室内干式配电变压器噪声声场传播特性及治理

李铁楠，胡胜，吴晓文，彭继文，卢铃

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

室内干式配电变压器噪声声场传播特性及治理

李铁楠，胡胜，吴晓文，彭继文，卢铃

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

建立了典型结构室内配电变压器的噪声空气声场传播有限元模型，对噪声在空气中传播和衰减的基本特性进行了定量计算，分析了声源强度、物体表面吸声系数、声源位置三个主要因素对声场分布特性的影响，并根据所得传播和衰减规律，提出了相应的治理方案，取得了良好的控制效果。

配电变压器；有限元；空气声；噪声治理

随着我国工业化进程的加快以及人民生活水平的不断提高，电力系统用电负荷逐渐增加。电力变压器是电能分配与传输的重要环节，受制于土地供给控制和城市规划，同时为了降低受端线路电压损耗，越来越多配电变压器被安装在居民区周边或者居民楼的地下室中〔1－2〕。

居民小区配电变压距居民较近，特别是位于居民楼地下室结构中的变压器，其产生的振动和噪声，往往能够对小区居民的正常生活造成困扰。随着我国环境法规的不断完善以及人们环保意识的不断加强，小区配电变压器噪声扰民问题已经成为电力行业投诉的焦点。因此，变压器噪声控制是需要研究的重要课题〔3－4〕。

通过仿真计算来定量研究配电变压器噪声在空气声场中的传播及衰减规律，得到其声场在空间的分布特性，将有助于配电变压器噪声治理研究工作的进行。考虑到声源在空气声场中的放射传播特性，本文在此基础上建立了噪声在两层多房间结构中的点声源传播辐射模型，分别对影响声场空间分布的三个主要因素——声源大小、物体表面的吸声系数及声源位置进行分析，得到相关结论，并提出相应的治理方案。

1 噪声空气声场传播理论

在非理想状况下，入射声波在经过房间界面与空气的接触面时，会有一小部分声能量被边界吸收，而不能全部反射。界面对声波的吸收，可以采用特性阻抗的模型以简化问题，即定义边界上某点的法向特性阻抗zn为其声压值与法向速度之比，而与界面上其他点的法向速度无关。法向特性阻抗在不同频率、不同位置、不同界面上可能会有所不同，通常满足其中，ρ0为媒质处于静态时的媒质密度，c为声波传播的速度。

给定房间内部的一个点声源，分析房间内点源激发的声场，即房间的格林函数，满足方程〔5－7〕:

式中 ▽2为拉普拉斯算子；P为声压，k为波数，r为声场位置，r′为声源位置。

式中 S为边界面；n为边界面向外方向的单位矢量。

通过计算可得

能量的衰减规律为e－t/τ。其中，τ为衰减快慢的度量。房间体积V与边界面积S之比越大，墙壁的法向特性阻抗越高，衰减越慢。因此，非刚性的界面使每个模式的振动随着时间衰减。

射线在界面上连续两次反射间的空间平均距离为:

式中 ¯n为射线在单位时间内被界面反射的次数的平均值，该公式对于一般形状的房间同样适用。

如果声源停止作用时房间内的声场是扩散声场，由大量的射线组成，平均能量是¯E。经过边界的一次反射射线的能量下降了1－¯α倍，¯α为边界的总吸声系数。经过一段时间t，所有射线经过边界反射的平均次数为¯nt，平均能量密度下降到:

可见，室内的声能量随时间指数衰减。房间声学中把声场下降60 dB，即平均声能密度自原始值衰变到百万分之一所需时间为混响时间，记作T60。根据分贝的定义得到著名的赛宾公式:

入射声波在界面上反射，界面吸收能量，所吸收的声能量与入射声能量的比成为能量的吸声系数，由界面的材料性质决定。设界面材料的法向特性阻抗为zn，则

式中 Pi，Pr为界面上入射波和反射波的声压；Vin和Vrn为界面上入射波和反射波的法向速度；θ为入射角。

法向特性阻抗很大的界面对扩散声场的吸声系数为:

