应用VAOne统计能量法预报户内变电站噪声探索

梅天龙，吴静萍，樊 红，许 玲

（1.武汉理工大学 交通学院，武汉430063；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉430063）

应用VAOne统计能量法预报户内变电站噪声探索

梅天龙1，吴静萍1，樊 红2，许 玲1

（1.武汉理工大学 交通学院，武汉430063；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉430063）

城市户内变电站的建立解决了城市电力需求，同时产生的噪声对环境也造成了严重污染。在城市变电站设计初期预估其噪声声压级水平(SPL)，及时采取降噪措施显得尤为重要。应用VA One软件，基于统计能量分析方法建立声学仿真模型，对某典型户内变电站的主变室内外空间声场进行模拟。探讨声源声压级强度、吸声墙高度和吸声系数对噪声场声压级的影响规律，为进一步对户内变电站噪声预报和降噪设计提供参考。

声学；户内变电站；噪声模拟；VAOne；统计能量法

随着城市电力需求量逐渐增大，供电负载越来越高，很多变电站开始往人口集中的城市建立[1]。建立城市户内变电站缓解了城市电力供应压力的同时，也对居民相对集中的城区造成了严重噪声污染。城区较偏远地带而言，服务对象层次要求高，因而居民对工作和居住环境的要求更加苛刻，这也是导致不断有居民对户内变电站噪声污染进行投诉的直接原因。因此，在变电站设计初期，有必要对城市户内变电站噪声产生和传播规律进行研究。

使用传统的模态分析方法研究工程结构系统的动力学问题已有很长的历史，这种研究动力学问题的方法局限于对能够清楚辨认的有限数量的低阶模态进行分析，分析误差随着频率范围向更高扩展而增大，分析难度随着结构复杂程度而增加。研究工程结构系统振动问题的困难是高阶模态参数的不确定性。因此，有学者使用统计模态的概念，把振动能量作为描述振动的基本参数,并根据振动波和模态间存在着的内在联系，建立分析声、结构振动和其它不同子系统耦合动力学的统计能量分析方法( Statistical Energy Analysis缩写为SEA)[2]。统计能量分析方法适用于分析含有中高频、高模态密度的复杂系统的耦合动力学问题，例如使用统计能量分析可预示复杂系统的内外声振环境等问题。

VAOne是法国ESI集团推出的声学仿真计算软件，是一款可以求解全频域范围内振动噪声商业软件。目前已应用于汽车、船舶、航空航天以及建筑等行业领域噪声模拟。

利用VA One软件，产品设计师在产品初始设计阶段就可以方便而准确地预估产品的振动和声学特性，发现潜在问题；可以模拟采取降噪措施后的效果，从而根据效果指导实际产品的开发。

由于本文针对仅关注某典型户内110 kV主变室的进风口和出风口传播出的噪声声压级问题，而不需要分析噪声场声压分布细节，加上模型子系统的模态密度绝大部分满足统计能量分析方法的要求，所以尝试应用VA One软件，基于统计能量分析方法建立声学仿真模型，对该典型户内变电站主变室内外噪声进行模拟。并探讨了声源声压级强度、吸声墙高度和系数墙吸声系数对噪声场声压级的影响规律，为进一步对户内变电站噪声预估和降噪设计提供参考。

1 统计能量分析法

统计能量分析法首先建立多个声学子系统，将能量守恒方程应用于每一个子系统,即子系统消耗的能量加上传递给其它子系统的能量,应等于输入给该子系统的能量[3]。图1显示统计能量法（SEA，Statistical Energy Analysis）的两个相邻子系统，对该子系统结构建立能量平衡方程

对于三个以上子系统其能量守恒方程为下列矩阵形式[4]

