楊富堯，韓 鈺，聶京凱，陳 新，祝志祥，肖偉民，林 群，陳榮柱

(1. 中國電力科學研究院 電工與新材料研究所，北京 100192；2. 北京市勞動保護科學研究所 國家環(huán)境保護城市噪聲與振動控制工程技術(shù)中心，北京 100054;3. 浙江溫州電力局，溫州 325000)

鋁纖維復合板結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸聲性能的影響規(guī)律

楊富堯1，韓 鈺1，聶京凱1，陳 新1，祝志祥1，肖偉民2，林 群3，陳榮柱3

(1. 中國電力科學研究院 電工與新材料研究所，北京 100192；2. 北京市勞動保護科學研究所 國家環(huán)境保護城市噪聲與振動控制工程技術(shù)中心，北京 100054;3. 浙江溫州電力局，溫州 325000)

利用吸聲材料降噪是治理變電站噪聲污染的重要途徑。以鋁纖維、鋁箔、鋁板網(wǎng)為原料，采用冷軋法制備具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋁纖維復合吸聲板，采用阻抗管的標準測試方法檢測鋁纖維復合板吸聲系數(shù)，研究材料的纖維板面密度、空腔厚度、纖維種類等參數(shù)對材料吸聲性能的影響。結(jié)果表明：試驗采用的鋁纖維復合板具有優(yōu)異的吸聲性能，采用切削法纖維及面密度為484 g/m2的鋁纖維復合板吸聲性能最好；隨空腔厚度的增大，吸聲系數(shù)的峰值向低頻段移動。

鋁纖維復合板；變電站；吸聲性能；結(jié)構(gòu)參數(shù)；吸聲系數(shù)

Abstract:Using noise absorption materials is an important way to control noise in substations. The aluminum fibrous composite panel with different structure parameters, which is based on aluminum fibers, aluminum foil and aluminum net board, was successfully fabricated by using cold-rolled method, and its sound absorption coefficient was measured by standing wave ratio method. The effects of surface density, airspace thickness and fiber categories on the sound absorption coefficient were investigated. The results show that the aluminum fibrous composite panel with surface density of 484 g/m2, which is prepared by cutting fibers, has the best sound-absorption property. The airspace thickness shows a great influence on the sound absorption coefficient at low frequency, the sound absorption coefficient peak values shift to the low frequencies with the airspace get thicker.

Key words:aluminum fibrous composite panel; substation; sound-absorption property; structure parameters; sound absorbing coefficient

近年來，我國超特高壓輸電工程快速發(fā)展，城區(qū)擴建的高電壓等級的變電站不可避免地進入人口密集區(qū)[1?2]，變電站廠界和周圍部分較高的噪聲污染對站區(qū)周圍的社區(qū)、學校以及站內(nèi)運行人員的正常作業(yè)造成了嚴重影響[3]，急需采取合理降噪措施進行治理。而改制站內(nèi)設備的結(jié)構(gòu)降噪治理周期長、成本高、可行性差[4?7]，故目前對于已投運的變電站主要采用吸聲材料進行降噪。

針對變電站噪聲源特點及服役環(huán)境，根據(jù)國內(nèi)外大量吸聲材料相關(guān)的試驗及應用研究數(shù)據(jù)[8?12]可知，與其他類型的吸聲材料相比，金屬纖維吸聲板因其具有強度高、吸聲效果好、易加工、耐候性好、傳熱好、環(huán)保易回收以及綜合使用成本低等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注[13?16]。其中鋁纖維因密度小、用量省、耐蝕性好、加工工藝簡單、生產(chǎn)成本低，較其他金屬纖維相比擁有更大優(yōu)勢。然而國內(nèi)鋁纖維吸聲板的研究起步較晚，應用推廣缺乏相關(guān)系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)支撐。對于金屬纖維吸聲板，面密度(纖維質(zhì)量)、空腔厚度和纖維種類等因素對其吸聲性能影響較大[12?14]。本文作者通過制備具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋁纖維吸聲板，研究分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對鋁纖維復合板吸聲性能的影響規(guī)律，對鋁纖維吸聲板結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及吸聲材料的發(fā)展具有一定的指導與推動作用。

