城市變電站局域共振隔聲阻尼減振聲學超材料及特性研究

何真珍

（國網上海市電力公司經濟技術研究院）

0 引言

近年針對變電站或小區配變噪聲的投訴量呈逐年上升趨勢，環保部門對生產性噪聲的控制越來越嚴格，監測力度越來越大。通過隔聲、吸聲、消聲、阻尼減振等措施，增加噪聲在傳播途徑中的能量損失是常采用降噪措施，但這些技術措施的可行性和實際效果取決于聲學材料及其標準化產品，如隔聲產品、吸聲產品及消聲產品的技術發展。目前國內已經形成了不少系列產品，包括可視性隔聲屏障類型、微孔復合結構吸隔聲屏障類型、大孔板吸隔聲屏障類型、漸變腔式吸聲體、漸變腔式微孔復合結構吸聲體、平板大孔板吸聲體、微孔復合結構平板吸聲體、阻抗復合式通風消聲器、通風消聲吸隔聲百葉等。

受制于聲學材料的發展，目前這些標準化產品在實際應用中存在幾何尺寸、重量與降噪效果之間的矛盾。本文在此基礎上研制基于局域共振的阻尼材料和納米涂料兩款減振降噪材料。

1 局域共振基本理論

局域共振機制在聲子晶體的研究中具有重要意義。對于400Hz頻率的波，使用2cm厚的該種材料就能阻隔，從而打破了傳統的聲音傳播中的質量密度定律。特殊結構的薄膜聲學超材料具有超強的低頻隔聲、吸聲、減振等性能，將聲能或者振動能轉化為熱能而消耗掉，可以抑制一定頻率范圍的彈性波。

局域共振式的減振超材料常以“膜+質量塊”的形式構造，將彈性薄膜（通常為圓形）固定在框架上，同時將質量塊固定在彈性薄膜上。當聲波垂直于薄膜平面入射時，只要入射頻率和質量塊在薄膜上的共振頻率相匹配，就能夠使得聲波被完全反射而不能透過。可以通過調整質量塊和薄膜的彈性模量，實現對某個較窄頻段聲波的衰減。將質量環添加到薄膜型聲學超材料的結構中，該類結構具有多個傳遞損失峰值，增加了傳遞損失峰值的頻帶寬度，可以抑制更多頻率的噪聲。

2 微結構幾何參數對聲學超材料的影響

薄膜型聲學超材料由支撐框架、彈性薄膜、附加質量組成。通常，薄膜型聲學超材料單元的邊界固定，單元外形為矩形或正方形，附加質量位于薄膜中心。常用的描述超材料聲學性能的參數如圖1所示，包括：第一個隔聲谷所處頻率位置f1，隔聲峰所處頻率位f2，第二個隔聲谷所處頻率位置f3；最大隔聲量TLmax；大于某一隔聲量TL0的頻帶寬度Bf。

圖1 描述聲學超材料調控規律的物理參數示意圖

1）薄膜面密度對隔聲量的影響。隨著薄膜面密度的增加，整個材料第一個隔聲谷頻率f1和隔聲峰頻率f2變化很小，而第二個隔聲谷頻率f3向低頻移動。薄膜面密度增大時，最大隔聲量基本不變。在薄膜型聲學超材料設計時，可以通過提高薄膜面密度來增加彈性薄膜的抗撕拉性能、防老化性能和阻尼耗散性能。

2）附加質量面密度對隔聲量的影響。第一個隔聲谷頻率f1和隔聲峰頻率f2隨附加質量面密度的增大而減小，第二個隔聲谷頻率f3幾乎不變化。當附加質量面密度增大時，頻帶寬度增大。在薄膜型聲學超材料設計時，提高附加質量面密度能夠有效提升薄膜型聲學超材料的隔聲性能。

3）薄膜尺寸對隔聲量的影響。隨著單元薄膜尺寸的增加，整個聲學超材料的隔聲性能迅速下降。隨著薄膜邊長的增加，最大隔聲量的幅值變小。在薄膜型聲學超材料設計時，作為支撐的格柵結構的單元尺寸不能設計太大，減小單元尺寸能夠提高整個聲學超材料的低頻隔聲性能。

4）附加質量尺寸對隔聲量的影響。隨著附加質量邊長的增加，整個薄膜型聲學超材料的特征頻率向高頻移動，整個材料的隔聲性能變化不是太大。隨著附加質量邊長的增加，最大隔聲量的幅值減小，當附加質量邊長增大時，頻帶寬度增大。在薄膜型聲學超材料設計時，往往需要適當增大附加質量的底面積來更好地將重物與薄膜黏合在一起。

5）薄膜張緊力對隔聲量的影響。隨著薄膜張緊力的增加，整個材料的特征頻率向高頻移動。

6）附加質量位置對隔聲量的影響。當附加質量位于薄膜中心 c 點時，整個薄膜型聲學超材料的隔聲性能最優，當附加質量偏離薄膜中心時，其隔聲性能下降，當附加質量位于薄膜中心時，最大隔聲量和頻帶寬度最優。

3 局域共振試件制備及性能測試

局域共振板以6061牌號鋁板為基體，每塊板尺寸為471mm×185mm，板厚20mm。每塊板上制作18×7個晶格單元，每個單元的尺寸為20mm×20mm方形，薄膜材料是環氧樹脂，中心質量塊為直徑7mm圓柱形鐵塊。被測試件共用16（4×4）塊局域共振板安裝在測試框架上拼成一個大塊的被測件，被測件外廓尺寸為2000mm×1000mm。

