梅天龍 吳靜萍 樊 紅 田 偲

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

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的速度越來越快，城市電力需求量逐漸增大，導(dǎo)致供電負(fù)載越來越高，很多變電站開始在人口集中的市內(nèi)建立．為了降低變電站噪聲污染，變壓器從戶外搬進(jìn)了戶內(nèi)．但是噪聲仍然會(huì)從通風(fēng)散熱的進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口向外輻射，噪聲超標(biāo)，引起周圍居民投訴．因此，有必要針對城市戶內(nèi)變電站噪聲預(yù)報(bào)和控制進(jìn)行研究．

針對變電站噪聲產(chǎn)生和傳播的復(fù)雜性，國內(nèi)外許多學(xué)者以及電力變壓器制造公司對變壓器噪聲問題進(jìn)行了研究．20世紀(jì)70年代以來，國外各主要變壓器制造公司，如西屋公司和通用電氣公司，均投入了大量人力物力對變壓器噪聲控制開展廣泛和深入的研究，如利用聲強(qiáng)法、聲壓法進(jìn)行變壓器聲級(jí)測量，以及遠(yuǎn)場輻射噪聲分析［1］．近年來國內(nèi)一些學(xué)者也對室內(nèi)變電站噪聲模擬作了相應(yīng)的仿真分析，并取得了一定成果，楊敏等［2］通過采用商業(yè)軟件ANSYS結(jié)合聲振軟件SYSNOISE對封閉的城市戶內(nèi)變電站內(nèi)外聲場進(jìn)行模擬仿真和預(yù)測．

本文應(yīng)用法國ESI集團(tuán)推出的VA One仿真計(jì)算軟件對噪聲場進(jìn)行仿真模擬．VA One軟件是一款用于全頻段振動(dòng)噪聲分析的商業(yè)軟件，廣泛用于汽車、船舶、航空航天，以及建筑等行業(yè)領(lǐng)域．陳偉［3］用該軟件實(shí)現(xiàn)了對軌道客車內(nèi)部噪聲聲壓級(jí)的預(yù)測和控制；王婉秋等［4］采用統(tǒng)計(jì)能量分析方法探討了航天器虛擬噪聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案的可行性研究；潘凱［5］通過建立飛機(jī)艙內(nèi)噪聲預(yù)計(jì)模型，分析和預(yù)報(bào)了飛機(jī)艙室的噪聲性能，驗(yàn)證了模型及方法的有效性；李峰等［6］通過采用統(tǒng)計(jì)能量分析方法對散貨船艉噪聲進(jìn)行仿真，優(yōu)化了船舶結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能；李新［7］針對井下液壓提升機(jī)及硐室的復(fù)雜噪聲環(huán)境，使用VA One模擬了硐室建筑室內(nèi)的噪聲擴(kuò)散規(guī)律，對礦山井下噪聲預(yù)測、控制及改善作出了一定貢獻(xiàn)．

本文以南昌某戶內(nèi)變電站的主變室作為聲學(xué)計(jì)算模型，使用VA One中的統(tǒng)計(jì)能量分析方法，開展了聲振激勵(lì)下變電站主變室內(nèi)外噪聲的預(yù)報(bào)，通過將仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果的比較，兩者符合程度令人滿意，從而驗(yàn)證了所建立的仿真模型和采用的仿真方法的合理性和有效性．

1 戶內(nèi)變電站產(chǎn)生噪聲原因及傳播途徑

1．1 變電站的主要噪聲源

本文研究的變電站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)2個(gè)方面．國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，變壓器本體振動(dòng)產(chǎn)生噪聲的根源在于：（1）硅鋼片在交變的磁場作用下發(fā)生微小的磁致伸縮，使得鐵心隨著勵(lì)磁頻率的變化發(fā)生周期性的振動(dòng)［8］；（2）硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁產(chǎn)生的電磁吸引力而引起鐵心的振動(dòng)；（3）當(dāng)繞組中有負(fù)載電流通過時(shí)，負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁引起線圈、油箱壁的振動(dòng)．本體噪聲通過鐵心墊腳和變壓器油傳遞給箱體和附件而產(chǎn)生；冷卻系統(tǒng)的噪聲主要由風(fēng)扇和油泵的振動(dòng)引起．

1．2 變電站噪聲傳播途徑

室內(nèi)變電站由于占地面積小，站內(nèi)主要設(shè)備分布緊湊，主變壓器、電容器、配電裝置等主要集中在零米層［9］．因此在室內(nèi)變電站產(chǎn)生噪聲的聲波通過介質(zhì)傳播有2種：（1）變壓器正常工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)噪聲會(huì)經(jīng)過空氣介質(zhì)傳播到四周，一部分在室內(nèi)反射，反射聲和直達(dá)聲相互疊加，進(jìn)而產(chǎn)生聲壓級(jí)更強(qiáng)的混響聲；一部分從進(jìn)、排風(fēng)口傳到室外．（2）室內(nèi)變壓器在工作時(shí)振動(dòng)會(huì)沿著基座傳遞給結(jié)構(gòu)物從而產(chǎn)生固體傳聲．

