2017, Vol. 50文章信息
- 胡静竹, 刘涤尘, 廖清芬, 晏阳, 梁姗姗
- HU Jingzhu, LIU Dichen, LIAO Qingfen, YAN Yang, LIANG Shanshan
- 变电站声屏障降噪效果及影响因素分析
- Substation noise reduction effect of barrier and analysis of influencing factors
- 武汉大学学报 (工学版), 2017, 50(1): 75-80
- Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(1): 75-80
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-01-011
-
文章历史
- 收稿日期: 2016-05-23
为了增加城市供电可靠性和保证供电质量，输变电网中的降压变电站往往建在与住宅及公共场所较近的市区[1]，变电站噪声问题越来越受到关注.为了避免变电站周围居民受到噪声的污染，降噪问题成为了关键.变电站环境复杂，其噪声分布与很多因素有关[2-3].变电站降噪措施包括有源降噪和无源降噪.有源降噪在我国还处于研究阶段，鲜有投入实际应用[4]，无源降噪包括设置隔音室、隔音壁、隔音罩、隔声屏障以及采用吸声材料[5-6].而声屏障是变电站较常用的降噪措施之一[7-8]，方便简单.变电站内建筑物可起到声屏障的作用，其不同的布局会影响噪声的分布情况.屏障的不同位置和不同的高度也会影响其隔声量.因此在对变电站噪声进行治理时，对于变电站的建筑物布局以及声屏障的安置位置和尺寸参数均需要合理设计，以便得到最好的降噪效果.
本文对隔声屏障绕射损失进行了研究，对变电站内分别设置不同高度和不同安置位置的声屏障的降噪效果进行了分析，并对变电站在不同建筑布局情况下的噪声分布大小进行了计算，为变电站建设布局及设置声屏障提供了一定的依据.
1 声屏障隔声衰减理论根据文献[9]可知，点声源的辐射声波在空间传播过程中的衰减包括几何发散衰减、大气吸收衰减、地面效应衰减、屏障隔声衰减以及其他多方面效应引起的衰减 (一般忽略不计).而噪声在空间传播的衰减分量中，最关键以及受环境影响最多的是屏障的隔声衰减分量.
声屏障降噪理论基础是惠更斯-菲涅尔的波动理论[10].当在声源与接收点的传播路径中增加一声屏障，噪声声波在传播过程中遇到声屏障时，会发生反射、透射和绕射现象.而屏障的隔声损失主要取决于声波绕射引起的差值损失，由于传播路径变长，而导致噪声降低.
声屏障的差值损失由下式计算可得：
(1)
式中：N为三个传播方向上的菲涅尔数，且N=2δ/λ，其中λ为声波波长，δ为声程差.
声屏障差值损失计算的关键是声程差的计算，可分为单个声屏障与两个声屏障两种情况[9]，如图 1和图 2所示.
|
| 图 1 单屏障的绕射 Figure 1 Diffraction of single barrier |
|
| 图 2 双屏障的绕射 Figure 2 Diffraction of double barrier |
计算单屏障绕射差值损失时，声程差计算公式为δ=d1+d2-L；双屏障情况下计算公式为δ=d1+d2+d3-R.
当点声源与预测点之间的连线与声屏障之间有一定的夹角α时，则涅菲尔数N为
(2)
由声屏障绕射公式可知，绕射声衰减Abar是频率和声程差的函数，即为Abar(f, δ).因此计算时需要考虑噪声源的频率特性，而变电站噪声主要为由交变电流引起的电磁振动噪声，其频率为基频的2倍即f=100 Hz，简化计算时取频率为100 Hz.
2 变电站声屏障计算模型 2.1 变电站噪声源模型变电站中最主要的噪声源设备是变压器和电抗器.噪声源可按点声源、线声源和面声源来建立模型，当声源长度远小于声源到受声点的距离 (当声源至受声点的距离大于声源长度的3倍) 时，可以将声源看成一个点声源[9].本文主要分析变电站围墙外的噪声降噪情况，因此可将变压器等噪声源简化为点声源计算.
2.2 变电站声屏障分析模型本文使用220 kV变电站简化模型，计算时只计及主要噪声来源变压器产生的噪声，将变压器简化为一个点声源，距离地面2 m，并选择距离其2 m的基准发射面处的倍频带A计权声压级进行计算.将位于声源和预测点之间影响声波传播的障碍物简化成薄屏障.此模型中将主控楼等效为10 m的薄屏障，将围墙等效为2.7 m的薄屏障.
|
| 图 3 220 kV户外变电站简化示意图 Figure 3 Simplified schematic diagram of 220 kV outdoor substation |
预测点处噪声的计算方法为
(3)
式中:L为预测点噪声值声压级；Adiv为噪声传播过程中的空间几何发散衰减；Abar为声屏障绕射衰减.