因而，只要获取系统的输入功率、模态密度、损耗因子就能求解方程，进而可以获得子系统能量Ei，由子系统能量Ei求解工程量。

图1 两个SEA子系统

2 典型户内变电站噪声预报仿真

2.1 典型户内变声振模型建立

本文研究对象为南昌某典型户内变电站，在VA One中建立了该户内一个110 kV主变室的声学计算模型。图2给出了该主变室结构子系统（左）和声空间子系统（右）的划分。该混凝土结构的主变室主尺度为：长11 m，宽10 m，高12.2 m。两个进风口折算后的尺寸均为：长1.2 m，高0.95 m。天窗尺寸均为：长4.1 m，宽1.56 m，高1.66 m。排风口尺寸：0.7 m× 0.7 m。主变室南面墙体上设有钢制材料的隔声大门，尺寸为：长7 m，高6.6 m，厚度与墙体厚度一致，均为0.15 m。

图2 主变室结构子系统和声空间子系统

由于所研究的变压器属于油浸式变压器，其噪声来源于变压器本体和冷却系统两个方面。在实际模拟中，将噪声源等效成一个长方体声源[5]，尺寸为：4.4 m×4.8 m×1.6 m。等效立于主变室地面中间，并通过除了底面以外的其它5个表面辐射噪声。

统计能量分析模型子系统的模态密度是描述振动系统存储能量能力大小的一个物理量，是指该子系统在某一频率单位频段内的模态数目，模态密度越高，说明该子系统的模态在一个频段内越密集，统计能量分析方法的预测精度就越高。通常当结构子系统的模态数满足≥5时，使用统计能量方法才能够满足一定的分析精度。根据已知材料及物理属性，通过软件计算得到整个计算频率范围内的模态数，该模型子系统的模态数绝大部分能够满足≥5的要求。

声源激励频谱借鉴文献[1]中变压器正面1 m处噪声频谱给出，如图3 a所示。对于结构子系统内损耗因子可以通过查材料手册获得，本文通过查找材料手册，获得混凝土墙体内损耗因子为1.5×10-2，隔音门内损耗因子为1.0×10-2；通过参考相关文献[6]的取值，以及结合该损耗因子在同类型变电站的运用[7]，本文声腔子系统内损耗因子采用如图3b所示的频谱。

图3 声源激励频谱及声腔子系统内损耗因子

2.2 探索不同因素对户内变声场的影响

为了研究不同因素对噪声声压级的影响，声源强度按声源噪声A计权总声压级依次取65 dB、70 dB、75 dB，其中70 dB为实测值，为了探索不同负载下变压器辐射噪声，所以分别给出了高于和低于实测值的两个假设负载；吸声墙面高度变化依次取0 m、4 m、6 m、8 m；吸声材料平均吸声系数α依次取0、0.2、0.5、0.8。结果分析，选取四个具有代表性的空间位置，如图4所示，即进风口处、排风口处、变压器上方、室内人活动域进行分析和研究，并给出四个空间位置处的噪声声压级随变量的变化情况。

2.2.1 声源强度影响

图4 噪声测点位置空间布置图

图5中两图给出了四个空间区域噪声声压级随声源强度变化的关系曲线，两图中吸声墙平均吸声系数为0.5。但是两图吸声墙高度得选取不同，其中α图吸声墙高度为0 m，即无吸声墙；b图中吸声墙高度为8 m。

图5 空间区域噪声声压级随声源强度变化

从图5a和b中可以看出：当吸声材料、吸声系数、四个空间区域噪声声压级随声源强度的增大而增大，增大的趋势基本成线性关系。并且室内离声源较近的区域比室外进、排风区域声压级大。

2.2.2 吸声墙高度影响

图6中三个图给出了四个空间区域噪声声压级随吸声墙高度变化。三个图中变压器声源强度（声源总声压级均为70 dB）都相同，但是三个图中吸声墙的吸声系数不同，a图中吸声墙的吸声系数为0.2；b图中吸声墙的吸声系数为0.5；c图中吸声墙的吸声系数为0.8。

从图6a、b和c中可以看出：

（1）空间区域的噪声声压级随主变室吸声墙高度的增大呈现减小的趋势，说明吸声墙的高度对噪声声能的吸收和耗散具有比较明显的作用。

（2）吸声墙在4 m高度时比没有吸声墙情况下，四个空间区域噪声声压级有明显的降低。随着吸声墙高度的继续增加，较高的排风口区域声压级减小仍然比较明显，但是在其它空间区域，噪声声压级虽具有减小的趋势，但是并没有明显的降低。

