一種新型復(fù)合材料在配電房噪聲控制中的應(yīng)用研究

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一種新型復(fù)合材料在配電房噪聲控制中的應(yīng)用研究

何偉光,何浩明,梁璟晟

（廣州蘿崗供電局，廣州，510730

摘要：針對居民區(qū)配電房噪聲擾民問題，研制了一種新型復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲材料，并對其聲學(xué)性能及燃燒性能進(jìn)行了測試，均能滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。利用該材料設(shè)計(jì)變壓器專用隔聲罩，并提出了配電房降噪改造方案，進(jìn)行了現(xiàn)場試點(diǎn)試驗(yàn)。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的改造方案有效降低了變壓器低頻噪聲，使配電房噪聲由原來的56dB降至44dB，滿足了《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值。

關(guān)鍵詞：配電房噪聲；復(fù)合微孔氣液懸浮材料；材料性能；配電房改造

0　引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開電網(wǎng)的支持，隨著城區(qū)的擴(kuò)大，城市電網(wǎng)改造勢在必行。為保證城市用電，越來越多的配電房修建在靠近居民區(qū)處或直接建在居民區(qū)內(nèi)，但配電房會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的低頻噪聲，對周圍居民的生活和健康造成惡劣影響，配電房噪聲治理問題也引起了越來越多的關(guān)注。

經(jīng)研究表明，配電房主要噪聲源是變壓器，且頻率主要集中在200Hz附近的低頻范圍內(nèi)。目前針對配電房噪聲控制問題，主要解決方法有被動(dòng)消聲法、主動(dòng)有源消聲法和主動(dòng)鐵芯振動(dòng)抑制法。被動(dòng)消聲法是指通過隔聲、吸聲等措施在主要噪聲傳播路徑上設(shè)置隔聲板等以達(dá)到降低噪聲的目的，該方法原理簡單且易操作，隔音效果不明顯，并且在配電房狹窄的空間內(nèi)不易安置隔聲板。主動(dòng)有源消聲法是利用控制電路產(chǎn)生與原噪聲振幅相同、相位相差180度的反噪聲來消除或減弱原噪聲，該方法只能消除特定方向的噪聲。主動(dòng)鐵芯振動(dòng)抑制法是通過改造變壓器，抑制變壓器鐵芯的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)降低變壓器噪聲，降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本較高。因此，目前迫切需要一種能夠有效控制配電房噪聲的措施。

本文分析了配電房噪聲的頻率分布特性及現(xiàn)有噪聲控制方法之后，研制出了一種用于控制配電房噪聲的新型復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲材料，并對該材料的阻尼損耗因子、建筑聲學(xué)性能及燃燒性能進(jìn)行了測試，證明了其應(yīng)用于工程實(shí)際的可行性。最后設(shè)計(jì)了配電房改造方案，并在廣州某實(shí)際居民區(qū)地下配電房進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，為解決配電房噪聲治理問題提供了新方法。

1　復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲材料研制

變壓器工作時(shí)可能存在頻率在31.5Hz-8000Hz的噪聲，整個(gè)頻帶聲級(jí)范圍約在45-75dB之間，且以中低頻聲為主，低頻音穿透力極強(qiáng)，故存在較大的固體傳聲及空氣傳聲影響周邊住戶等，須采用聲學(xué)降噪處理措施，以確保有效降低配電室設(shè)備使用時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和噪聲對周邊環(huán)境的影響，并達(dá)到國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過改進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)而降低噪聲往往需要變壓器生產(chǎn)廠家進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在生產(chǎn)時(shí)保證各項(xiàng)生產(chǎn)工藝質(zhì)量，而一旦變壓器安裝完成投運(yùn)后則無法再改動(dòng)，此種方式耗時(shí)長、費(fèi)用高。本文選用成本更低、實(shí)施也更簡單的方式，利用隔聲、吸聲原理使噪聲在傳播途徑中得以衰減的降噪原理，研制開發(fā)新型復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲材料，并利用該材料研制加工成變壓器隔音罩改造配電房實(shí)現(xiàn)降噪。

1.1材料類型和試制

在降噪處理技術(shù)中通常需要使用具有降噪功能的金屬板材，或在變壓器的金屬基材上涂覆阻尼降噪涂料?，F(xiàn)有用于金屬基材的涂料大多為水性或溶劑型阻尼材料，其中溶劑型阻尼涂料含有大量有機(jī)溶劑，易燃，而水性阻尼涂料干燥速度慢，易產(chǎn)生開裂、脫落現(xiàn)象；金屬板材在涂覆阻尼涂料前要求將鋼板表面的防銹底漆全部打光，粘貼時(shí)需用木攆、砂袋、弓形夾等外力固定，粘貼強(qiáng)度低，使用時(shí)常出現(xiàn)虛粘、開膠、脫落、返銹等現(xiàn)象。