由于几何衰减分量为距离的函数，即Abar(r)，其大小仅取决于预测点与声源之间的距离，预测点确定后其几何衰减分量即为常数.因此对于每个固定的预测点而言，噪声大小主要取决于声屏障的衰减作用，即受屏障的不同位置、高度和个数等参数的影响.
本文以此220 kV变电站噪声计算模型为基础研究声屏障的隔声效果，计算了屏障的安设位置、高度设置以及加不同的吸声材料时的隔声损失值，并分析了设置多个声屏障对噪声分布的影响.
3 声屏障隔声效果分析 3.1 声屏障位置的影响为分析单个声屏障位置对隔声量的影响，选取噪声预测点为220 kV变电站西边距围墙内1 m处高2 m的场点，噪声源为变压器点声源.为计算声屏障在不同位置处的隔声损失效果，将声屏障放置在噪声源与预测点的连线上的不同位置，计算预测点处噪声值.图 4显示了预测点处噪声大小与屏障 (主控楼) 距离噪声源位置的关系.
|
| 图 4 预测点处噪声值与屏障位置的关系 Figure 4 Relationship between noise prediction value and positions of the barrier |
另外分别计算了当声源与预测点之间的距离为40、50、60、70、80、90 m时声屏障声程差的大小，仿真得到屏障绕射声程差与声屏障距声源距离的关系如图 5所示.
|
| 图 5 声程差与声屏障距声源的距离的关系 Figure 5 Relationship between the acoustic path difference and the distance from the source to noise barrier |
由声屏障绕射公式可知，声程差越大，N越大，绕射所产生的衰减也越大.而由图 4和图 5可知当声屏障与声源或者预测点的距离比较近时，声程差都比较大，而在声源与预测点中间位置时，声程差最小.而且当预测点与声源距离越小时，声屏障在同一位置产生的衰减会越大.因此应将声屏障安置在声源或者预测点附近.如果变电站外有敏感点，将声屏障安置在敏感点附近，可得到更好的降噪效果.
3.2 声屏障高度的影响声屏障的隔声损失取决于声程差，而屏障高度不同时，声程差也会变化.本文选择距离变压器70 m高度为2 m处的点为预测点，分析声屏障高度与其绕射衰减量的关系，预测点处的噪声值与声屏障高度的关系如图 6所示.
|
| 图 6 预测点噪声与声屏障高度的关系 Figure 6 Relationship between noise prediction value and barrier height |
由图 6可知随着声屏障高度的增加，预测点处噪声值不断减小，当屏障高度 < 6 m时，隔声衰减量增加较快，而当声屏障高度>6 m时，隔声衰减量增加较缓慢.可见隔声衰减量并不随屏障高度的增加而线性增加.
对每个频段上噪声衰减进行了计算，由于单屏绕射每个频段最大衰减不超过20 dB[9]，当计算值大于20 dB时取为20 dB，结果如表 1所示.
| H/m | 频率/Hz | |||||||
| 63 | 125 | 250 | 500 | 1 000 | 2 000 | 4 000 | 8 000 | |
| 3 | 7.2631 | 8.8154 | 10.8727 | 13.3145 | 16.0099 | 18.8538 | 20.0000 | 20.0000 |
| 5 | 9.7361 | 11.9643 | 14.5391 | 17.3140 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 |
| 7 | 11.8840 | 14.4194 | 17.1876 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 |
| 10 | 14.4460 | 17.1831 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 | 20.0000 |
可见当声屏障高度增加时，高频段的噪声衰减很快达到饱和值，总的噪声衰减速度将变小，且当屏障安置的位置比较合适时，屏障的高度会在更低时就达到衰减的最大作用，因此在设置屏障时应首先考虑最佳安置位置，然后根据所需衰减量计算出最合适、性价比最高的屏障的高度.
3.3 声屏障上加吸声材料的作用根据声屏障绕射公式可知，当噪声频率越高时，波长越短，涅菲尔数N越大，隔声损失越大，因此声屏障在高频段的隔声效果较好.而由于变电站噪声能量主要集中在低频段，需要在屏障上加吸声材料来增加隔声降噪效果.
加了吸声材料后，在计算屏障的隔声量时不仅要计算屏障绕射引起的损失，还应该加上吸声材料的吸声降噪值[12]，计算公式为
(4)
式中：α为吸声材料的吸声系数；Li为每个频率吸声前声压级；LT为吸声前总声压级.
加入吸声材料后声屏障的总传声损失为
(5)
仍使用上述220 kV变压器数据，假设屏障距变压器5 m，高度为5 m，预测点为围墙处变压器与屏障的垂线上，与变压器同高的地方.
