉等[19]以半硬质聚氨酯泡沫体为吸声骨料，水泥作为胶结材料，制成一种新型复合吸声材料。分析了水灰比、引气剂含量及孔径大小对材料吸声系数的影响。结果表明材料的最大平均吸声系数为0.64，中低频部分的吸声效果很高。

周耿[20]使用慢回弹聚氨酯发泡材料作为基体材料，向基体中填充钢渣粉，分析了不同材料层的复合以及填料的加入对降躁性能的影响。研究结果表明向基体材料中加入填料，材料隔声性能加强；而不同材料层的复合，大幅提高了材料的隔声性能和力学性能。

聚氨酯泡沫具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点，适用于机电产品的隔声屏障、消声器等，但是其也存在低频吸声系数低及散热性差等缺点，不太适合用于变电站降噪，尤其是特高压变电站。

2.2共振吸声结构

共振吸声结构的主要应用是微孔板，微孔板是把孔径减小到丝米级，因为穿孔的声阻与其穿孔直径成反比，从而增加了穿孔板的声阻，使得微穿孔板具有了良好的吸声性能。马大猷教授于1975年提出微穿孔板吸声结构理论后，建立了微穿孔吸声理论的计算方法[21-22]。

左言言等[23]对穿孔板吸声结构的声学特性进行了理论分析与计算。讨论了穿孔板吸声结构的共振吸声原理，基于对穿孔板吸声结构声阻抗的讨论，分析了穿孔率、空腔深度、板厚、孔径等参数对吸声性能的影响，实验结果表明微穿孔板在300～800 Hz时的吸声系数较高。微穿孔板具有耐高温、耐腐蚀及能承受高速气流冲击方便回收、无污染等特点，但其也存在吸声频带不够宽的缺点。

2.3金属纤维加微孔板复合吸声结构

通过将微穿孔吸声板与金属纤维吸声板进行复合，研制出了一种新型吸声材料—微孔纤维复合吸声板，该板以微穿孔板为外层、金属纤维板为内层，通过两者背后的空腔，组合成一种双共振吸声结构[24]，该型复合材料极大的拓宽了吸声频带，很好的解决了微孔板频带不够宽的缺点。

张燕等[25]将金属纤维板加在穿孔板后，增加了板后空腔的深度，进而使得穿孔板的声阻变大，对新的吸声复合结构的吸声性能测试结果表明该复合结构峰值频率在630 Hz左右，吸声结构的低频特性得到加强。祝志祥等[26]将铝纤维吸声板与微穿孔板组成的复合吸声结构与玻璃棉的低频消声能力进行了对比试验，并将该复合吸声结构用于某城市变电站噪声治理，结果表明金属纤维加微孔复合吸声结构的低频消声优势明显，加装该新型材料后，变电站噪声水平由55 dB下降到41 dB左右，已经接近0类声环境质量标准。

樊超等[27]采用丹麦 B&K4206 型双传声器阻抗测量管测量微孔纤维复合吸声板(背腔120 mm)的声学性能，研究结果显示微孔纤维板在100 Hz时的吸声系数在0.3左右，在200～1600 Hz之间的吸声系数可以维持在0.8以上，峰值频率出现在1200 Hz，此时吸声系数接近1。

金属纤维加微孔板复合吸声结构散热性能好、耐持久、质量轻安装方便，同时克服了微孔板频带不够宽的缺点，又兼具较高的低频消声能力，是变电站噪声治理的理想吸声材料。

3　结　论

随着特高压变电站的建设以及城市化发展的加快，变电站噪声污染问题必将受到越来越多的关注，研究能够有效治理变电站噪声的吸声材料有助于解决这一问题。本文分析了变电站常用吸声材料及其吸声性能，在此基础上提出金属纤维板加微孔复合板的复合吸声结构用于变电站噪声治理，其良好的散热性、轻便性、难持久性、宽频性以及低频消声优势使其成为变电站噪声治理中的理想吸声材料。

[1]王娜,张珂.变电站内噪声的危害及防治[J].中国电力教育,2010(S1):347-348.

[2]姜海.110 kV、220 kV变电站噪声识别评价系统构建及控制技术工艺研究[D].合肥工业大学工资源与环境工程学院,2014.