式 (9)给出了法向特性阻抗和吸声系数之间的关系。

2 变压器噪声空气声场建模及仿真

2.1 变压器噪声空气声场模型搭建

空气途径是噪声传播的主要途径之一，为了能够分析和定量计算噪声通过此途径的传播和衰减过程，建立的室内空气声场模型采用双层多房间结构。房间结构如图1所示。

图1 房间结构模型

房间分为两层，尺寸为长10 m，宽度6 m，高度5 m。内部设有10个房间，房间之间设置有相应的门窗结构，在一层和二层之间通过楼梯间形成通道。

仅从研究传播途径及衰减的角度来说，变压器噪声在沿着空气途径传播时，可以将声源等效为一个点声源或者体声源置于模型中的某个位置。因此，在此模型中，主要的变量分别为声源与墙壁的吸收率。声源大小和位置的不同，会对结果造成一定差异。由于没有必要研究房间中每一个点的声音传播规律，因此，只需选取部分有代表性的结构作为参考的依据。同时应该注意到，声源的大小对于传播途径的影响不大，无论发声体强度如何，产生的噪声会沿着相同的路径传播。因此，本文主要研究不同位置点造成的影响。

为了方便起见，将各个房间都进行编号。具体如图2所示。其中，声源位于2号房间，声功率为10－4W。7号房间下面是9号房间，10号房间位于8号房间之下，11号房间旁边。除去楼梯所占用的第6单元，其他的10个单元均为房间结构。

图2 各单元编号

2.2 边界条件设置

在进行仿真计算时，需要对11个编号的单元结构设定初始的声能量密度为0。对于每个房间而言需要单独设置相应的边界条件。在实际中，墙壁、天花板、地板和门窗等结构对于声波的吸收率是有差异的，需要分别进行设置。其中，设墙壁的吸收率α为0.05。

声音在传播过程中遇到不同介质玻璃时会发生折反射，这个过程中存在能量损耗。窗户的作用就是空气－固体－空气的过程，两次反射，自然声音的能量就降低了。且考虑到表面光滑的物体对于声音的吸效率较低，此处取吸收率为α为0.01。

天花板结构一般都比墙壁结构粗糙，相对的吸声率也会高一些，设定α为0.1。需要注意的是，在此模型中，1楼的天花板结构与2楼地板之间是相互独立的，不是同一结构。在研究空气途径传播时，仅考虑传播途径中不同介质之间的损耗和吸收率，但不考虑经过多次折射进入下一区间的情况。

考虑到地板和墙体所用的材料不一，为了方便区分，设置地板的吸声率为0.15。实际上不同材料的吸声率存在很大的差异，表面的粗糙程度也能够对吸声率造成较大的影响，以上因素无法一一验证。

在不同的房间之间设置声场传输耦合边界条件。在给出的模型中，房间相当于一个联合体，而非整体。研究噪声在空气通道中的传播，需要建立房间与房间之间的连通关系，在仿真模型中通过耦合实现的。考虑到声波通过门框结构时候能量会产生一定的损耗，不失一般性，设置传输损耗为5 dB。

2.3 仿真结果

声压级的分布如图3所示，声源点 (即等效变压器所在位置)声压级最大，达到了79.4 dB。与此同时，2号房间在整个仿真模型的10个房间结构中，噪声最大。当声音有直接的空气通道可以流通时，噪声的传播衰减较小。如在同一层相邻的房间，声压的减小相对较小。但是对于没有直接空气通道的房间，噪声的衰减是非常明显的，如图所示2号房间正上方的房间中，声音强度已经衰减到55 dB，最大衰减了24.4 dB。

图3 房屋结构中的声压分布

房间中的声能量密度分布如图4所示，与声压分布有类似的规律，同样是在声源点附近的声能量密度最大，在同一个房间中，衰减相对较小。往相邻房间传播时，声能量密度会相对较大的减小，而继续往不相邻的房间传播时，衰减幅度较大的。

图4 房屋结构中的声能量密度分布

通过仿真发现，当声源点强度发生变化时，相应的最大声压和最小声压会发生变化，但是这并不影响其分布和衰减特性。当声源强度只是小范围变化时 (±50%)，室内声压分布变化较小。当声源强度以指数形式增长或者衰减时，其最大最小分贝值重新分布如图5所示。可以看到，声源强度每提高10倍，相应的表现在最大和最小分贝值上面会有10 dB左右的变化。