吸声材料在各频段吸声如表 2所示，声屏障用3种不同材料时预测点处的噪声值对比图如图 7所示.
| 材料 | 频率/Hz | 平均值 | ||||
| 125 | 250 | 500 | 1 000 | 2 000 | ||
| 超细玻璃棉 | 0.05 | 0.24 | 0.72 | 0.97 | 0.90 | 0.65 |
| 双层阻抗复合板 | 0.54 | 0.80 | 0.94 | 0.80 | 0.84 | 0.78 |
| 微穿孔板 | 0.68 | 0.98 | 0.86 | 0.60 | 0.50 | 0.71 |
由图 7可知，加吸声材料后，屏障的降噪作用会增加2~5 dB，3种材料中平均吸声系数最高的为阻抗复合板，高频吸声效果较好的为超细玻璃棉，低频吸声效果较好的为微穿孔板，由于变电站噪声低频特性突出，当使用微穿孔板时预测点处的噪声值最小，可见变电站在选用吸声降噪材料时，不能只考虑平均吸声系数，而应该选择中低频段吸声系数较大的材料，其对于变电站的噪声降噪效果会更好.
|
| 图 7 使用不同材料时预测点处噪声值 Figure 7 Noise value of receiving point with different absorption materials |
接收点与声源之间的传播路径上有多个屏障，如图 8所示.采用凸包法选择2个对绕射贡献最大的声屏障计算双绕射插值损失[13].
|
| 图 8 多屏障绕射作用 Figure 8 Diffraction of single multiple barriers |
本文对围墙外场点的噪声值进行了计算，分别对没有屏障、1个屏障和2个屏障 (含多个) 的情况进行了分析，假设围墙高度为2.7 m，屏障高度为5 m，仿真结果如图 9所示.可见增加一个声屏障可以减少8~10 dB的噪声值，而设置2个或者多个声屏障时则可以减少12~15 dB的噪声值.可见设置声屏障可以比较有效地降低噪声值，而声屏障的隔声效果并不与其个数成正比关系.
|
| 图 9 不同屏障个数隔声损失 Figure 9 Sound insulation loss of different barrier number |
当声源两侧均有声屏障时，由于屏障有反射作用，声波会在屏障间发生多次反射.因此采用镜像声源法，接收点的声压为直达声和反射声叠加，即为声源和镜像声源引起的总声压.根据镜像原理[14-15]，声屏障外任意一点处的声压由无穷多个镜像声源叠加而成，计算时仅取影响最大的几个镜像声源，如图 10所示.
|
| 图 10 屏障间多次反射的镜像声源 Figure 10 Mirror sound sources of the point source as multiple reflection between barriers |
研究变电站内建筑物布局对噪声衰减的影响，本文分别计算了无建筑物、变压器一侧有建筑物与变压器两侧均有建筑物时 (如图 11所示) 的两侧噪声值.
|
| 图 11 建筑物分布在主变两边时变电站简化示意图 Figure 11 Simplified schematic diagram of the substation with building distribution on both sides of the main transformer |
为简化计算，将变电站噪声等效为f=100 Hz, 不考虑围墙的影响，预测点在围墙处与变压器同高度2 m的地方.计算结果如表 3所示.
| dB | ||
| 变压器两边建 筑物分布情况 |
西边预测点处 噪声值 |
东边预测点处 噪声值 |
| 无建筑物 | 54.10 | 51.00 |
| 西边有建筑物 | 40.20 | 53.27 |
| 两边均有建筑物 | 41.76 | 40.58 |
由表 3可知，经建筑物阻碍后，噪声衰减可增加10 dB左右，但是在一侧有建筑物时，另一侧会由于建筑物的反射作用使得噪声值增大.因此应将建筑物建在变电站周边有敏感点的一侧，若在噪声源两边均有敏感点，应将建筑物设置在两边，若只在一侧排列则会加重另一边的噪声污染.通过对变电站内建筑布局进行优化可以在基本不增加建设投入的前提下取得一定的降噪效果.
4 结论在控制变电站噪声以及降低敏感点处的噪声值时，通常在变电站内设置声屏障，通过仿真分析可知要获取最佳的隔声降噪效果，应将声屏障设置在声源或者敏感点附近并加低频吸声系数大的吸声材料.而对于声屏障的高度并不是越高越好，当达到一定高度后，效果增加不再明显，应该根据需要降低的量合理设置，选择性价比高的高度.此外，多个声屏障的隔声效果比一个好，但是若位置安设不合适会使得敏感点处的噪声增大，应尽量将屏障 (建筑) 设置在声源与敏感点的噪声传播路径上.
| [1] |
莫娟, 苏俊收. 大型电力变压器油箱辐射噪声预估研究[J].
