城市变电站局域共振隔声阻尼减振声学超材料及特性研究

2018-12-10何真珍

电器工业 2018年11期

何真珍

（国网上海市电力公司经济技术研究院）

0 引言

近年针对变电站或小区配变噪声的投诉量呈逐年上升趋势，环保部门对生产性噪声的控制越来越严格，监测力度越来越大。通过隔声、吸声、消声、阻尼减振等措施，增加噪声在传播途径中的能量损失是常采用降噪措施，但这些技术措施的可行性和实际效果取决于声学材料及其标准化产品，如隔声产品、吸声产品及消声产品的技术发展。目前国内已经形成了不少系列产品，包括可视性隔声屏障类型、微孔复合结构吸隔声屏障类型、大孔板吸隔声屏障类型、渐变腔式吸声体、渐变腔式微孔复合结构吸声体、平板大孔板吸声体、微孔复合结构平板吸声体、阻抗复合式通风消声器、通风消声吸隔声百叶等。

受制于声学材料的发展，目前这些标准化产品在实际应用中存在几何尺寸、重量与降噪效果之间的矛盾。本文在此基础上研制基于局域共振的阻尼材料和纳米涂料两款减振降噪材料。

1 局域共振基本理论

局域共振机制在声子晶体的研究中具有重要意义。对于400Hz频率的波，使用2cm厚的该种材料就能阻隔，从而打破了传统的声音传播中的质量密度定律。特殊结构的薄膜声学超材料具有超强的低频隔声、吸声、减振等性能，将声能或者振动能转化为热能而消耗掉，可以抑制一定频率范围的弹性波。

局域共振式的减振超材料常以“膜+质量块”的形式构造，将弹性薄膜（通常为圆形）固定在框架上，同时将质量块固定在弹性薄膜上。当声波垂直于薄膜平面入射时，只要入射频率和质量块在薄膜上的共振频率相匹配，就能够使得声波被完全反射而不能透过。可以通过调整质量块和薄膜的弹性模量，实现对某个较窄频段声波的衰减。将质量环添加到薄膜型声学超材料的结构中，该类结构具有多个传递损失峰值，增加了传递损失峰值的频带宽度，可以抑制更多频率的噪声。

2 微结构几何参数对声学超材料的影响

薄膜型声学超材料由支撑框架、弹性薄膜、附加质量组成。通常，薄膜型声学超材料单元的边界固定，单元外形为矩形或正方形，附加质量位于薄膜中心。常用的描述超材料声学性能的参数如图1所示，包括：第一个隔声谷所处频率位置f1，隔声峰所处频率位f2，第二个隔声谷所处频率位置f3；最大隔声量TLmax；大于某一隔声量TL0的频带宽度Bf。

图1 描述声学超材料调控规律的物理参数示意图

1）薄膜面密度对隔声量的影响。随着薄膜面密度的增加，整个材料第一个隔声谷频率f1和隔声峰频率f2变化很小，而第二个隔声谷频率f3向低频移动。薄膜面密度增大时，最大隔声量基本不变。在薄膜型声学超材料设计时，可以通过提高薄膜面密度来增加弹性薄膜的抗撕拉性能、防老化性能和阻尼耗散性能。

2）附加质量面密度对隔声量的影响。第一个隔声谷频率f1和隔声峰频率f2随附加质量面密度的增大而减小，第二个隔声谷频率f3几乎不变化。当附加质量面密度增大时，频带宽度增大。在薄膜型声学超材料设计时，提高附加质量面密度能够有效提升薄膜型声学超材料的隔声性能。

3）薄膜尺寸对隔声量的影响。随着单元薄膜尺寸的增加，整个声学超材料的隔声性能迅速下降。随着薄膜边长的增加，最大隔声量的幅值变小。在薄膜型声学超材料设计时，作为支撑的格栅结构的单元尺寸不能设计太大，减小单元尺寸能够提高整个声学超材料的低频隔声性能。

4）附加质量尺寸对隔声量的影响。随着附加质量边长的增加，整个薄膜型声学超材料的特征频率向高频移动，整个材料的隔声性能变化不是太大。随着附加质量边长的增加，最大隔声量的幅值减小，当附加质量边长增大时，频带宽度增大。在薄膜型声学超材料设计时，往往需要适当增大附加质量的底面积来更好地将重物与薄膜黏合在一起。