通過現(xiàn)場觀察，本文研究的變電站變壓器基座傳遞振動(dòng)噪聲成分很小，噪聲傳播途徑主要考慮空氣介質(zhì)傳聲．

2 統(tǒng)計(jì)能量分析方法

麻省理工R．H．Lyon［10］受到室內(nèi)聲學(xué)及統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的啟發(fā)，提出應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析方法解決結(jié)構(gòu)聲振問題，把研究對象從用隨機(jī)參數(shù)描述的總體中抽象出來，對被研究的具體細(xì)節(jié)參數(shù)不感興趣，關(guān)心的是時(shí)域、頻域和空間上的統(tǒng)計(jì)平均值，同時(shí)采用“能量”的觀點(diǎn)，統(tǒng)一解決結(jié)構(gòu)聲振和聲場問題．它不僅能夠預(yù)計(jì)上述系統(tǒng)動(dòng)力特征，還能進(jìn)行噪聲和振動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障診斷．

圖1顯示統(tǒng)計(jì)能量分析法（statistical energy analysis，SEA）的2個(gè)相鄰子系統(tǒng)，對該子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立能量平衡方程．

圖1 2個(gè)SEA子系統(tǒng)

對于3個(gè)以上子系統(tǒng)，其能量守恒方程為下列矩陣形式［14］．

式中：Pi為時(shí)間平均上的輸入能量；ω為分析頻段的中心頻率；ηi為阻尼損耗因子；ηij為耦合損耗因子；ni為模態(tài)密度；Ei為系統(tǒng)能量，i，j＝1，2，…，k，k為子系統(tǒng)總數(shù)．

統(tǒng)計(jì)能量分析法運(yùn)用簡單的功率流平衡方程，研究機(jī)械系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng)或其他不同系統(tǒng)之間的相互作用，使用的模型簡單，計(jì)算得出的結(jié)果便可達(dá)到工程應(yīng)用要求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足．傳統(tǒng)方法局限于對有限數(shù)量的低階模態(tài)進(jìn)行分析，分析誤差隨著頻率范圍的擴(kuò)展而迅速增大，分析難度隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度而增加，統(tǒng)計(jì)能量分析則不然，它適用于高頻、密集模態(tài)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)要求不嚴(yán)，統(tǒng)計(jì)能量分析法引入損耗因子，并利用經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)崪y值來計(jì)算，在某種程度上掩蓋了某些結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)連接的細(xì)節(jié)．

統(tǒng)計(jì)能量分析方法中，以頻率區(qū)間內(nèi)的模態(tài)作為統(tǒng)計(jì)母體，必須達(dá)到一定數(shù)量才能保證平均結(jié)果有意義，統(tǒng)計(jì)能量分析方法適用于模態(tài)密度較大的分析區(qū)域，一般在模態(tài)數(shù)都≥5的條件下能夠達(dá)到比較理想的狀態(tài)．

3 戶內(nèi)變電站聲場仿真

南昌某戶內(nèi)變電站主變室的主要尺寸為：長9．75m、寬7．55m、高14m，在高的一半處有相連通的控制觀察室，尺寸為：長9．75m、寬8m、高7m．混凝土墻厚度取10cm；主變室頂部設(shè)有2個(gè)排風(fēng)口，等效尺寸均為：2m×2m，進(jìn)風(fēng)口1個(gè)，等效尺寸為：長2．75m、高0．6m，中心點(diǎn)高度為0．8m．

進(jìn)風(fēng)口安裝了消聲通道，室內(nèi)北向、東向、西向墻壁安裝穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，南向墻安裝了一扇由微孔板與吸聲材料組合而成的HCM5型拆裝式隔音門，門與墻的厚度相同．

利用VA One軟件進(jìn)行仿真的簡單步驟如下：（1）在三維建模軟件中生成實(shí)際模型后，導(dǎo)入VA One；（2）劃分結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)（見圖2），設(shè)置相關(guān)參數(shù)；（3）建立子系統(tǒng)連接；（4）添加聲源激勵(lì)；（5）求解及查看結(jié)果．

子系統(tǒng)劃分過程中要根據(jù)戶內(nèi)變的結(jié)構(gòu)特征以及研究對象，結(jié)合統(tǒng)計(jì)能量分析方法的子系統(tǒng)劃分原則進(jìn)行．劃分原則包括：耦合系統(tǒng)自然邊界條件和動(dòng)力學(xué)邊界條件一致、模態(tài)相似、模態(tài)數(shù)最低要求等．