1 實驗

如圖1所示，鋁纖維復合板由具有不同孔徑尺寸的鋁板網(wǎng)、鋁纖維氈、鋁箔及龍骨(隔板)組成，其中影響鋁纖維復合板吸聲性能的主要因素有纖維種類、面密度(纖維質(zhì)量)和空腔厚度。鋁纖維復合板具體制備過程為：將鋁板網(wǎng)、鋁纖維氈、鋁箔進行前期熱處理，然后分別剪切成11 cm×11 cm大小，按照圖1所示位置鋪好，使用小型軋機軋制成1.50 mm厚的鋁纖維復合板。圖2(a)和(b)所示分別為以切削和熔抽纖維為原料制備的復合板。將鋁纖維復合板采用龍骨(隔板)安裝，與板背面有一定厚度的空氣層組成吸聲結(jié)構(gòu)。各鋁纖維復合板樣品及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。

分別選用直徑為70～90 μm的切削法及熔抽法鋁纖維[17]為原料，采用不同纖維面密度和空腔厚度制備帶有龍骨結(jié)構(gòu)的鋁纖維復合板，將鋁纖維復合板及龍骨(隔板)加工成吸聲性能檢測所需的尺寸d 99.5 mm。采用駐波比法，按照 GBT/18696《聲學?阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量》檢測鋁纖維板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，檢測設備采用丹麥B&K(Brüel & Kj?r)公司的4206型雙傳聲器阻抗測量管[18]。

圖1 鋁纖維復合板各組成部分及龍骨(隔板)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of components of aluminum fibrous composite panels and the keel (partition)

圖2 兩種鋁纖維復合板的宏觀形貌Fig.2 Macro-morphologies of aluminum fibrous composite panels: (a) Composite panels with cutting fibers; (b) Composite panels with fusing drawing fibers

2 結(jié)果與分析

2.1 面密度對吸聲性能的影響

圖3所示為固定8 cm背腔(即鋁纖維吸聲板后空氣腔厚度)，以切削纖維氈為原料制備的3種不同面密度鋁纖維復合板的吸聲性能對比，圖4所示為采用熔抽鋁纖維氈為原料制備的3種不同面密度鋁纖維復合板吸聲性能對比。測量頻率采用三分之一倍頻程。測量結(jié)果表明，該吸聲結(jié)構(gòu)共振特性十分明顯，吸聲系數(shù)變化趨勢均為隨著頻率f的增加而先增大后減小，在200～600 Hz范圍內(nèi)共振頻率出現(xiàn)明顯的共振吸聲峰。目前國內(nèi)外發(fā)展的吸聲材料如巖棉、玻璃棉等無機纖維材料以及不銹鋼纖維材料均具有在高頻段吸聲性能好，而在低頻段吸聲效果差的缺點[19?21]。由圖 3和4可見，該方法制備的鋁纖維復合板在低頻段具有較好的吸聲效果，吸聲系數(shù)峰值達到0.9以上。因此，針對變壓器、高壓電抗器和電容器產(chǎn)生的噪聲以63～500 Hz的中低頻電磁噪聲為主[4?7]的特點，采用該新型鋁纖維復合板進行噪聲治理與變電站的噪聲源得到了較好的契合。

表1 鋁纖維復合板樣品及其結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of aluminum fibrous composite panels

圖3 不同面密度的切削鋁纖維復合板吸聲性能的對比Fig.3 Comparison of absorption coefficients of cutting fibers samples with different surface densities

圖4 不同面密度的熔抽鋁纖維復合板吸聲性能的對比Fig.4 Comparison of absorption coefficient of fusing drawing fibers samples with different surface densities

