0 前言

　　 变电站在我国电力输送过程中起到关键的枢纽作用 ^[1]。近年来，随着城市建设的快速发展，社会用电量的不断攀升，许多变电站逐渐深入到人口密集的区域，城镇区域内的变电站越来越多，变电站噪声对周围居民的影响受到了社会的广泛关注 ^[2]。其中变压器噪声是户内变电站中噪声的主要来源，噪声频率范围主要集中在中低频，同时也存在少部分高频段噪声 ^[3,4,5,6]。噪声控制方法主要包括隔声、吸声、隔振等 ^[7,8]。在户内变电站建设方面，变电站模块化建设已成为我国变电站设计主流，统一的设计深度和建设标准，可以提高施工效率，降低建设成本 ^[9]。但是，模块化装配式户内变电站的围护结构主要以铝镁锰夹芯板等轻质墙体为主，对电力设备噪声的控制能力是有限的。因为缺乏与户内变电站模块化建设相匹配的噪声治理方案，所以针对噪声治理需求迫切的变电站，只能对其进行降噪改造工程，但这会大大增加建设成本。因此，开展户内变电站用高隔声模块化墙体结构设计，将设备的噪声辐射控制在变电站内部，开发出相较于降噪改造成本更加低廉、降噪效果显著的高隔声模块化墙体结构，将噪声治理方案与模块化建设相适配，形成统一的定制式工程解决方案，具有重要的工程应用价值和较高的社会效益。

　　 模块化户内变电站的围护结构以可装配的金属面夹芯板为主。关于墙板隔声性能的理论研究主要有四种方法，分别为波传递法、模态分析法、统计能量分析法和数值分析法。波传递法是求解构件隔声量的经典方法，得到的规律主要是“质量定律”和“吻合效应”,但是由于其未考虑构件的几何尺寸，在低频区域得到的隔声量与实测值偏差较大 ^[10,11]。模态分析法是在一侧混响声场激励下，根据构件的模态信息和辐射特性，求解其振动响应和辐射声场以及隔声量；该方法的缺点在于复杂条件下构件在高频区域的模态难以准确计算 ^[12]。统计能量分析法基于统计平均概念，把声振耦合系统的能量传递转化为一组线性方程的求解；该方法只适合于高频域计算，并且，声振能量的非共振传递部分要根据具体问题作特殊考虑 ^[13]。数值分析法主要包括有限元法和边界元法。

　　 关于墙板构件隔声性能的测试技术也在不断发展中。目前，构件隔声的测试技术主要有混响室法、现场测量法、驻波管法等，这些测试技术各有优势和不足。混响室法作为测量构件隔声的标准方法对测试条件的要求比较高。现场测量法的缺点在于测试精度不高，无法避免侧向传声的影响。驻波管法只能对一定尺寸的试件在固定频率范围内测得隔声量，因此，驻波管法多用于材料的隔声性能测试，对于结构的隔声性能评价存在较大的误差 ^[14]。除上述几种最常用的方法外，构件隔声的测试技术还包括混响室-消声箱法 ^[15]、脉冲声测试隔声法 ^[16]、传递函数测试隔声法 ^[17]等等。本文需要测试不同墙体结构的隔声性能，采用的是传统的混响室法测试技术。

　　 本文在原有模块化户内变电站用的装配式墙板的基础上，根据墙板隔声性能相关的理论依据，对其进行了隔声性能优化设计。采用混响室法对原墙板与新墙板进行了试验研究，对其隔声性能进行对比分析，最终提出了一种变电站用隔声性能优化的装配式墙板。

1 理论依据

1.1 单层墙的隔声

1.1.1 隔声质量定律

　　 对于单层均匀墙，如果不考虑边界条件，也就是假设墙板无限大，并且认为墙板是无刚性、无阻尼的柔顺质量。那么，就可以从理论上得到当声波垂直入射时，该墙板的隔声量R计算公式如下 ^[18]:

　　 R=20lgm+20lg f−43         (1)R=20lgm+20lg f-43         (1)

　　 式中：R为墙板的隔声量，dB;m为墙板的面密度，kg/m²; f为入射声波的频率，Hz。

　　 如果入射声波方向为无规则入射，则式(1)可修正为 ^[18]:

　　 R=20lgm+20lg f−48         (2)R=20lgm+20lg f-48         (2)

