鋁纖維板的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能分析

周 兵，涂 琪，倪 園，王延召，李晨輝，胡靜竹

（1.中國電力科學(xué)研究院 電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 材料成型與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

鋁纖維板的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能分析

周 兵1，涂 琪2，倪 園1，王延召1，李晨輝2，胡靜竹1

（1.中國電力科學(xué)研究院 電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 材料成型與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

為了解決變電站低頻噪聲問題，研制兩種鋁纖維板復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。首先基于阻抗管法分析鋁纖維的面密度和空腔對低頻吸聲性能的影響，然后將鋁纖維板分別與聚酯纖維、亥姆霍茲共振器進行組合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，接著分析復(fù)合材料的低頻吸聲性能。結(jié)果表明，鋁纖維的面密度對吸聲系數(shù)影響較小，而增大空腔厚度可一定程度提高鋁纖維板的低頻吸聲系數(shù)，但100 Hz處吸聲系數(shù)仍然不理想；鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)和鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)相較于鋁纖維板低頻吸聲性能均有很大的提高，特別是100 Hz的吸聲系數(shù)最高可達到0.9以上，可用于變電站低頻降噪。

聲學(xué)；變電站；低頻噪聲；鋁纖維板；吸聲性能；復(fù)合結(jié)構(gòu)

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，用電需求不斷增大，越來越多的變電站被建設(shè)在城市人口密集區(qū)域，給周圍居民帶來了噪聲污染問題[1–2]。國家強制性標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348-2008）規(guī)定了固定設(shè)備排放的噪聲，通過建筑結(jié)構(gòu)傳播至噪聲敏感建筑物室內(nèi)時，31.5 Hz～500 Hz頻率范圍內(nèi)的倍頻帶聲壓級不能超過某一限值。因此位于城區(qū)的部分室內(nèi)變電站面臨噪聲超標(biāo)問題[3]。而且，隨著居民環(huán)保意識的提高，針對變電站噪聲擾民的投訴越來越多[2]。通過技術(shù)手段解決變電站噪聲超標(biāo)、擾民問題，已成為電網(wǎng)公司及環(huán)保部門的當(dāng)務(wù)之急。

變壓器是變電站最主要的噪聲來源。變壓器噪聲包括電磁振動噪聲和冷卻裝置的機械噪聲。電磁噪聲主要是由硅鋼片磁致伸縮振動產(chǎn)生的，頻率分布在100 Hz基頻及200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz諧振頻率上，以低頻為主；輔助冷卻裝置噪聲以500 Hz～4 000 Hz中高頻為主[4–6]。低頻噪聲衰減緩慢，波長較長，能輕易地穿越障礙物[7]，其傳播距離可以很遠，是變電站噪聲治理的重點和難點。

采用吸聲、隔聲技術(shù)是變電站最常用的降噪措施[8]，鋁纖維板是一種應(yīng)用廣泛的吸聲材料，但研究表明其在100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)特別是100 Hz處的吸聲系數(shù)較低[9–12]，不能滿足變電站低頻降噪的要求。因此為了提高鋁纖維板的低頻吸聲性能，在研究鋁纖維板面密度和空腔大小對其吸聲系數(shù)的影響的基礎(chǔ)上，提出了兩種基于鋁纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，將鋁纖維分別與聚酯纖維和亥姆霍茲共振器進行組合，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)，并分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)的低頻吸聲性能，得到可適用于變電站降噪的復(fù)合材料。

1 鋁纖維吸聲性能分析

鋁纖維板由孔徑大小不同的上下兩層鋁網(wǎng)板和中間一層的鋁箔和鋁纖維氈組成，通過輥壓機壓成1.0 mm～3.0 mm厚的薄板，具有密度小，力學(xué)性能、耐候性能優(yōu)良以及加工性能好等優(yōu)點。選用了4種規(guī)格的鋁纖維板，其包含網(wǎng)板的面密度和對應(yīng)的厚度分別為：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），分別記作1#、2#、3#、4#樣品，將他們加工成直徑為100 mm的圓形試樣。