由圖3和4可知，相同的頻率范圍內(nèi)，不同面密度的樣品吸聲性能不同。共振頻率吸聲峰均隨面密度的增加，總體吸聲性能變差，峰值略微下降，這種共振吸聲結(jié)構(gòu)可借鑒穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)加以討論。法向相對阻抗率為ξ，是單位面積吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗Za與空氣特性阻抗ρ0c0的比值。如式(1)～(3)所示[22]。

式中：實部r為相對法向聲阻率，虛部x為相對法向聲抗率，ω為入射波的角頻率，θ為入射聲波角度，D為空腔厚度，l為考慮各項修正后的等效板厚，σ為板的等效穿孔率。

當聲波入射時，吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)為

對于任一特定角度，吸聲系數(shù)α的大小變化趨勢相同。為了方便討論，僅需考慮聲波垂直入射時(θ為0°)各參量的影響。鋁纖維復合板吸聲系數(shù)的大小取決于實部r和虛部x。當面密度增大時，即纖維含量增多，相同面積下的鋁纖維復合板變得更加密實，等效穿孔率σ減小，使依靠空氣摩擦震動消耗能量的阻性部分作用減小，聲阻率減小(r＜1)，所以共振吸聲峰值會隨著面密度的增大而略微下降。并且σ較低時，雖一定程度上改善了低頻吸聲性能，但由于聲波較難進入材料內(nèi)部，樣品的總體吸聲性能變差。面密度增大使等效板厚l略有增加，使兩種鋁纖維復合板吸聲系數(shù)峰值均向低頻段移動，這與不銹鋼纖維多孔材料的吸聲特性類似[23]。

2.2 空腔厚度對吸聲性能的影響

圖5和6所示為固定面密度、改變空腔厚度時鋁纖維復合板吸聲性能的對比。由圖5和6可以看出，有無空腔對吸聲性能影響很大。沒有空氣層時(空腔厚度為0 cm)，兩種纖維板的吸聲系數(shù)均低于0.2，達不到吸聲效果。面密度相同時，盡管背腔空氣層厚度不同，同種纖維吸聲板的吸聲系數(shù)峰值大小相近，與2.1節(jié)中的分析一致。隨著空腔厚度的增大，共振吸聲峰逐漸向低頻移動，該規(guī)律符合王佐民和俞悟周[24]對該共振結(jié)構(gòu)聲學特性的理論分析：低頻聲波的波長較長，易在空腔厚度大時形成共振吸聲結(jié)構(gòu)，而高頻聲波波長短，空腔厚度越小則越易形成共振吸聲結(jié)構(gòu)。由圖5和6可見，增加空腔厚度可顯著改善該兩種鋁纖維復合板的低頻吸聲性能，但使高頻段的吸聲系數(shù)降低。當空腔厚度達到12 cm時，在高頻段出現(xiàn)吸聲谷。一般認為，當纖維板空腔厚度等于1/4波長的奇數(shù)倍時，其相應的頻率長處的聲壓為零，空氣質(zhì)點的振動速度最大，則吸聲可獲得最大的吸聲系數(shù)。這是因為距剛性壁面1/4波板所起的摩擦阻性效果最大，使聲能耗損達到最大，達到最好吸聲效果，這時出現(xiàn)共振吸聲峰；而距剛性壁面1/2波長處的聲壓最大，質(zhì)點振動速度為零，這時相應頻率材料的吸聲系數(shù)最小，出現(xiàn)吸聲谷。

圖5 不同空腔厚度的切削鋁纖維復合板吸聲性能的對比Fig.5 Comparison of absorption coefficient of cutting fibers samples with different airspace thickness

圖6 不同空腔厚度的熔抽鋁纖維復合板吸聲性能的對比Fig.6 Comparison of absorption coefficient of fusing drawing fibers samples with different airspace thickness

2.3 纖維種類對吸聲性能的影響

分別對比圖3和4、圖5和6可知，切削纖維的吸聲曲線較平滑，而熔抽纖維的曲線則略顯凹凸不平，這是由于切削鋁纖維較易加工，易形成形狀規(guī)則的鋁纖維氈，方便鋪展，均勻性較好。而熔抽鋁纖維由于制備工藝復雜，表面粘性強，鋪展困難，使制備鋁纖維復合板時纖維較難鋪展，不可避免存在纖維鋪設不均勻現(xiàn)象。