　　 由式(1)和式(2)可以看出，墙板的隔声量随墙板的面密度和入射声波频率的增大而增大，墙板面密度或入射声波频率每增大一倍，墙板的隔声量增大6dB。墙板的面密度越大其隔声量就越大，这就是质量定律。由于公式是在假设条件下得到的，实际中，墙板面密度或入射声波频率每增大一倍，墙板的隔声量增大不了6dB。根据大量的隔声试验研究，墙板面密度每增大一倍，墙板的隔声量增大5.4dB;而入射声波频率每增大一倍，墙板的隔声量增大3.6dB。

1.1.2 隔声频率特性

　　 根据质量定律，在单层均匀墙的面密度一定的条件下，其隔声量随入射声波频率的增大而增大。但是在实际中，墙板的隔声量与入射声波频率的关系还受到共振作用和吻合效应的影响，如图1所示 ^[18]。单层均匀墙的隔声频率特性与墙板的面密度、刚度、阻尼相关。

　　 图1 单层均匀墙的隔声频率特性  

　　 在图1中，单层均匀墙的隔声频率特性分成了Ⅰ～Ⅲ三个区域。Ⅰ区域为刚度控制区，墙板的隔声量随入射声波频率的增大而减小，当入射声波的频率等于墙板的固有频率时，墙板发生共振，此时墙板的隔声量达到了最低值，由于墙板的固有频率不止一个，因此共振区内有不止一个共振频率，其中影响最大的是第一共振频率(f₀);发生共振时，墙板的阻尼越大，其对共振作用的抑制作用越明显，墙板隔声量随入射声波频率的波动越小，且共振区越窄。随入射声波频率继续增大，共振现象消失，进入质量控制区，即Ⅱ区域；在质量控制区，墙板的隔声量遵循质量定律，即墙板的面密度保持不变时，其隔声量随入射声波频率的增大而增大；当入射声波频率再继续增大时，墙板会因吻合效应而使其隔声量大大减小；吻合效应是由于入射声波与墙板的弯曲波在空间叠加时在相位上相互吻合而产生的，当入射声波频率到达临界频率f_c时，发生吻合效应，隔声量出现吻合谷，越过吻合谷以后，墙板的隔声量会随入射声波频率的增大而继续增大，因此Ⅲ区域称为临界频率控制区。从图1中还可以看出，墙板的阻尼越大，吻合效应越不明显，隔声量下降的越少。

1.2 双层墙的隔声

　　 如果把两个单层墙中间留一定的间距就形成了双层隔声结构，两墙中间有一个空腔。相比于把两个单层墙粘在一起，拥有空腔的双层墙结构，其隔声性能更加优异。这是由于空腔中的空气具有弹性作用，和两个单层墙之间形成了一个“质量-弹簧-质量”系统。声波通过第一层单层墙的振动传给空腔中的空气，空气再将声波传给第二层单层墙并最终通过第二层单层墙的振动向外辐射。由于空气层的弹性作用起到了减振效果，使第二层单层墙的振动减小，其向外辐射的声音也减小，从而提高了隔声性能。

　　 与单层墙相类似，双层墙结构同样遵循隔声频率特性和质量定律。当外界声波的频率与双层墙结构的固有频率相等时，双层墙结构会发生共振，声能就会通过墙体大量向外辐射，这时墙体的隔声性能会大大下降。双层墙结构的共振频率f₀可由下式进行估算 ^[18]:

　　 f0=12π(1M1+1M2)ρ0C2d−−−−−−−−−−−−−√         (3)f0=12π(1Μ1+1Μ2)ρ0C2d         (3)

　　 式中：M₁为第一层单层墙的面密度，kg/m²;M₂为第二层单层墙的面密度，kg/m²;ρ₀为空气密度，kg/m³;C为空气中声速，m/s; d为两墙板之间间距，m。

　　 双层墙结构同样会有吻合效应，并且临界频率就是两个单层墙的临界频率。因此，当两个单层墙结构完全相同的时候，临界频率重合，隔声频率特性曲线在吻合谷下凹得很深，隔声性能会大大地下降。反之，如果将两个单层墙做成不同的结构，把每个单层墙的临界频率错开，虽然会出现两个吻合谷，但是每个吻合谷下凹得很浅，从而会大大提高双层墙结构的隔声性能。双层墙结构同样遵循质量定律，其隔声量R可以通过下式估算 ^[18]:

　　 R=16lg(M1+M2)+16lg f−30+ΔR         (4)R=16lg(Μ1+Μ2)+16lg f-30+ΔR         (4)