图5 声源强度指数变化时的影响

声源点位置由原来的2号房间变到8号房间时，所得到的各个房间中的声压将重新分布，具体如图6所示。可以看到，当声源点的位置改变时，声压级的分布也随之改变，考虑到具体位置的不同，同样声源强度在不同位置时，所产生的最大和最小分贝值是不同的。

通过调整声源位置四周墙壁的吸声系数，将吸声系数由原来的0.05调整到0.2，新的声压分布云图如图7所示。

图6 声源位置变化时声压级分布

图7 吸声系数调整时声压级分布

可以看到，调整吸声系数后，最大声压级和最小的声压级数值有所降低，但变化不大。最大声压级的变化要小于最小声压级，其原因在于，最大声压级分布在声源附近，吸声材料很难改变发声体周围的声场分布，对通过吸声材料之后的声场分布产生的影响相对较大。从仿真的结果来看这种影响很有限。

3 噪声抑制方法及实验研究

国内外专门针对于配电变压器减振降噪的研究工作较少。抑制噪声和振动的方法主要可以分为三大类:被动控制、振源主动控制和振动抑制〔8－11〕。

被动控制主要是从变压器噪声的传播路径上入手，需要选择合适的位置安装吸声板，在屋内墙壁上涂抹吸声材料形成隔声屏障，同时设置隔振带增大振动在传播方向上的阻尼。该方式需要外部配置冷却风扇，易造成变压器安装困难，使用成本增加，降噪效果并不明显。

主动控制主要是通过噪声相互抵消的方法来达到降噪的目的。理论上，可在变压器周围人为安装噪声源，其发出的声信号与变压器噪声相位相反，能够在一定程度上抵消变压器的噪声，从而起到降低噪声的效果。但该方法需要对变压器本体振动规律有比较深入的把握，目前在理论上研究的较为深入，实际工程应用效果有待提高。

考虑经济因素，为变压器安装减振底座是一种降低变压器噪声的有效方法，安装方法如图8所示。安装了减振底座之后，通过空气场传播的噪声得到了有效的抑制，具体效果如图9所示。

图8 干式变压器减振底座安装示意图

图9 安装减震垫前后变压器噪声水平变化

4 结论

在对配电变压器噪声传播特性的研究工作中，仿真模型的准确性是整个研究的关键。本文建立了空气声场的等效有限元计算模型，将变压器等效为一个点放射声源，研究了两层10个房间结构中噪声在空气中的衰减及传播规律。在本仿真中，主要的参数和变量是声源的强度、物体表面的吸声系数及声源的位置。可以看出，对噪声的传播和分布影响最大的还是声源的位置，物体的吸声系数一般较难改变，在实践中，其值往往在0.1～0.6之间，仿真的结果表明，其变化所造成的衰减低于5 dB。通过给配电变压器安装减振底座来减小声源振动，从而抑制噪声的手段，其效果可以达到10 dB，符合降噪需要，在工程实践中可以作为主要噪声控制手段。

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Acoustic Field Propagation Characteristics of Indoor Dry Distribution Transformer Noise and Its Control Technology

LI Tienan，HU Sheng，WU Xiaowen，PENG Jiwen，LU Ling
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A finite element model(FEM)of noise field propagation in a typical two-storey ten-room structure for distribution transformer is established.The basic characteristics of noise propagation and attenuation in the air are quantitatively calculated，by analyzing the influence of three main factors，the sound source intensity，surface acoustic absorption coefficient and the position of sound source，on the distribution of sound field.According to the law of noise propagation and attenuation，corresponding noise control techniques are proposed，which is proved to be effective by measurement.

distribution transformer；finite element；air borne noise；noise control

TM41

:A

:1008-0198(2017)02-0015-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.004

2016-07-15 改回日期:2016-09-29

国网湖南省电力公司科技项目 (5216A5140021)

李铁楠(1965)，湖南长沙人，高级工程师，主要从事电力设备噪声与振动控制方面的工作。