為方便比較，由表2列出兩種鋁纖維復合板各樣品的吸聲性能。由表2可以看出，具有相同空腔厚度(空氣層厚度大于0 cm)和面密度的鋁纖維復合板吸聲系數(shù)峰值大小接近，均在0.90左右。比較63～500 Hz中低頻段兩吸聲板的平均吸聲系數(shù)可知，空腔厚度大于4 cm時，切削鋁纖維復合板的平均吸聲系數(shù)較高，吸聲效果較好。而在40～1 600 Hz整體頻段，切削纖維板的平均吸聲系數(shù)則較低，這說明切削鋁纖維復合板在高頻段的吸聲系數(shù)衰減較快，不適合作為高頻吸聲材料使用。但由于切削法鋁纖維制備工藝簡單，生產(chǎn)技術(shù)成熟，成本低，產(chǎn)能大，而熔抽法纖維制備工藝復雜，對設備、環(huán)境要求苛刻，原料獲取困難，并且變壓器、電抗器和電容器產(chǎn)生的噪聲以中低頻電磁噪聲為主，因此，綜合考慮后選擇切削鋁纖維復合板為治理變電站噪聲的吸聲材料。

由上述檢測結(jié)果及分析可知，通過改變面密度、鋁纖維復合板空腔厚度和纖維種類等參數(shù)可直接影響材料的吸聲性能。吸聲系數(shù)的總變化趨勢是隨頻率的增加而呈波浪起伏狀，且共振吸聲峰值、谷值出現(xiàn)的頻率位置受以上各參數(shù)的影響。因此，可通過改變以上參數(shù)，設計針對變電站的噪聲特點的鋁纖維復合板進行噪聲治理。

表2 鋁纖維復合板樣品吸聲性能對比Table 2 Comparison of absorption properties of aluminum fibrous composite panels

3 結(jié)論

1) 該種鋁纖維吸聲板是一種低頻吸聲性能優(yōu)異的吸聲材料，鋁纖維吸聲板的面密度、空腔厚度和鋁纖維種類等參數(shù)對其低頻吸聲性能有顯著影響，其中面密度為484 g/m2，具有一定空腔厚度的兩種吸聲板綜合吸聲效果較好。

2) 纖維吸聲板無空腔時其吸聲作用很小，空腔厚度的改變對材料的共振吸聲峰值大小基本無影響，對整體頻段吸聲效果影響不大?？涨缓穸仍龃?，吸聲峰和吸聲谷均向低頻段移動。針對變電站噪聲的中低頻段特點及吸聲板的空間占用情況，背腔厚度8 cm較為合適。

3) 綜合考慮變電站噪聲特點及鋁纖維的成本、技術(shù)等因素，選擇切削鋁纖維復合板進行電磁振動噪聲的治理。

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(編輯 何學鋒)

Effects of structure parameters of aluminum fibrous composite panel on sound-absorption properties

YANG Fu-yao1, HAN Yu1, NIE Jing-kai1, CHEN Xin1, ZHU Zhi-xiang1, XIAO Wei-min2, LIN Qun3, CHEN Rong-zhu3
(1. Department of Electrical Engineering and New Material, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. Beijing Municipal Institute of Labor Protection-State Environmental Protection Engineering Center for
Urban Noise and Vibration Control, Beijing 100054, China;
3. Zhejiang Wenzhou Electric Power Bureau, Wenzhou 325000, China)

TB31；TB535

A

1004-0609(2012)07-1963-06

國家電網(wǎng)公司科技資助項目(DG71-10-001)

2011-06-07；

2012-03-01

楊富堯，工程師，碩士；電話：010-82813345轉(zhuǎn)8504；E-mail: yangfuyao@epri.sgcc.com.cn