金屬材料表面能較高，表面張力大。膠粘劑中異氰酸酯或其衍生物百分含量越高，膠粘層的表面張力越大，膠層越堅(jiān)韌，能與金屬等基材很好地匹配，粘接強(qiáng)度一般較高。雙組分無溶劑聚氨酯阻尼材料，主要由端異氰酸酯基組分、端羥基組分和其他助劑組成，對金屬有較好的粘附能力。但常用的芳香族異氰酸酯合成的聚氨酯在高溫高濕條件下，因熱裂解或水解而造成環(huán)境危害。此外，僅使用阻尼材料的自由阻尼結(jié)構(gòu)的減振降噪效果遠(yuǎn)不如約束阻尼結(jié)構(gòu)。

目前，市面上的各種吸音、隔音材料多種多樣，各種材料的用途也不盡相同，本文綜合上述材料性能分析，針對配電房發(fā)電機(jī)組變壓器噪聲的特性及頻率，選擇采用了氣液懸浮技術(shù)，以達(dá)到減噪的目的。通過多次配比、試驗(yàn)，我們開發(fā)了具有良好降噪效果的氣液懸浮阻尼材料并進(jìn)行了優(yōu)化、試制，在噴涂阻尼材料的過程中，在基板上布置鐵絲網(wǎng)，使材料在其表面形成細(xì)小的微孔，讓聲能在微孔中衰減，提高其降噪性能。

1.2材料結(jié)構(gòu)與組分

本文研制的復(fù)合阻尼材料，包括阻尼層和約束層(如圖2-1所示)。復(fù)合涂層通過約束層降音，阻尼層隔音，來降低聲源傳出的噪音，達(dá)到靜音降噪的目的，具有阻尼溫域?qū)挘c金屬板材復(fù)合后的損耗因子高，阻尼效果好等特點(diǎn)。且由于該涂層不含有機(jī)溶劑，具有常溫固化，無毒、阻燃、加工簡便、快速等優(yōu)點(diǎn)。

阻尼層為聚醚氨酯/環(huán)氧樹脂互穿聚合物，阻尼效果更好；約束層的填料為碳纖維，輕薄、柔韌性好。阻尼層損耗因子及復(fù)合損耗因子比現(xiàn)有其它技術(shù)的阻尼層要優(yōu)越，阻尼域?qū)?，且增加了硬度，比重有所增加，隔音效果更加顯著，干燥時(shí)間縮短，更便于加工，在高溫應(yīng)力循環(huán)時(shí)不開裂。

圖2-1　材料結(jié)構(gòu)圖（1約束層，2阻尼層，3金屬基材，4鋼絲網(wǎng)）

阻尼層為無溶劑改性聚氨酯阻尼涂層，約束層為無溶劑改性環(huán)氧樹脂約束涂層。成品材料加工工藝步驟為：在鋼板表面涂上防銹底漆，待底漆干透，將阻尼層組份混合攪拌均勻，得到粘稠液體，將混合均勻的阻尼層刮涂在基材上晾干。該阻尼層只涂一道，厚度約為1mm，待到指壓不凹陷時(shí)，證明已干燥固化。此時(shí)，可配制約束層，將約束層的組份按比例混合均勻，得到約束層液體涂料，將混合均勻的約束層液體多次刮涂在已干燥的阻尼涂層上，晾干至指壓不凹陷。刮涂約束層采用多道刮涂，累積刮涂約6mm，約束層中還可嵌入鋼絲網(wǎng)，干燥后即可使用。

2　材料性能測試

為保證復(fù)合微孔氣液懸浮材料用于工程實(shí)際時(shí)，能安全有效的工作，本文對其阻尼層損耗因子、硬度、建筑聲學(xué)性能以及燃燒性能等進(jìn)行了測試。

2.1物理特性測試

本文在實(shí)驗(yàn)室對上述復(fù)合阻尼涂層進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表3-1所示：

表3-1　復(fù)合材料物理特性測試

本文研制的降噪材料阻尼層為聚醚氨酯/環(huán)氧樹脂互穿聚合物，填料為碳纖維，而現(xiàn)有技術(shù)中的阻尼層僅為聚醚氨酯，填料為鱗片狀填料。與現(xiàn)有技術(shù)材料相比，本文材料的阻尼層損耗因子及復(fù)合損耗因子更加優(yōu)越，阻尼域?qū)?，且增加了硬度，比重有所增加，隔音效果更加顯著，干燥時(shí)間縮短，更便于加工，在高溫應(yīng)力循環(huán)時(shí)不開裂。

2.2建筑聲學(xué)性能測試

為研究復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲板的空氣隔聲效果，本文對2440mm*1220mm*27mm規(guī)格的樣品板進(jìn)行了建筑聲學(xué)性能測試。測試依據(jù)國標(biāo)聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量標(biāo)準(zhǔn)GB/19889.3-2005/ISO 140-3:1995和建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50121-2005設(shè)計(jì)進(jìn)行。被測試件的隔聲量R的計(jì)算公式為：

本次測試將復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲樣板砌于隔聲實(shí)驗(yàn)室洞口內(nèi)，四周用雙層磚墻復(fù)合結(jié)構(gòu)（180mm磚墻+50mm礦棉+240mm磚墻）封閉，進(jìn)行空氣隔聲測試。測試結(jié)果如圖3-1：

