應(yīng)用VAOne統(tǒng)計能量法預(yù)報戶內(nèi)變電站噪聲探索

梅天龍，吳靜萍，樊 紅，許 玲

（1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430063）

應(yīng)用VAOne統(tǒng)計能量法預(yù)報戶內(nèi)變電站噪聲探索

梅天龍1，吳靜萍1，樊 紅2，許 玲1

（1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430063）

城市戶內(nèi)變電站的建立解決了城市電力需求，同時產(chǎn)生的噪聲對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染。在城市變電站設(shè)計初期預(yù)估其噪聲聲壓級水平(SPL)，及時采取降噪措施顯得尤為重要。應(yīng)用VA One軟件，基于統(tǒng)計能量分析方法建立聲學(xué)仿真模型，對某典型戶內(nèi)變電站的主變室內(nèi)外空間聲場進(jìn)行模擬。探討聲源聲壓級強(qiáng)度、吸聲墻高度和吸聲系數(shù)對噪聲場聲壓級的影響規(guī)律，為進(jìn)一步對戶內(nèi)變電站噪聲預(yù)報和降噪設(shè)計提供參考。

聲學(xué)；戶內(nèi)變電站；噪聲模擬；VAOne；統(tǒng)計能量法

隨著城市電力需求量逐漸增大，供電負(fù)載越來越高，很多變電站開始往人口集中的城市建立[1]。建立城市戶內(nèi)變電站緩解了城市電力供應(yīng)壓力的同時，也對居民相對集中的城區(qū)造成了嚴(yán)重噪聲污染。城區(qū)較偏遠(yuǎn)地帶而言，服務(wù)對象層次要求高，因而居民對工作和居住環(huán)境的要求更加苛刻，這也是導(dǎo)致不斷有居民對戶內(nèi)變電站噪聲污染進(jìn)行投訴的直接原因。因此，在變電站設(shè)計初期，有必要對城市戶內(nèi)變電站噪聲產(chǎn)生和傳播規(guī)律進(jìn)行研究。

使用傳統(tǒng)的模態(tài)分析方法研究工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)問題已有很長的歷史，這種研究動力學(xué)問題的方法局限于對能夠清楚辨認(rèn)的有限數(shù)量的低階模態(tài)進(jìn)行分析，分析誤差隨著頻率范圍向更高擴(kuò)展而增大，分析難度隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度而增加。研究工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動問題的困難是高階模態(tài)參數(shù)的不確定性。因此，有學(xué)者使用統(tǒng)計模態(tài)的概念，把振動能量作為描述振動的基本參數(shù),并根據(jù)振動波和模態(tài)間存在著的內(nèi)在聯(lián)系，建立分析聲、結(jié)構(gòu)振動和其它不同子系統(tǒng)耦合動力學(xué)的統(tǒng)計能量分析方法( Statistical Energy Analysis縮寫為SEA)[2]。統(tǒng)計能量分析方法適用于分析含有中高頻、高模態(tài)密度的復(fù)雜系統(tǒng)的耦合動力學(xué)問題，例如使用統(tǒng)計能量分析可預(yù)示復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)外聲振環(huán)境等問題。

VAOne是法國ESI集團(tuán)推出的聲學(xué)仿真計算軟件，是一款可以求解全頻域范圍內(nèi)振動噪聲商業(yè)軟件。目前已應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天以及建筑等行業(yè)領(lǐng)域噪聲模擬。

利用VA One軟件，產(chǎn)品設(shè)計師在產(chǎn)品初始設(shè)計階段就可以方便而準(zhǔn)確地預(yù)估產(chǎn)品的振動和聲學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)潛在問題；可以模擬采取降噪措施后的效果，從而根據(jù)效果指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)。