5）薄膜张紧力对隔声量的影响。随着薄膜张紧力的增加，整个材料的特征频率向高频移动。

6）附加质量位置对隔声量的影响。当附加质量位于薄膜中心 c 点时，整个薄膜型声学超材料的隔声性能最优，当附加质量偏离薄膜中心时，其隔声性能下降，当附加质量位于薄膜中心时，最大隔声量和频带宽度最优。

3 局域共振试件制备及性能测试

局域共振板以6061牌号铝板为基体，每块板尺寸为471mm×185mm，板厚20mm。每块板上制作18×7个晶格单元，每个单元的尺寸为20mm×20mm方形，薄膜材料是环氧树脂，中心质量块为直径7mm圆柱形铁块。被测试件共用16（4×4）块局域共振板安装在测试框架上拼成一个大块的被测件，被测件外廓尺寸为2000mm×1000mm。

3.1 检测标准

按照ISO 10140-2:2010《声学建筑构件隔声的试验室测量第2部分空气声隔声的测量》进行检测，参照ISO 717-1:1996《声学建筑和建筑构件的隔声评定第1部分空气声隔声》进行单值评价。

3.2 试验试件描述

为了增加对比性，试验试件共分三种结构：光壁板；光壁板+航空隔音棉；光壁板+NAM-1501局域共振材料。

光壁板采用厚度为1.2mm的6061牌号铝合金制作，外轮廓尺寸为2000mm×1000mm，包含5根隔框5根长桁。其中隔框钣金厚2mm，高度为50mm，宽度为30mm；长桁钣金厚2mm，高度为20mm，宽度为20mm。航空隔音棉容重为19.2kg／m3，厚度为25.4mm。NAM-1501的面密度为1.1kg/m2，单块外廓尺寸为471mm×185mm。所有试件的有效测试面积为2000mm×800mm，四边各留出宽度100mm区域用于安装密封。

3.3 安装描述

光壁板年与测试窗框架通过螺栓连接，测试窗框架预先嵌入声源室和接收室间墙壁内，试件与测试框架之间采用弹性密封垫固定。航空隔音棉和NAM-1501均面朝接收室铺设于光壁板侧。

3.4 测点和声源布置

隔声指数测量时，声源室和接收室内传声器测点以及无指向性声源位置均符合ISO 10140标准要求，如图2所示。接收室内以左下角为坐标原点，创建坐标系X1O1Y1，三个方向的坐标轴符合右手螺定则。声源室内以左下角为坐标原点，创建坐标系X1O1Y1，三个方向的坐标轴符号右手螺旋定则。

图2 隔声指数测量时，测点和声源位置分布图

接收室内5个测点的三维坐标分别为：测点1（1820，1180，1500），测点2（2150，2700，1700），测点3（2030，2030，2100），测点4（1315，3575，1300），测点5（1200，2240，2200）。

声源室内5个测点和2个声源位置的三维坐标分别为：测点1（1380，1340，1800），测点2（1310，3660，2000），测点3（2310，3910，1600），测点4（3130，4550，1400），测点5（3000，1860，2200），声源位置1（4100，1500，1450），声源位置2（4200，4000，1550）。

混响时间测量时，接收室内传声器测点以及无指向性声源位置均符合ISO 3382-2标准要求，如图3所示。接收室内以左下角为坐标原点，创建坐标系X1O1Y1，三个方向的坐标轴符合右手螺定则。

声源位于位置1时，接收室内4个测点和声源位置1的三维坐标分别为：测点1（1820，1180，1500），测点2（2150，2700，1700），测点3（2030，2030，2100），测点4（1315，3575，1300），声源位置1（300，300，250）。

声源室内5个测点和2个声源位置的三维坐标分别为：测点1（1380，1340，1800）,声源位于位置2时，接收室内4个测点和声源位置2的三维坐标分别为：测点1（1200，2240，2200），测点2（2150，2700，1700），测点3（2030，2030，2100），测点4（1315，3575，1300），声源位置2（3300，400，250）。

声源位于位置3时，接收室内4个测点和声源位置3的三维坐标分别为：测点1（1820，1180，1500），测点2（2150，2700，1700），测点3（1315，3575，1300），测点4（1200，2240，2200），声源位置3（3200，5500，250）。