　　 式中ΔR为双层墙的附加隔声量，dB。

　　 另外，如果在双层墙结构的中间填充多孔吸声材料，增加双层墙结构的阻尼，那么当双层墙在共振频率或临界频率附近发生剧烈振动时多孔吸声材料可以起到减振作用，从而能够进一步提高隔声性能。

2 隔声优化的复合夹芯板设计

2.1 优化前夹芯板的结构

　　 目前，针对模块化变电站，其建筑围护结构多采用金属面夹芯板，其截面如图2所示，优化前夹芯板各部分所用材料及尺寸如表1所示。

　　 图2 优化前夹芯板的截面示意图  

　　 优化前夹芯板各部分所用材料及尺寸 表1

　　 优化前金属面夹芯板结构，上面板为铝镁锰板，下面板为镀铝锌钢板，中间芯层为岩棉条，上下面板和芯层通过粘结剂粘接，夹芯板两侧的包边由聚氨酯填充。当前的这种轻质夹芯板技术方案能够实现变电站模块化建设的需求，其安装方便快捷，但是对变电站设备噪声的控制能力有限，难以满足变电站对围护结构隔声性能的要求。

2.2 夹芯板的隔声优化设计

　　 针对目前使用的金属面夹芯板，笔者对其进行了隔声优化设计。首先，是对芯层进行了改进，芯层改用芯层1+芯层2的方式。其中，芯层1采用10mm厚纤维水泥板，这可以显著增强芯层的刚度和面密度，从而大大增强夹芯板墙体结构的隔声性能，另外，纤维水泥板具有优良的防火绝缘和防潮性能而且不易变形以及翘曲，非常适用于变电站的围护结构；芯层2采用90mm厚岩棉条，岩棉作为多孔吸声材料，充当芯层起到了弹性介质和阻尼的作用，即可以起到减振的作用，从而能够进一步提高夹芯板的隔声性能。然后，上下面板改用0.8mm厚镀铝锌钢板，这样可以增强金属面的刚度，从而提高夹芯板的隔声性能并且与纤维水泥板加岩棉的芯层胶合粘接时不易变形。最后，夹芯板的面板与芯层1、芯层2之间通过粘结剂粘接，夹芯板两侧采用聚氨酯包边，其截面如图3所示，隔声优化的夹芯板各部分所用材料及尺寸如表2所示。

　　 图3 隔声优化的夹芯板截面示意图  

　　 隔声优化的夹芯板各部分所用材料及尺寸 表2

　　 这种纤维水泥-岩棉多层复合夹芯板结构，其上下面板采用高刚度且加厚的镀铝锌钢板，芯层采用纤维水泥板加岩棉的组合形式，使用这种形式的芯层，提高了夹芯板的面密度，增强了夹芯板结构的整体刚度，提高了夹芯板的隔声性能。这些设计在保证该多层复合夹芯板整体结构具有足够的机械强度、稳定性、安全性外，优化了其隔声性能。下面将用试验的方法对这种隔声优化的夹芯板的隔声性能进行进一步的测试和分析。

3 试验方法及结果

3.1 试验方法

　　 本文对构件隔声性能的测量方法采用混响室测量法，即按照《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》(GB/T 19889.3—2005/ISO 140—3∶1995) ^[19]的相关规定进行测试。混响室测量法的实验室由两个相邻的混响室和一个控制室组成，混响室的体积不应小于50m³,两个混响室中一个是声源室，一个是接收室，两个混响室之间为填隙墙，填隙墙上具有测试洞口以供安装构件，如图4所示。

　　 图4 混响室测量法示意图 

　　 进行隔声测量时，将构件安装于测试洞口并用硅酮密封胶将四周密封，使得声音只通过测试构件传透。然后，通过控制信号发生器产生所需声音的电信号，再经过功率放大器将信号进行放大，通过扬声器将电信号转化成声信号，声源室就产生了所需的声波。声源室内的声功率要足够高，使得接收室内的声压比环境声压至少要高出10dB。等到声源室内声场稳定之后，对两间混响室的声压进行测量并采集数据，数据采集完成后利用隔声量计算公式计算得出被测样品的隔声量。另外，在《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》(GB/T 19889.3—2005/ISO 140—3∶1995)的附录C:声源的技术要求和布置中，对声源的数量、位置等有明确的要求。本文的试验满足附录C中相关规定，这样测得的墙板隔声量的试验结果不受声源室中的声源位置或者声波入射方向的影响，反映的是墙板本身固有的隔声性能。图5为测试洞口和控制室实景照片，图6为优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板安装于测试洞口的实景照片。