由于本文針對僅關(guān)注某典型戶內(nèi)110 kV主變室的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口傳播出的噪聲聲壓級問題，而不需要分析噪聲場聲壓分布細(xì)節(jié)，加上模型子系統(tǒng)的模態(tài)密度絕大部分滿足統(tǒng)計能量分析方法的要求，所以嘗試應(yīng)用VA One軟件，基于統(tǒng)計能量分析方法建立聲學(xué)仿真模型，對該典型戶內(nèi)變電站主變室內(nèi)外噪聲進(jìn)行模擬。并探討了聲源聲壓級強(qiáng)度、吸聲墻高度和系數(shù)墻吸聲系數(shù)對噪聲場聲壓級的影響規(guī)律，為進(jìn)一步對戶內(nèi)變電站噪聲預(yù)估和降噪設(shè)計提供參考。

1 統(tǒng)計能量分析法

統(tǒng)計能量分析法首先建立多個聲學(xué)子系統(tǒng)，將能量守恒方程應(yīng)用于每一個子系統(tǒng),即子系統(tǒng)消耗的能量加上傳遞給其它子系統(tǒng)的能量,應(yīng)等于輸入給該子系統(tǒng)的能量[3]。圖1顯示統(tǒng)計能量法（SEA，Statistical Energy Analysis）的兩個相鄰子系統(tǒng)，對該子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立能量平衡方程

對于三個以上子系統(tǒng)其能量守恒方程為下列矩陣形式[4]

因而，只要獲取系統(tǒng)的輸入功率、模態(tài)密度、損耗因子就能求解方程，進(jìn)而可以獲得子系統(tǒng)能量Ei，由子系統(tǒng)能量Ei求解工程量。

圖1 兩個SEA子系統(tǒng)

2 典型戶內(nèi)變電站噪聲預(yù)報仿真

2.1 典型戶內(nèi)變聲振模型建立

本文研究對象為南昌某典型戶內(nèi)變電站，在VA One中建立了該戶內(nèi)一個110 kV主變室的聲學(xué)計算模型。圖2給出了該主變室結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)（左）和聲空間子系統(tǒng)（右）的劃分。該混凝土結(jié)構(gòu)的主變室主尺度為：長11 m，寬10 m，高12.2 m。兩個進(jìn)風(fēng)口折算后的尺寸均為：長1.2 m，高0.95 m。天窗尺寸均為：長4.1 m，寬1.56 m，高1.66 m。排風(fēng)口尺寸：0.7 m× 0.7 m。主變室南面墻體上設(shè)有鋼制材料的隔聲大門，尺寸為：長7 m，高6.6 m，厚度與墻體厚度一致，均為0.15 m。

圖2 主變室結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲空間子系統(tǒng)

由于所研究的變壓器屬于油浸式變壓器，其噪聲來源于變壓器本體和冷卻系統(tǒng)兩個方面。在實(shí)際模擬中，將噪聲源等效成一個長方體聲源[5]，尺寸為：4.4 m×4.8 m×1.6 m。等效立于主變室地面中間，并通過除了底面以外的其它5個表面輻射噪聲。

統(tǒng)計能量分析模型子系統(tǒng)的模態(tài)密度是描述振動系統(tǒng)存儲能量能力大小的一個物理量，是指該子系統(tǒng)在某一頻率單位頻段內(nèi)的模態(tài)數(shù)目，模態(tài)密度越高，說明該子系統(tǒng)的模態(tài)在一個頻段內(nèi)越密集，統(tǒng)計能量分析方法的預(yù)測精度就越高。通常當(dāng)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)滿足≥5時，使用統(tǒng)計能量方法才能夠滿足一定的分析精度。根據(jù)已知材料及物理屬性，通過軟件計算得到整個計算頻率范圍內(nèi)的模態(tài)數(shù)，該模型子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)絕大部分能夠滿足≥5的要求。