1.1 測試與分析方法

試驗設(shè)備采用AWA 6290T型傳遞函數(shù)吸聲系數(shù)測量系統(tǒng)，采用阻抗管進行測量，試驗筒長度為300 mm，試樣筒內(nèi)徑為100 mm，可測量吸聲頻率范圍為 50 Hz～1600 Hz。測量方法根據(jù) GB/T 18696.2—2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法》的規(guī)定執(zhí)行。分別測量四種不同鋁纖維板在背后空腔為100 mm時的吸聲系數(shù)并進行對比，選擇性能最好的一種鋁纖維板，然后分別測量其在背后空腔為0、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm時的吸聲系數(shù)，重點分析其低頻吸聲特點。

1.2 面密度對鋁纖維板吸聲性能的影響

分別測量1#、2#、3#、4#樣品在空腔為100 mm時的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同面密度的鋁纖維板在空腔為100 mm時的吸聲系數(shù)

由圖1可知，四種鋁纖維板在低頻段的吸聲系數(shù)比較接近，特別是在100Hz的吸聲系數(shù)都比較小，可見面密度對鋁纖維板的吸聲系數(shù)影響較小，從成本上考慮，選擇1#鋁纖維板進行后續(xù)試驗分析。

1.3 空腔大小對鋁纖維板吸聲性能的影響

測量1#鋁纖維板在背后空腔分別為0、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm時的吸聲系數(shù)，得到吸聲曲線如圖2所示，得到100 Hz頻率、第1共振吸聲峰值頻率處的吸聲系數(shù)、50 Hz～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)和100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)如表1所示。

由圖2可以看出，當(dāng)沒有空腔時，鋁纖維板的吸聲系數(shù)很低，小于0.2。增加空腔后，鋁纖維板的吸聲系數(shù)顯著增加，并在共振頻率處出現(xiàn)峰值，峰值吸聲系數(shù)接近1。隨著空腔厚度的增大，共振吸聲峰逐漸向低頻移動，共振吸聲峰的個數(shù)也逐漸增加，但隨著空腔的厚度增加，峰值頻率向低頻移動的幅度逐漸減小。在50 Hz～1 600 Hz頻段，隨著空腔厚度的增大，共振吸聲峰的個數(shù)也逐漸增多，相鄰兩個共振吸聲峰之間的距離逐漸減小，并且出現(xiàn)了共振吸聲谷，吸聲特性曲線出現(xiàn)劇烈波動，如同正弦曲線一樣。

表1 1#鋁纖維板在不同空腔時的吸聲系數(shù)統(tǒng)計

圖2 空腔大小對1#鋁纖維板吸聲性能的影響

表1表明隨著空腔厚度增加，鋁纖維板在100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)先增大后減小，最大值達0.8以上；100 Hz處的吸聲系數(shù)逐漸增大，當(dāng)空腔為300 mm時，最大值只有0.512，可見鋁纖維板在低頻段尤其是100 Hz處的吸聲系數(shù)仍然偏低。

2 鋁纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能分析

由前面的分析可知僅通過對鋁纖維板進行參數(shù)優(yōu)化不能得到低頻吸聲效果理想的結(jié)構(gòu)。因此本文將鋁纖維與聚酯纖維和亥姆霍茲共振器進行組合得到復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，來改善其低頻段的吸聲性能。采用的聚酯纖維容重為40 kg/m3，厚度為50 mm，同樣將其加工成直徑為100 mm的圓形，亥姆霍茲共振器由鋁合金加工而成，其共振頻率為100 Hz，頸部長度為142 mm。

2.1 鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能分析

鋁纖維板與聚酯纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖3所示，分別將鋁纖維板設(shè)置在聚酯纖維前面和后面形成兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖3 鋁纖維板和聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)

將鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)放入阻抗管試樣筒中，鋁纖維板分別前置和后置，調(diào)節(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)與后壁之間的空腔大小，分別測量當(dāng)空腔厚度為75 mm、125 mm、175 mm、225 mm時的吸聲系數(shù)，其吸聲曲線如圖4所示。

