铝纤维板的复合结构吸声性能分析

周 兵，涂 琪，倪 园，王延召，李晨辉，胡静竹

（1.中国电力科学研究院 电网环境保护国家重点实验室，武汉 430074；2.华中科技大学 材料成型与模具技术国家重点实验室，武汉 430074）

铝纤维板的复合结构吸声性能分析

周 兵1，涂 琪2，倪 园1，王延召1，李晨辉2，胡静竹1

（1.中国电力科学研究院 电网环境保护国家重点实验室，武汉 430074；2.华中科技大学 材料成型与模具技术国家重点实验室，武汉 430074）

为了解决变电站低频噪声问题，研制两种铝纤维板复合结构材料。首先基于阻抗管法分析铝纤维的面密度和空腔对低频吸声性能的影响，然后将铝纤维板分别与聚酯纤维、亥姆霍兹共振器进行组合形成复合结构材料，接着分析复合材料的低频吸声性能。结果表明，铝纤维的面密度对吸声系数影响较小，而增大空腔厚度可一定程度提高铝纤维板的低频吸声系数，但100 Hz处吸声系数仍然不理想；铝纤维板-聚酯纤维复合结构和铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构相较于铝纤维板低频吸声性能均有很大的提高，特别是100 Hz的吸声系数最高可达到0.9以上，可用于变电站低频降噪。

声学；变电站；低频噪声；铝纤维板；吸声性能；复合结构

随着我国经济的高速发展，用电需求不断增大，越来越多的变电站被建设在城市人口密集区域，给周围居民带来了噪声污染问题[1–2]。国家强制性标准《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB12348-2008）规定了固定设备排放的噪声，通过建筑结构传播至噪声敏感建筑物室内时，31.5 Hz～500 Hz频率范围内的倍频带声压级不能超过某一限值。因此位于城区的部分室内变电站面临噪声超标问题[3]。而且，随着居民环保意识的提高，针对变电站噪声扰民的投诉越来越多[2]。通过技术手段解决变电站噪声超标、扰民问题，已成为电网公司及环保部门的当务之急。

变压器是变电站最主要的噪声来源。变压器噪声包括电磁振动噪声和冷却装置的机械噪声。电磁噪声主要是由硅钢片磁致伸缩振动产生的，频率分布在100 Hz基频及200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz谐振频率上，以低频为主；辅助冷却装置噪声以500 Hz～4 000 Hz中高频为主[4–6]。低频噪声衰减缓慢，波长较长，能轻易地穿越障碍物[7]，其传播距离可以很远，是变电站噪声治理的重点和难点。

采用吸声、隔声技术是变电站最常用的降噪措施[8]，铝纤维板是一种应用广泛的吸声材料，但研究表明其在100 Hz～500 Hz的平均吸声系数特别是100 Hz处的吸声系数较低[9–12]，不能满足变电站低频降噪的要求。因此为了提高铝纤维板的低频吸声性能，在研究铝纤维板面密度和空腔大小对其吸声系数的影响的基础上，提出了两种基于铝纤维的复合结构材料，将铝纤维分别与聚酯纤维和亥姆霍兹共振器进行组合，得到复合结构，并分析了复合结构的低频吸声性能，得到可适用于变电站降噪的复合材料。

1 铝纤维吸声性能分析

铝纤维板由孔径大小不同的上下两层铝网板和中间一层的铝箔和铝纤维毡组成，通过辊压机压成1.0 mm～3.0 mm厚的薄板，具有密度小，力学性能、耐候性能优良以及加工性能好等优点。选用了4种规格的铝纤维板，其包含网板的面密度和对应的厚度分别为：1 605 g/m（21.55 mm）、1 881 g/m（21.75 mm）、2 659 g/m（22.0 mm）、3 128 g/m（22.85 mm），分别记作1#、2#、3#、4#样品，将他们加工成直径为100 mm的圆形试样。