[3]罗梦莹.主动噪声控制研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[4]彭明聪.大型电力变压器减振降噪技术应用研究[D].北京:北京交通大学电气工程学院,2015.

[5]谭闻,张小武.电力变压器噪声研究与控制[J].高压电器，2009(02):70-72.

[6]朱从云,赵则祥,李春广,等.噪声控制研究进展与展望[J].噪声与振动控制,2007(03):1-8.

[7]潘家玮.变电站的噪声分析与降噪控制策略研究[D].华南理工大学电力学院,2014.

[8]祝志祥,林冶,聂京凯,等.变电站(换流站)低频噪声吸声材料的研究[J].华东电力,2011(03):357-361.

[9]白志勇，李功宇，黄志亮，等.新型干式变压器通风消声窗研究[J].科学技术与工程,2009(18):5485-5489.

[10]罗剑,张兰军,李星平.多孔材料在公路吸声降噪上的应用与探讨[J].山西建筑,2008(27):192-193.

[11]段翠云,崔光,刘培生.多孔吸声材料的研究现状与展望[J].金属功能材料,2011(01):60-65.

[12]朱纪磊,汤慧萍,王建永,等.金属纤维多孔材料加工过程中孔结构保护研究[J].粉末冶金工业,2007(06):24-27.

[13]李海涛,朱锡,石勇,等.多孔性吸声材料的研究进展[J].材料科学与工程学报,2004(06):934-938.

[14]汤慧萍,朱纪磊,王建永,等.不锈钢纤维多孔材料的吸声性能[J].中国有色金属学报,2007(12):1943-1947.

[15]钟祥璋.吸声材料的新进展[A].第九届全国建筑物理学术会议论文集[C].南京，2004.

[16]王佐民,俞悟周.铝纤维板共振结构声学特性的理论初析[J].声学技术,2005(03):183-185.

[17]丁宇翔,徐颖,徐宁.连续铜纤维多孔材料吸声性能的研究[J].西北工业大学学报,2012(04):553-557.

[18] Ashby M,Lu Tian jian.Metal foams:A survey[J].Science in China(Series B),2003(06):521-532.

[19]黄学辉,唐辉,陶志南.高性能聚氨酯基多孔复合吸声材料的研究[J].材料导报,2007(06):152-154.

[20]周耿.慢回弹聚氨酯隔声复合材料的制备及性能研究[D].杭州:浙江理工大学材料与纺织学院,2010.

[21]马大猷.微穿孔板吸声结构的理论和设计[J].中国科学,1975(01):38-50.

[22]马大猷.微穿孔板吸声体的准确理论和设计[J].声学学报,1997(05):385-393.

[23]左言言,周晋花,刘海波,等.穿孔板吸声结构的吸声性能及其应用[J].中国机械工程,2007(07):778-780.

[24]马大猷.组合微穿孔板吸声结构[J].噪声与振动控制,1990(03):3-9.

[25]张燕,崔喆,陈花玲.金属纤维材料的吸声特性及应用研究[J].噪声与振动控制,1999(05):32-36.

[26]祝志祥,韩钰，聂京凯,等.变电站降噪用铝纤维吸声材料[J].中国电力,2012(07):57-61.

[27]樊超,聂京凯,肖伟民,等.变电站降噪用吸声材料的研究[J].中国电力,2014(04):144-147.

Review on the Noise Control Material

MA Xiao-guang

(Environmental Science and Engineering Institute,North China Electric Power University,Hebei Baoding 071003,China)

Three noise control methods,including noise source control,transmission route control and protection of receptor,were introduced critically.The different effects of current noise adsorption materials on the noise control were discussed in detail.The method using microporous fiber composite acoustic board was proposed to address the substation noise problem.It was pointed out that the microporous fiber composite acoustic board was considered as the promising ideal material due to its good heat dispersion,persistence,broadband,environmental-friendly property and advantages in low-frequency noise control.

substation; noise; sound-absorbing material

马晓光(1988-)，男，研究生，主要从事噪声振动与控制应用研究。

X593

A

1001-9677(2016)06-0037-03