由測試結(jié)果可以看出，復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲板在100Hz到500Hz的低頻段具有較好的隔聲效果，隔聲量可以達(dá)到50Hz以上。

圖3-1　空氣隔聲測量

2.3燃燒性能測試

對上述隔聲樣板進(jìn)行燃燒性能測試，依據(jù)國標(biāo)建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)(GB8624-2006)及建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定（GB/T 14402-2007）對試品進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果如表3-2所示（質(zhì)量損失率檢驗(yàn)結(jié)果展伸不確定度為0.2%）：

表3-2　復(fù)合材料燃燒性能測試

由檢驗(yàn)結(jié)果可知，該制品燃燒性能符合A1級(jí)的規(guī)定要求，按GB 8624-2006判定，該制品燃燒性能達(dá)到A1級(jí)，可用于工程實(shí)際。

本文研制的復(fù)合微孔氣液懸浮隔聲材料，輕薄、柔韌性好，阻尼域?qū)?，隔音效果更加?yōu)越，且建筑聲學(xué)及燃燒性能均能達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較大的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3　現(xiàn)場試點(diǎn)試驗(yàn)

3.1配電房改造方案

目前配電房中的變壓器與基礎(chǔ)設(shè)施的連接等處普遍做減震減噪措施，多為安裝減震彈簧等，因此本文為解決空氣傳播的噪聲而設(shè)計(jì)降噪方案。結(jié)合測試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場環(huán)境的勘察，并考慮施工因素，設(shè)計(jì)方案如下：采用吸、隔音相結(jié)合安裝隔聲罩的治理方式，即運(yùn)用隔音原理隔斷噪聲傳播，并結(jié)合阻尼層消耗聲波吸收能量達(dá)到降噪目的。為達(dá)到最優(yōu)的降噪效果，將隔聲罩原來使用的阻尼材料層調(diào)整為阻尼材料層加隔音棉層，達(dá)到雙層降噪目的，外層還是使用多層受約束板隔聲技術(shù)，大幅降低變壓器噪聲通過空氣向外輻射的噪音，以達(dá)到減噪的目的。

這種多層復(fù)合隔聲板是由內(nèi)層選擇耐溫性能高的金屬隔音板，外層則針對低頻音選擇低頻隔音板，中間填充隔音棉并噴涂阻尼涂料組合而成，通過微質(zhì)點(diǎn)受約束震動(dòng)吸能原理，消除隔聲層的透射噪聲，隔音罩材料結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

同時(shí)本文從實(shí)際出發(fā)，在隔聲罩上安裝了變壓器散熱用的風(fēng)機(jī)，另外安裝了專用消聲器來解決變壓器噪音通過散熱通風(fēng)口向外傳播問題。

圖4-1　隔音罩材料結(jié)構(gòu)示意圖

3.2現(xiàn)場測試

根據(jù)本文提出的配電房改造方案，在廣州某居民小區(qū)地下配電房進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了復(fù)合微孔氣液懸浮材料的降噪效果。改造前后分別測量配電房噪聲如圖4-2：

從圖4-2可看出，現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)的噪聲頻率段還是主要集中在100-1500Hz，最大噪聲頻率仍為200Hz附近，最大分貝卻減低至為55dB以下。利用連續(xù)加權(quán)A聲級(jí)的算法，最終得到的A聲級(jí)分

圖4-2　現(xiàn)場噪聲測試

貝數(shù)約為44dB，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，起到降噪的效果，滿足居民日常生活的正常水平。

4　結(jié)論

為解決配電房噪聲擾民問題，本文研制了復(fù)合微孔氣液懸浮降噪材料，提出了配電房降噪改造措施，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了改造措施在降低變壓器低頻噪聲方面的有效性。為變壓器專門設(shè)計(jì)的隔聲罩使用了復(fù)合微孔氣液懸浮降噪材料和多層受約束板隔聲技術(shù)，大幅降低變壓器噪聲通過空氣向外輻射。該技術(shù)采用最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施，可大幅降低配電開關(guān)房的建設(shè)投入和運(yùn)行維護(hù)成本。

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何偉光.男，34歲，2012年畢業(yè)于四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，現(xiàn)從事配電運(yùn)行管理工作

Application of a new composite material in the control of distribution room noise

He Weiguang,He Haoming,Liang Jingsheng

（Guangdong Grid Co Luogang Power Supply Bureau，Luogang，510730，China）

Abstract：This paperdeveloped a new composite microporous gas liquid suspension insulation material to solve residential power distribution room noise,and tested for its acoustic and burning properties,which both meet the relevant national standards.Designed transformer special acoustic enclosures with this material,and made a plan to reform distribution room, and conducted a field pilot test.The results show that the design of rehabilitation programs to reduce the transformer low-frequency noise is effective, distribution room noise from the original 56dB fell to 44dB, which meet the standard limits of ""Standard of Environmental Noise of Urban Area."".

Keywords：Distribution room noise;composite microporous gas liquid suspension insulation material; material properties;distribution room rehabilitation

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