1.1 测试与分析方法

试验设备采用AWA 6290T型传递函数吸声系数测量系统，采用阻抗管进行测量，试验筒长度为300 mm，试样筒内径为100 mm，可测量吸声频率范围为 50 Hz～1600 Hz。测量方法根据 GB/T 18696.2—2002《声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》的规定执行。分别测量四种不同铝纤维板在背后空腔为100 mm时的吸声系数并进行对比，选择性能最好的一种铝纤维板，然后分别测量其在背后空腔为0、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm时的吸声系数，重点分析其低频吸声特点。

1.2 面密度对铝纤维板吸声性能的影响

分别测量1#、2#、3#、4#样品在空腔为100 mm时的吸声系数，结果如图1所示。

图1 不同面密度的铝纤维板在空腔为100 mm时的吸声系数

由图1可知，四种铝纤维板在低频段的吸声系数比较接近，特别是在100Hz的吸声系数都比较小，可见面密度对铝纤维板的吸声系数影响较小，从成本上考虑，选择1#铝纤维板进行后续试验分析。

1.3 空腔大小对铝纤维板吸声性能的影响

测量1#铝纤维板在背后空腔分别为0、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm时的吸声系数，得到吸声曲线如图2所示，得到100 Hz频率、第1共振吸声峰值频率处的吸声系数、50 Hz～1 600 Hz的平均吸声系数和100 Hz～500 Hz的平均吸声系数如表1所示。

由图2可以看出，当没有空腔时，铝纤维板的吸声系数很低，小于0.2。增加空腔后，铝纤维板的吸声系数显著增加，并在共振频率处出现峰值，峰值吸声系数接近1。随着空腔厚度的增大，共振吸声峰逐渐向低频移动，共振吸声峰的个数也逐渐增加，但随着空腔的厚度增加，峰值频率向低频移动的幅度逐渐减小。在50 Hz～1 600 Hz频段，随着空腔厚度的增大，共振吸声峰的个数也逐渐增多，相邻两个共振吸声峰之间的距离逐渐减小，并且出现了共振吸声谷，吸声特性曲线出现剧烈波动，如同正弦曲线一样。

表1 1#铝纤维板在不同空腔时的吸声系数统计

图2 空腔大小对1#铝纤维板吸声性能的影响

表1表明随着空腔厚度增加，铝纤维板在100 Hz～500 Hz的平均吸声系数先增大后减小，最大值达0.8以上；100 Hz处的吸声系数逐渐增大，当空腔为300 mm时，最大值只有0.512，可见铝纤维板在低频段尤其是100 Hz处的吸声系数仍然偏低。

2 铝纤维复合结构吸声性能分析

由前面的分析可知仅通过对铝纤维板进行参数优化不能得到低频吸声效果理想的结构。因此本文将铝纤维与聚酯纤维和亥姆霍兹共振器进行组合得到复合结构材料，来改善其低频段的吸声性能。采用的聚酯纤维容重为40 kg/m3，厚度为50 mm，同样将其加工成直径为100 mm的圆形，亥姆霍兹共振器由铝合金加工而成，其共振频率为100 Hz，颈部长度为142 mm。

2.1 铝纤维板-聚酯纤维复合结构的吸声性能分析

铝纤维板与聚酯纤维的复合结构如图3所示，分别将铝纤维板设置在聚酯纤维前面和后面形成两种复合结构。

图3 铝纤维板和聚酯纤维复合结构

将铝纤维板-聚酯纤维复合结构放入阻抗管试样筒中，铝纤维板分别前置和后置，调节复合结构与后壁之间的空腔大小，分别测量当空腔厚度为75 mm、125 mm、175 mm、225 mm时的吸声系数，其吸声曲线如图4所示。

图4 铝纤维板-聚酯纤维复合结构的吸声曲线

分别得到两种复合结构在100 Hz处的吸声系数，50 Hz～1 600 Hz以及100 Hz～500 Hz的平均吸声系数如表2所示。

表2 铝纤维板-聚酯纤维复合结构的吸声系数

由图4可以看出，随着复合结构背后空腔厚度的增加，吸声曲线逐渐出现吸声峰和吸声谷，吸声峰和吸声谷的个数也逐渐增加，并且向低频方向移动，其波动幅度也在加剧，这符合空腔共振吸声结构的特点，是铝纤维板与背后空腔组成的共振吸声结构引起的；同时复合结构的吸声谷值比铝纤维板的谷值大很多，这是由于聚酯纤维有良好的中高频吸声性能。对比图4（a）和图4（b）可知，铝纤维板后置组合的吸声曲线的波动幅度较小，中高频的吸声系数更高。