3.1 檢測標準

按照ISO 10140-2:2010《聲學 建筑構件隔聲的試驗室測量第2部分 空氣聲隔聲的測量》進行檢測，參照ISO 717-1:1996《聲學 建筑和建筑構件的隔聲評定 第1部分 空氣聲隔聲》進行單值評價。

3.2 試驗試件描述

為了增加對比性，試驗試件共分三種結構：光壁板；光壁板+航空隔音棉；光壁板+NAM-1501局域共振材料。

光壁板采用厚度為1.2mm的6061牌號鋁合金制作，外輪廓尺寸為2000mm×1000mm，包含5根隔框5根長桁。其中隔框鈑金厚2mm，高度為50mm，寬度為30mm；長桁鈑金厚2mm，高度為20mm，寬度為20mm。航空隔音棉容重為19.2kg／m3，厚度為25.4mm。NAM-1501的面密度為1.1kg/m2，單塊外廓尺寸為471mm×185mm。所有試件的有效測試面積為2000mm×800mm，四邊各留出寬度100mm區域用于安裝密封。

3.3 安裝描述

光壁板年與測試窗框架通過螺栓連接，測試窗框架預先嵌入聲源室和接收室間墻壁內，試件與測試框架之間采用彈性密封墊固定。航空隔音棉和NAM-1501均面朝接收室鋪設于光壁板側。

3.4 測點和聲源布置

隔聲指數測量時，聲源室和接收室內傳聲器測點以及無指向性聲源位置均符合ISO 10140標準要求，如圖2所示。接收室內以左下角為坐標原點，創建坐標系X1O1Y1，三個方向的坐標軸符合右手螺定則。聲源室內以左下角為坐標原點，創建坐標系X1O1Y1，三個方向的坐標軸符號右手螺旋定則。

圖2 隔聲指數測量時，測點和聲源位置分布圖

接收室內5個測點的三維坐標分別為：測點1（1820，1180，1500），測點2（2150，2700，1700），測點3（2030，2030，2100），測點4（1315，3575，1300），測點5（1200，2240，2200）。

聲源室內5個測點和2個聲源位置的三維坐標分別為：測點1（1380，1340，1800），測點2（1310，3660，2000），測點3（2310，3910，1600），測點4（3130，4550，1400），測點5（3000，1860，2200），聲源位置1（4100，1500，1450），聲源位置2（4200，4000，1550）。

混響時間測量時，接收室內傳聲器測點以及無指向性聲源位置均符合ISO 3382-2標準要求，如圖3所示。接收室內以左下角為坐標原點，創建坐標系X1O1Y1，三個方向的坐標軸符合右手螺定則。

聲源位于位置1時，接收室內4個測點和聲源位置1的三維坐標分別為：測點1（1820，1180，1500），測點2（2150，2700，1700），測點3（2030，2030，2100），測點4（1315，3575，1300），聲源位置1（300，300，250）。

聲源室內5個測點和2個聲源位置的三維坐標分別為：測點1（1380，1340，1800）,聲源位于位置2時，接收室內4個測點和聲源位置2的三維坐標分別為：測點1（1200，2240，2200），測點2（2150，2700，1700），測點3（2030，2030，2100），測點4（1315，3575，1300），聲源位置2（3300，400，250）。

聲源位于位置3時，接收室內4個測點和聲源位置3的三維坐標分別為：測點1（1820，1180，1500），測點2（2150，2700，1700），測點3（1315，3575，1300），測點4（1200，2240，2200），聲源位置3（3200，5500，250）。

圖3 混響時間測量時，測點和聲源位置分布圖

3.5 數據處理

隔聲量：

式中，i為1或2，分別表示聲源位于位置1或位置2；Li1為經背景噪聲修正后的聲源室能量平均聲壓級，dB；Li2為經背景噪聲修正后的接收室能量平均聲壓級，dB；S為試件安裝測試洞口面積，本次測量S＝1.6m2；A為接收室吸聲量，m2。，其中V＝90m3；T為接收室混響時間。

平均隔聲量：

3.6 試驗結果

測試試驗數據處理后的結果如圖4所示，參照ISO 717-1，隔聲指數單值評價結果（100～3150Hz）：類飛機壁板為RW=22dB；類飛機壁板+航空隔音棉為RW=26dB；類飛機壁板+NAM-1501為RW=29dB。

圖4 空氣聲隔聲量結果曲線

由計算結果可以看出，在電站噪聲的主要頻率內（100～2000Hz），光壁板＋NAM-1501試件具有較好的隔聲效果，比光壁板＋航空海棉試件約高3dB。

光壁板試件照片見圖5，航空海棉、NAM-1501局域共振試件照片見圖6。

圖5 光壁板試件照片

圖6 航空海棉、NAM-1501局域共振試件照片

4 結束語

本文研究了局域共振結構的隔聲機理和共振微結構參數對隔聲效果的影響規律，制作了局域共振試件進行試驗，實測結果表明，所制作的局域共振試件在電站噪聲頻段較“光壁板＋航空海棉”試件有較高的隔聲效能。