圖2 戶內(nèi)變SEA子系統(tǒng)模型示意圖

結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子可通過查材料手冊獲得，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；穿孔板平均吸聲系數(shù)取0．3；進(jìn)風(fēng)口消聲通道的吸聲效果，簡單地取聲腔子系統(tǒng)平均吸聲系數(shù)來等效處理；仿真模型的聲腔子系統(tǒng)的損耗主要來自空氣吸聲，聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子的取值，參考相關(guān)文獻(xiàn)以及考慮該主變室內(nèi)聲源頻譜特征，用于仿真計(jì)算的頻譜見圖3．

圖3 聲腔子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子

圖4 a）給出了主變室隔音門外噪聲聲壓級(jí)（sound pressure level，SPL）仿真值和實(shí)測值在頻率范圍31．5Hz～8kHz的單倍頻程的SPL頻譜．圖4a）中同時(shí)將聲源頻譜一起給出，便于參考．從圖中可見，仿真SPL頻譜隨頻率的變化趨勢與聲源的頻譜變化趨勢是一致的，并且仿真值與實(shí)測值相當(dāng)接近．仿真值與實(shí)測值的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)的誤差見表1．

圖4b）給出了HCM5型拆裝式通風(fēng)隔音門內(nèi)、外空間仿真SPL頻譜．從圖中可見，2頻譜隨頻率的變化趨勢一致，兩者的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)的差值見表2．

圖4 主變室隔音門處仿真噪聲聲壓級(jí)頻譜

計(jì)算圖4a）中的仿真SPL頻譜值，得到A計(jì)權(quán)修正后的主變室隔音門外噪聲頻帶聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，得到總聲壓級(jí)，并與對應(yīng)空間實(shí)測的A計(jì)權(quán)噪聲總聲壓級(jí)一起列于表1．表1中還計(jì)算了仿真值與實(shí)測值之間的相對誤差，計(jì)算式見式（2）．計(jì)算得出相對誤差值為2．8%，足夠小，表明仿真值與實(shí)測值兩者相當(dāng)吻合．

計(jì)算圖4b）中的仿真SPL頻譜值，得到的A計(jì)權(quán)修正后的隔音門內(nèi)、外空間噪聲頻帶聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，以及得到的總聲壓級(jí)和兩者差值，見表2．在隔音門處，內(nèi)、外空間噪聲A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)差值達(dá)到17．1dB，與廠家提供的該隔音門的降噪隔音量15dB效果相比較，令人滿意．

表1 主變室隔音門外模擬值和實(shí)測值噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對比及相對誤差數(shù)據(jù)表

表2 主變室隔音門內(nèi)、外空間仿真噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)及差值數(shù)據(jù)表

從表1中數(shù)據(jù)可見，對于經(jīng)過噪聲處理后的主變室而言，隔音門外SPL仿真值和實(shí)測值均滿足夜間城市Ⅱ類地區(qū)噪聲規(guī)定的50dB以下的要求．

4 結(jié)束語

采用VA One聲學(xué)分析軟件，基于統(tǒng)計(jì)能量分析方法，對某110kV變電站主變室內(nèi)外空間區(qū)域的噪聲進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)際測量值作對比，兩者吻合程度較好，在一定程度上證明了本文采用VA One軟件、基于統(tǒng)計(jì)能量分析方法模擬戶內(nèi)變噪聲的可靠性和有效性．

對于經(jīng)過噪聲處理后的主變室而言，室外SPL仿真值和實(shí)測值均滿足夜間城市Ⅱ類地區(qū)噪聲規(guī)定的50dB以下的要求．

［1］KENDING R P．Sound intensity survey of the comerfod HVDC converter station［J］．Power Engineering Review，IEEE，1989（3）：1876－1881．

［2］楊 敏，仲兆平，嚴(yán) 青，等．220kV城市戶內(nèi)變電站聲場模擬與分析［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，40（6）：1226－1231．

［3］陳 偉．軌道客車室內(nèi)聲學(xué)特性研究［D］．大連：大連交通大學(xué)，2009．

［4］王婉秋，劉 闖．航天器虛擬噪聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］．航天器環(huán)境工程，2009，26（2）：140－142．

［5］潘 凱．基于VA One的飛機(jī)艙內(nèi)噪聲預(yù)計(jì)方法研究［J］．測控技術(shù)，2008，27（3）：22－26．

［6］李 峰，徐芹亮，滕 瑤，等．統(tǒng)計(jì)能量法在船舶噪聲與振動(dòng)控制中的應(yīng)用［J］．噪聲與振動(dòng)控制，2011（6）：152－155．

［7］李 新．基于統(tǒng)計(jì)能量法的液壓提升機(jī)硐室噪聲預(yù)測與分析［D］．長沙：湖南科技大學(xué)，2011．

［8］黃敏均．戶內(nèi)配電變壓器低頻噪聲監(jiān)測分析與治理［J］．江蘇電機(jī)工程，2011，30（2）：55－58

［9］馬耀宇．淺談室內(nèi)變電站噪聲控制措施［J］．重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，15（5／6）：26－28．

［10］LYON R H．Statistical energy analysis of dynamical systems：theory and applications［M］．Massachusetts：MIT Press，1975．