高压电器, 2014, 50(4): 12–16.
Mo Juan, Su Junshou. Radiated noise prediction for large power transformer tank[J]. High Voltage Apparatus, 2014, 50(4): 12–16. |
| [2] |
黄青青, 冯苗锋, 王庭佛. 220 kV变压器噪声及其传播特性浅析[J].
环境工程, 2011(29): 330–333.
Huang Qingqing, Feng Miaofeng, Wang Tingfo. Analysis of noise and its propagation characteristics of 220 kV transformer[J]. Environmental Engineering, 2011(29): 330–333. |
| [3] |
徐禄文. 户外变电站噪声预测及优化控制设计[J].
噪声与振动控制, 2013, 2(1): 152–156.
Xu Luwen. Noise forecast and optimal control design of out-door substation[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 2(1): 152–156. |
| [4] |
王学磊, 张黎, 李庆民, 等. 电力变压器有源降噪中次级声源的参数优化分析[J].
高电压技术, 2012, 38(11): 2815–2822.
Wang Xuelei, Zhang Li, Li Qingmin, et al. Parameter optimization analysis of the secondary acoustic sources for power transformer active noise control[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(11): 2815–2822. |
| [5] |
陈秋, 李振海. 变电站噪声防治方案研究[J].
电力科技与环保, 2006, 22(3): 49–51.
Chen Qiu, Li Zhenhai. Research on noise control scheme of electric transformer substation[J]. Electric Power Technology and Environmental Protection, 2006, 22(3): 49–51. |
| [6] |
樊超, 聂京凯, 肖伟民, 等. 变电站降噪用吸声材料的研究[J].
中国电力, 2014, 47(4): 144–147.
Fan Chao, Nie Jingkai, Xiao Weimin, et al. Research on sound-absorption materials for substation noise reduction[J]. Electric Power, 2014, 47(4): 144–147. |
| [7] |
倪园, 张广洲. 特高压交流试验基地的噪声评估与治理[J].
高电压技术, 2009, 35(8): 1856–1861.
Ni Yuan, Zhang Guangzhou. Assessment and treatment of noise in UHV AC test base[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(8): 1856–1861. |
| [8] |
肖冰, 徐迪. 750 kV变电站噪声预测及防治[J].
电力建设, 2012, 33(6): 30–33.
Xiao Bing, Xu Di. Noise prediction and control in 750 kV substation[J]. Electric Power Construction, 2012, 33(6): 30–33. |
| [9] |
HJ-2.4-2009环境影响评价技术导则--声环境[S].北京:中国环境科学出版社, 2009.
HJ2.4-2009 Technical Guidelines for Environmental Impact Assessment General Principle:Acoustic Environment[S].Beijing:China Environmental Science Press, 2009. |
| [10] |
潘仲麟. 声屏障衍射声场的近似计算[J].
杭州大学学报 (自然科学学报), 1987, 14(4): 426–429.
Pan Zhonglin. Approximate calculation of the sound field of diffraction of barrier[J]. Journal of Hangzhou University (Nature Science), 1987, 14(4): 426–429. |
| [11] |
吴高强, 程胜高, 黄磊, 等. 户外220 kV变电站噪声环境影响预测研究[J].
噪声与振动控制, 2007, 6(3): 135–138.
Wu Gaoqiang, Chen Shengao, Huang Lei, et al. Prediction on noise of 220 kV outdoor substation to environmental infection[J]. Noise and Vibration Control, 2007, 6(3): 135–138. |
| [12] |
张英, 周敬宣. 声屏障吸声作用对绕射降噪量贡献的分析[J].
噪声与振动控制, 2007, 6(3): 100–102.
Zhang Ying, Zhou Jingxuan. Analysis of the contribution sound barrier absorption to the diffraction[J]. Noise and Vibration Control, 2007, 6(3): 100–102. |
| [13] |
徐禄文, 刘小玲. 变电站环境噪声三维空间衰减模型计算法研究[J].
中国电机工程学报, 2012, 32(13): 175–180.
Xu Luwen, Liu Xiaoling. Study on the three dimension attenuated model and the algorithm of environmental noise in substations[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(13): 175–180. |
| [14] |
查雪琴, 周小儒. 自由声场特性的模拟计算和测量[J].
电声技术, 2009, 33(11): 6–13.
Zha Xueqin, Zhou Xiaoru. Computer simulation and measurement of free-field characteristics[J]. Audio Engineering, 2009, 33(11): 6–13. |
| [15] |
郭萍, 文桂林. 三维有限长声屏障声压简化算法[J].
公路交通科技, 2012, 29(8): 153–158.
Guo Ping, Wen Guilin. A simplified method for calculating acoustic pressure of 3D finite length noise barriers[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(8): 153–158. |