聲源激勵頻譜借鑒文獻(xiàn)[1]中變壓器正面1 m處噪聲頻譜給出，如圖3 a所示。對于結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子可以通過查材料手冊獲得，本文通過查找材料手冊，獲得混凝土墻體內(nèi)損耗因子為1.5×10-2，隔音門內(nèi)損耗因子為1.0×10-2；通過參考相關(guān)文獻(xiàn)[6]的取值，以及結(jié)合該損耗因子在同類型變電站的運(yùn)用[7]，本文聲腔子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子采用如圖3b所示的頻譜。

圖3 聲源激勵頻譜及聲腔子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子

2.2 探索不同因素對戶內(nèi)變聲場的影響

為了研究不同因素對噪聲聲壓級的影響，聲源強(qiáng)度按聲源噪聲A計權(quán)總聲壓級依次取65 dB、70 dB、75 dB，其中70 dB為實(shí)測值，為了探索不同負(fù)載下變壓器輻射噪聲，所以分別給出了高于和低于實(shí)測值的兩個假設(shè)負(fù)載；吸聲墻面高度變化依次取0 m、4 m、6 m、8 m；吸聲材料平均吸聲系數(shù)α依次取0、0.2、0.5、0.8。結(jié)果分析，選取四個具有代表性的空間位置，如圖4所示，即進(jìn)風(fēng)口處、排風(fēng)口處、變壓器上方、室內(nèi)人活動域進(jìn)行分析和研究，并給出四個空間位置處的噪聲聲壓級隨變量的變化情況。

2.2.1 聲源強(qiáng)度影響

圖4 噪聲測點(diǎn)位置空間布置圖

圖5中兩圖給出了四個空間區(qū)域噪聲聲壓級隨聲源強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線，兩圖中吸聲墻平均吸聲系數(shù)為0.5。但是兩圖吸聲墻高度得選取不同，其中α圖吸聲墻高度為0 m，即無吸聲墻；b圖中吸聲墻高度為8 m。

圖5 空間區(qū)域噪聲聲壓級隨聲源強(qiáng)度變化

從圖5a和b中可以看出：當(dāng)吸聲材料、吸聲系數(shù)、四個空間區(qū)域噪聲聲壓級隨聲源強(qiáng)度的增大而增大，增大的趨勢基本成線性關(guān)系。并且室內(nèi)離聲源較近的區(qū)域比室外進(jìn)、排風(fēng)區(qū)域聲壓級大。

2.2.2 吸聲墻高度影響

圖6中三個圖給出了四個空間區(qū)域噪聲聲壓級隨吸聲墻高度變化。三個圖中變壓器聲源強(qiáng)度（聲源總聲壓級均為70 dB）都相同，但是三個圖中吸聲墻的吸聲系數(shù)不同，a圖中吸聲墻的吸聲系數(shù)為0.2；b圖中吸聲墻的吸聲系數(shù)為0.5；c圖中吸聲墻的吸聲系數(shù)為0.8。

從圖6a、b和c中可以看出：

（1）空間區(qū)域的噪聲聲壓級隨主變室吸聲墻高度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，說明吸聲墻的高度對噪聲聲能的吸收和耗散具有比較明顯的作用。

（2）吸聲墻在4 m高度時比沒有吸聲墻情況下，四個空間區(qū)域噪聲聲壓級有明顯的降低。隨著吸聲墻高度的繼續(xù)增加，較高的排風(fēng)口區(qū)域聲壓級減小仍然比較明顯，但是在其它空間區(qū)域，噪聲聲壓級雖具有減小的趨勢，但是并沒有明顯的降低。

2.2.4 吸聲系數(shù)影響

圖7中三個圖給出了四個空間區(qū)域噪聲聲壓級隨平均吸聲系數(shù)變化的關(guān)系曲線。三個圖中，吸聲墻高度（8 m）都相同，但是三個圖中聲源強(qiáng)度不同，a圖中聲源總聲壓級為65 dB；b圖中聲源總聲壓級為70 dB；c圖中聲源總聲壓級為75 dB。