　　 图5 测试洞口和控制室实景照片 

　　 图6 测试构件安装于测试洞口的实景照片 

　　 根据《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》(GB/T 19889.3—2005/ISO 140—3∶1995),隔声量R的计算公式如下：

　　 R=L1−L2+10lgSA         (5)R=L1-L2+10lgSA         (5)

　　 式中：L₁为声源室内平均声压级，dB;L₂为接收室内平均声压级，dB;S为构件面积，m²;A为接收室内吸声量，m²。

3.2 试验结果

　　 图7为优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板在100～5 000Hz范围内1/3倍频程隔声特性曲线。从优化前夹芯板的隔声特性曲线中可以看出，在低频区，160Hz处由于共振使夹芯板的隔声量出现了一个谷值；频率超过160Hz后，在160～400Hz范围内，隔声量随频率的增大逐渐增大；但是，超过400Hz后，在400～2 500Hz频率范围内，隔声量随频率的增大基本保持不变，始终维持在30dB左右；在频率超过2 500Hz以后，夹芯板的隔声量才又随着频率的增大逐渐增大。

　　 图7 优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板在100～5 000Hz 范围内1/3倍频程隔声特性曲线 

　　 从隔声优化的夹芯板在100～5 000Hz范围内1/3倍频程隔声特性曲线中可以看出，在低频区，160Hz处由于共振使夹芯板的隔声量出现了一个谷值；频率超过160Hz后，在160～500Hz范围内，隔声量随频率的增大快速增大；但是，超过500Hz后，在500～1 000Hz频率范围内，隔声量随频率的增大而减小，并且在1 000Hz处出现了由于吻合效应而产生的一个吻合谷，在吻合谷即1 000Hz处夹芯板的隔声量为32.1dB;频率超过1 000Hz以后，夹芯板的隔声量随着频率的增大而快速增大。

　　 图8 优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板 隔声特性曲线对比图 

　　 图8为优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板隔声特性曲线对比图，灰色区域为隔声优化的夹芯板在各个频带上的隔声量超出优化前夹芯板的部分。从图8中可以看出，隔声优化的夹芯板在各个频带上的隔声量均优于优化前夹芯板，其中，隔声优化的夹芯板在其吻合谷1 000Hz处的隔声量超出的最少。如果以1 000Hz为界，在小于1 000Hz的中低频区，隔声优化的夹芯板的平均隔声量为32.3dB,比优化前夹芯板的平均隔声量超出了5.5dB;在大于1 000Hz的中高频区，隔声优化的夹芯板的平均隔声量为45.0dB,比优化前夹芯板的平均隔声量超出了12.7dB。这说明，优化后的夹芯板无论在中低频区还是在中高频区其隔声量都有了较大幅度的提高，优化设计的效果明显。

　　 进一步对优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板的试验结果进行对比，见表3。从表3中可以看出，隔声优化的夹芯板的面密度为36.060kg/m²,是优化前夹芯板的面密度的1.909倍，而其计权隔声量已经达到了39dB,比优化前夹芯板的计权隔声量增大了8dB,这进一步说明了优化设计的效果良好。另外，经过粉红噪声频谱修正量修正后，隔声优化的夹芯板的隔声量比优化前夹芯板的增大了6dB,此项指标反映了对中高频噪声的隔声效果。经过交通噪声频谱修正量修正后，隔声优化的夹芯板的隔声量比优化前夹芯板增大了5dB,此项指标反映了对中低频噪声的隔声效果。这两项指标进一步说明了优化后的夹芯板无论在中高频区还是在中低频区其隔声效果都有了较大的提高，这也与前面对隔声特性曲线的分析是一致的。

　　 优化前夹芯板和隔声优化的夹芯板试验结果对比 表3

4 结论

　　 (1)隔声优化设计的纤维水泥-岩棉多层复合夹芯板结构，其上下面板采用高刚度且加厚的镀铝锌钢板，芯层采用纤维水泥板加岩棉的组合形式，使用这种形式的芯层，可以提高夹芯板的面密度，增强夹芯板结构的整体刚度，提高夹芯板的隔声性能。

　　 (2)隔声优化的夹芯板在各个频带上的隔声量均优于优化前夹芯板，无论在中低频区还是在中高频区其隔声量都有了较大幅度的提高，优化设计的效果明显且优化后的夹芯板在提高其隔声性能的同时依然具有机械强度高、保温隔热性能好、防火等优点。