圖4 鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲曲線

分別得到兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)在100 Hz處的吸聲系數(shù)，50 Hz～1 600 Hz以及100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)如表2所示。

表2 鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)

由圖4可以看出，隨著復(fù)合結(jié)構(gòu)背后空腔厚度的增加，吸聲曲線逐漸出現(xiàn)吸聲峰和吸聲谷，吸聲峰和吸聲谷的個數(shù)也逐漸增加，并且向低頻方向移動，其波動幅度也在加劇，這符合空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)的特點，是鋁纖維板與背后空腔組成的共振吸聲結(jié)構(gòu)引起的；同時復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲谷值比鋁纖維板的谷值大很多，這是由于聚酯纖維有良好的中高頻吸聲性能。對比圖4（a）和圖4（b）可知，鋁纖維板后置組合的吸聲曲線的波動幅度較小，中高頻的吸聲系數(shù)更高。

由表2中的數(shù)據(jù)可知，隨著空腔厚度的增加，兩種組合在100 Hz處的吸聲系數(shù)逐漸增大，50 Hz～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)基本不變，100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)初始有小幅增加，隨后趨于穩(wěn)定。對比兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)空腔大于125 mm時，兩者在100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)相近，都在0.8～0.9之間，而鋁纖維板后置復(fù)合結(jié)構(gòu)在50 Hz～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)更高。這是由于鋁纖維板在低頻段的吸聲系數(shù)較高，聚酯纖維對聲波幾乎沒有反射作用，所以兩個組合在100 Hz～500 Hz低頻段的吸聲系數(shù)相近。當(dāng)鋁纖維板前置時，由于鋁纖維板對高頻聲波的反射作用大，使相當(dāng)一部分高頻聲波無法被聚酯纖維吸收，導(dǎo)致高頻吸聲系數(shù)偏低，50 Hz～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)較??；而聚酯纖維前置時已經(jīng)吸收了大部分高頻聲波，故50 Hz～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)較高。另外，鋁纖維板前置組合在100 Hz處的吸聲系數(shù)高于鋁纖維板后置組合，相比中鋁纖維板的吸聲系數(shù)也有了較大提高。

可見鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅在低頻段100 Hz～500 Hz的平均吸聲性能較好，而且鋁纖維板前置結(jié)構(gòu)在100 Hz處的吸聲系數(shù)也比較理想，可適用于變電站降噪。

2.2 鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能分析

將鋁纖維板與亥姆霍茲共振器進行組合得到復(fù)合結(jié)構(gòu)，在鋁纖維板上打一個直徑與共振器頸口直徑相同的同心圓孔，使共振器與外部相通，鋁纖維板與共振器上表面構(gòu)成142 mm的空腔，如圖5所示。

圖5 鋁纖維板和亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)

將鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)放入阻抗管試樣筒中，測量其吸聲系數(shù)，并與鋁纖維板未打孔的復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)作為對比。得到吸聲曲線如圖6所示。

采用阻抗管測量共振器吸聲系數(shù)時，將共振器前端與試樣管前端平齊進行測量，使用數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，每3 Hz左右記錄一個數(shù)據(jù)，設(shè)備可直接測量得到共振器的吸聲系數(shù)。

圖6 鋁纖維板和亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)

從圖6中可以看出，共振器-鋁纖維板（打孔）復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲曲線有四個峰，峰值吸聲系數(shù)均接近1，而鋁纖維板未打孔時，第一個峰減小，第三個峰幾乎消失，這是因為未打孔的鋁纖維板對低頻聲波具有一定的反射作用，而對中、高頻聲波具有較強的反射作用，導(dǎo)致亥姆霍茲共振器對低頻聲波的吸收作用減弱，對高頻聲波的吸收作用幾乎消失。因此鋁纖維板打孔的結(jié)構(gòu)吸聲性能更加優(yōu)良。