由表2中的数据可知，随着空腔厚度的增加，两种组合在100 Hz处的吸声系数逐渐增大，50 Hz～1 600 Hz的平均吸声系数基本不变，100 Hz～500 Hz的平均吸声系数初始有小幅增加，随后趋于稳定。对比两种复合结构的吸声系数数据可知，当空腔大于125 mm时，两者在100 Hz～500 Hz的平均吸声系数相近，都在0.8～0.9之间，而铝纤维板后置复合结构在50 Hz～1 600 Hz的平均吸声系数更高。这是由于铝纤维板在低频段的吸声系数较高，聚酯纤维对声波几乎没有反射作用，所以两个组合在100 Hz～500 Hz低频段的吸声系数相近。当铝纤维板前置时，由于铝纤维板对高频声波的反射作用大，使相当一部分高频声波无法被聚酯纤维吸收，导致高频吸声系数偏低，50 Hz～1 600 Hz的平均吸声系数较小；而聚酯纤维前置时已经吸收了大部分高频声波，故50 Hz～1 600 Hz的平均吸声系数较高。另外，铝纤维板前置组合在100 Hz处的吸声系数高于铝纤维板后置组合，相比中铝纤维板的吸声系数也有了较大提高。

可见铝纤维板-聚酯纤维复合结构不仅在低频段100 Hz～500 Hz的平均吸声性能较好，而且铝纤维板前置结构在100 Hz处的吸声系数也比较理想，可适用于变电站降噪。

2.2 铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构的吸声性能分析

将铝纤维板与亥姆霍兹共振器进行组合得到复合结构，在铝纤维板上打一个直径与共振器颈口直径相同的同心圆孔，使共振器与外部相通，铝纤维板与共振器上表面构成142 mm的空腔，如图5所示。

图5 铝纤维板和亥姆霍兹共振器复合结构

将铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构放入阻抗管试样筒中，测量其吸声系数，并与铝纤维板未打孔的复合结构的吸声系数作为对比。得到吸声曲线如图6所示。

采用阻抗管测量共振器吸声系数时，将共振器前端与试样管前端平齐进行测量，使用数据采集软件进行数据采集，每3 Hz左右记录一个数据，设备可直接测量得到共振器的吸声系数。

图6 铝纤维板和亥姆霍兹共振器复合结构的吸声系数

从图6中可以看出，共振器-铝纤维板（打孔）复合结构的吸声曲线有四个峰，峰值吸声系数均接近1，而铝纤维板未打孔时，第一个峰减小，第三个峰几乎消失，这是因为未打孔的铝纤维板对低频声波具有一定的反射作用，而对中、高频声波具有较强的反射作用，导致亥姆霍兹共振器对低频声波的吸收作用减弱，对高频声波的吸收作用几乎消失。因此铝纤维板打孔的结构吸声性能更加优良。

由测试结果可知，共振器和铝纤维板（打孔）复合结构在100 Hz处的吸声系数为0.985，100 Hz～500 Hz的平均吸声系数为0.754，但是在150 Hz～200 Hz之间出现吸声谷，吸声系数低于0.4，50 Hz～1 600 Hz的平均吸声系数为0.632。可见该复合结构在低频段的选择性吸声系数很高，在100 Hz处的吸声系数明显优于只有铝纤维板的情况。因此铝纤维板和亥姆霍兹共振器复合结构也可适用于变电站噪声降噪。

另外分别测量亥姆霍兹共振器的吸声系数A，铝纤维板后面留有142 mm空腔时的吸声系数B，亥姆霍兹共振器在堵住颈口时的吸声系数C（即亥姆霍兹共振器的背景吸声系数），以及吸声系数D=A＋B－C。由于用阻抗管测量的吸声系数不能超过1，因此对上述运算结果中大于1的数值进行修正，令其结果为1，得到合成吸声系数D。A、B、C、D的曲线图如图7所示。