從圖7a、b和c中可以看出：

（1）在其它條件都不變時，四個區(qū)域噪聲的聲壓級隨平均吸聲系數(shù)的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。

（2）吸聲系數(shù)在0.2時與無吸聲情況相比，四個空間區(qū)域噪聲聲壓級有明顯的降低。隨著吸聲系數(shù)的繼續(xù)增加，較低的戶外進(jìn)風(fēng)口區(qū)域聲壓級減小仍然比較明顯，但是在其它空間區(qū)域，由于其離聲源近或離吸聲墻遠(yuǎn)，噪聲聲壓級雖具有減小的趨勢，但是降低量不是很明顯。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用基于統(tǒng)計能量方法的VA One軟件，通過探索典型戶內(nèi)變電站噪聲聲壓級隨聲源強(qiáng)度、吸聲墻高度以及平均吸聲系數(shù)的變化規(guī)律，總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）戶內(nèi)變主變室的室內(nèi)外四個空間區(qū)域噪聲聲壓級隨聲源強(qiáng)度的增加而增加；

（2）對于戶內(nèi)離聲源近的變壓器上方和人活動區(qū)域，當(dāng)吸聲墻高于4 m后，其噪聲聲壓級隨著吸聲墻的增高，減小不明顯；當(dāng)吸聲系數(shù)大于0.2后，隨著吸聲系數(shù)的增加，同樣減小得不明顯。

（3）對于戶外較低的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域，當(dāng)吸聲墻高于4 m后，其噪聲聲壓級隨著吸聲墻的增高，減小不明顯；當(dāng)吸聲系數(shù)大于0.2后，隨著吸聲系數(shù)的增加，仍然有明顯的減小。對于戶外較高的排風(fēng)口區(qū)域，其噪聲聲壓級，當(dāng)吸聲墻高于4 m后，隨著吸聲墻的增高，減小趨勢仍然明顯；當(dāng)吸聲系數(shù)大于0.2后，隨著吸聲系數(shù)的增加，減小量不明顯。

雖然本文應(yīng)用VA One統(tǒng)計能量法對戶內(nèi)變電站噪聲的傳播規(guī)律進(jìn)行了初步探索，但是對于該方法所要求子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)均≥5的要求，文中并非完全滿足，因而在一定程度上對統(tǒng)計平均的結(jié)果存在誤差，但總體上可以體現(xiàn)出戶內(nèi)變噪聲傳播的一般性規(guī)律。

圖6 空間區(qū)域噪聲聲壓級隨吸聲墻高度變化

圖7 空間區(qū)域噪聲隨吸聲系數(shù)變化

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Study onApplication of Statistical EnergyAnalysis Method and VAOne Software to Predict Indoor Substation Noise

MEI Tian-long1,WU Jing-ping1,FAN Hong2,XULing1

(1.School of Transportation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China; 2.School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

∶The indoor substations in cities have solved the problem of citizen electricity necessity,while they cause serious noise pollution.It is particularly important for the preliminary design to predict the Sound Pressure Level(SPL)of the substation noise,so as to take further measures to reduce the noise.In this paper,taking a typical indoor substation as an example,a model for acoustic simulation based on statistical energy analysis method is established and analyzed with the software VA One,and the indoor and outdoor sound fields of the main transformer chamber of the substation are simulated.Then,the effects of the intensity of the sound source SPL,the height and the absorption coefficient of the sound-absorbing wall on the SPL of the sound fields are studied.This work gives a reference for noise prediction and noise reduction design of indoor substations.

acoustics;indoor substation;noise simulation;VAOne;statistical energy analysis method

O422.6< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.028

1006-1355(2014)06-0126-05

2014-01-20

梅天龍（1988-），男，湖北赤壁人，碩士生，主要研究方向：水聲工程、船舶水動力性能。

吳靜萍，女，碩士生導(dǎo)師。

E-mail∶wujp@whut.edu.cn