由測試結(jié)果可知，共振器和鋁纖維板（打孔）復(fù)合結(jié)構(gòu)在100 Hz處的吸聲系數(shù)為0.985，100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)為0.754，但是在150 Hz～200 Hz之間出現(xiàn)吸聲谷，吸聲系數(shù)低于0.4，50 Hz～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)為0.632?？梢娫搹?fù)合結(jié)構(gòu)在低頻段的選擇性吸聲系數(shù)很高，在100 Hz處的吸聲系數(shù)明顯優(yōu)于只有鋁纖維板的情況。因此鋁纖維板和亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)也可適用于變電站噪聲降噪。

另外分別測量亥姆霍茲共振器的吸聲系數(shù)A，鋁纖維板后面留有142 mm空腔時的吸聲系數(shù)B，亥姆霍茲共振器在堵住頸口時的吸聲系數(shù)C（即亥姆霍茲共振器的背景吸聲系數(shù)），以及吸聲系數(shù)D=A＋B－C。由于用阻抗管測量的吸聲系數(shù)不能超過1，因此對上述運算結(jié)果中大于1的數(shù)值進行修正，令其結(jié)果為1，得到合成吸聲系數(shù)D。A、B、C、D的曲線圖如圖7所示。

對比分析可知，圖6中的曲線1和圖7中的D曲線非常相近，計算得到合成吸聲系數(shù)D與復(fù)合結(jié)構(gòu)的實測吸聲系數(shù)的平均偏差為2.35%，可見鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)符合簡單加和規(guī)律。另外從圖7中可以看出，D曲線中的第一個峰和第三個峰是由亥姆霍茲共振器提供的，第二個峰和第四個峰是由鋁纖維板提供的。

圖7 鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲曲線

3 結(jié)語

本文針對變電站噪聲特點，對鋁纖維板及其復(fù)合結(jié)構(gòu)進行了吸聲性能分析，得到以下結(jié)論：

（1）面密度對鋁纖維板的吸聲系數(shù)影響較小，空腔對鋁纖維板的吸聲性能具有很大影響。隨著空腔厚度的增大，共振吸聲峰向低頻方向移動，移動的幅度隨空腔厚度的增加逐漸減小，共振吸聲峰的個數(shù)也逐漸增加。當(dāng)空腔厚度達300 mm時，鋁纖維板在100 Hz處的吸聲系數(shù)只有0.512，表明單一鋁纖維板在100 Hz處的吸聲系數(shù)仍然偏低，靠增大空腔很難提高；

（2）鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)背后的空腔對吸聲性能有較大影響，隨著空腔厚度的增加，吸聲曲線出現(xiàn)吸聲峰和吸聲谷，峰和谷的個數(shù)增加，并向低頻方向移動。該復(fù)合結(jié)構(gòu)在低頻段100 Hz～500 Hz的平均吸聲系數(shù)較好，達到0.8以上。且鋁纖維板后置的復(fù)合結(jié)構(gòu)，中高頻的吸聲系數(shù)更高，鋁纖維板前置的復(fù)合結(jié)構(gòu)在100 Hz處的吸聲系數(shù)更高，達到0.8以上。因此鋁纖維板前置復(fù)合結(jié)構(gòu)可用于變電站低頻噪聲降噪。

（3）鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)在鋁纖維板打孔時吸聲效果更好，該復(fù)合結(jié)構(gòu)雖然在50 Hz～1 600 Hz全頻段的平均吸聲系數(shù)偏低，但是100 Hz處吸聲系數(shù)接近1，且在100 Hz～500 Hz低頻段的吸聲效果較好。另外該復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)符合簡單加和規(guī)律；鋁纖維板-聚酯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)（鋁纖維板前置）和鋁纖維板-亥姆霍茲共振器復(fù)合結(jié)構(gòu)在低頻段具有較高的吸聲系數(shù)，用于變電站低頻降噪具有可行性。

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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，碩士研究生，從事環(huán)境科學(xué)研究工作。E-mail:zhoubing2@epri.sgcc.com.cn