对比分析可知，图6中的曲线1和图7中的D曲线非常相近，计算得到合成吸声系数D与复合结构的实测吸声系数的平均偏差为2.35%，可见铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构的吸声系数符合简单加和规律。另外从图7中可以看出，D曲线中的第一个峰和第三个峰是由亥姆霍兹共振器提供的，第二个峰和第四个峰是由铝纤维板提供的。

图7 铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构吸声曲线

3 结语

本文针对变电站噪声特点，对铝纤维板及其复合结构进行了吸声性能分析，得到以下结论：

（1）面密度对铝纤维板的吸声系数影响较小，空腔对铝纤维板的吸声性能具有很大影响。随着空腔厚度的增大，共振吸声峰向低频方向移动，移动的幅度随空腔厚度的增加逐渐减小，共振吸声峰的个数也逐渐增加。当空腔厚度达300 mm时，铝纤维板在100 Hz处的吸声系数只有0.512，表明单一铝纤维板在100 Hz处的吸声系数仍然偏低，靠增大空腔很难提高；

（2）铝纤维板-聚酯纤维复合结构背后的空腔对吸声性能有较大影响，随着空腔厚度的增加，吸声曲线出现吸声峰和吸声谷，峰和谷的个数增加，并向低频方向移动。该复合结构在低频段100 Hz～500 Hz的平均吸声系数较好，达到0.8以上。且铝纤维板后置的复合结构，中高频的吸声系数更高，铝纤维板前置的复合结构在100 Hz处的吸声系数更高，达到0.8以上。因此铝纤维板前置复合结构可用于变电站低频噪声降噪。

（3）铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构在铝纤维板打孔时吸声效果更好，该复合结构虽然在50 Hz～1 600 Hz全频段的平均吸声系数偏低，但是100 Hz处吸声系数接近1，且在100 Hz～500 Hz低频段的吸声效果较好。另外该复合结构的吸声系数符合简单加和规律；铝纤维板-聚酯纤维复合结构（铝纤维板前置）和铝纤维板-亥姆霍兹共振器复合结构在低频段具有较高的吸声系数，用于变电站低频降噪具有可行性。

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Research on Low Frequency SoundAbsorption Property of the Structures Composed ofAluminum Fiber Sheets

ZHOUBing1,TUQi2,NIYuan1,WANG Yan-zhao1,LI Chen-hui2,HU Jing-zhu1
（1.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection,China Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China; 2.State Key Laboratory of Material Molding and Die Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

To solve the problem of low frequency noise in substations,two kinds of aluminum fiber sheets are developed and studied.The influence of areal density and air cavity on low frequency sound absorption property of the aluminum fiber sheets is analyzed based on impedance tube method.The composite structures by combining the aluminum fiber sheets with polyester fibers and combining the aluminum fiber sheets with Helmholtz resonator are prepared respectively.And their low frequency sound absorption properties are studied and compared.The results show that the influence of the areal density on the sound absorption coefficient of the aluminum fiber sheets is small;the low frequency sound absorption coefficient of the aluminum fiber boards can be improved by increasing the cavity thickness,but the sound absorption coefficient at the frequency of 100 Hz is still low;Both the composite structure of the aluminum fiber sheets with polyester fibers and the composite structure of the aluminum fiber sheets with Helmholtz resonator have much better low frequency sound absorption property than the pure aluminum fiber sheets,especially at the frequency of 100 Hz,the sound absorption can reach 0.9 or even higher.So,they are feasible for low frequency noise reduction in substations.

acoustics;substation;low frequency noise;aluminum fiber sheet;sound absorption property;composite structure

TU112.5

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.036

1006-1355(2017)01-0167-05

2016-06-08

周兵(1985－)，男，硕士研究生，从事环境科学研究工作。E-mail:zhoubing2@epri.sgcc.com.cn