2.2.4 吸声系数影响

图7中三个图给出了四个空间区域噪声声压级随平均吸声系数变化的关系曲线。三个图中，吸声墙高度（8 m）都相同，但是三个图中声源强度不同，a图中声源总声压级为65 dB；b图中声源总声压级为70 dB；c图中声源总声压级为75 dB。

从图7a、b和c中可以看出：

（1）在其它条件都不变时，四个区域噪声的声压级随平均吸声系数的增大呈现减小的趋势。

（2）吸声系数在0.2时与无吸声情况相比，四个空间区域噪声声压级有明显的降低。随着吸声系数的继续增加，较低的户外进风口区域声压级减小仍然比较明显，但是在其它空间区域，由于其离声源近或离吸声墙远，噪声声压级虽具有减小的趋势，但是降低量不是很明显。

3 结语

本文应用基于统计能量方法的VA One软件，通过探索典型户内变电站噪声声压级随声源强度、吸声墙高度以及平均吸声系数的变化规律，总结出如下结论：

（1）户内变主变室的室内外四个空间区域噪声声压级随声源强度的增加而增加；

（2）对于户内离声源近的变压器上方和人活动区域，当吸声墙高于4 m后，其噪声声压级随着吸声墙的增高，减小不明显；当吸声系数大于0.2后，随着吸声系数的增加，同样减小得不明显。

（3）对于户外较低的进风口区域，当吸声墙高于4 m后，其噪声声压级随着吸声墙的增高，减小不明显；当吸声系数大于0.2后，随着吸声系数的增加，仍然有明显的减小。对于户外较高的排风口区域，其噪声声压级，当吸声墙高于4 m后，随着吸声墙的增高，减小趋势仍然明显；当吸声系数大于0.2后，随着吸声系数的增加，减小量不明显。

虽然本文应用VA One统计能量法对户内变电站噪声的传播规律进行了初步探索，但是对于该方法所要求子系统模态数均≥5的要求，文中并非完全满足，因而在一定程度上对统计平均的结果存在误差，但总体上可以体现出户内变噪声传播的一般性规律。

图6 空间区域噪声声压级随吸声墙高度变化

图7 空间区域噪声随吸声系数变化

[1]李明，陈锦栋.城市110 kV室内变电站噪声控制的分析[J].嗓声与振动控制，2012，(1)：105-108.

[2]程管利，朱石坚，伍先俊.统计能量分析方法及其损耗因子确定方法综述[J].船舶工程，2004，26(4)：10-15.

[3]童宗鹏，王国治.水下航行器声振特性的统计能量法研究[J].嗓声与振动控制，2004，2(1)：29-32.

[4]姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京：北京工业大学出版社，1995.12-14.

[5]杨敏，仲兆平，严青，等.220 kv城市户内变电站声场模拟与分析[J].东南大学学报（自然科学版），2010，40(6)：1226-1231.

[6]李新.基于统计能量法的液压提升机硐室噪声预测与分析[D].长沙：湖南科技大学，2011，5：30-31.

[7]梅天龙，吴静萍，樊红，等.城市110 kV户内变电站声场数值模拟[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013，6(37)：1360-1363.

Study onApplication of Statistical EnergyAnalysis Method and VAOne Software to Predict Indoor Substation Noise

MEI Tian-long1,WU Jing-ping1,FAN Hong2,XULing1

(1.School of Transportation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China; 2.School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

∶The indoor substations in cities have solved the problem of citizen electricity necessity,while they cause serious noise pollution.It is particularly important for the preliminary design to predict the Sound Pressure Level(SPL)of the substation noise,so as to take further measures to reduce the noise.In this paper,taking a typical indoor substation as an example,a model for acoustic simulation based on statistical energy analysis method is established and analyzed with the software VA One,and the indoor and outdoor sound fields of the main transformer chamber of the substation are simulated.Then,the effects of the intensity of the sound source SPL,the height and the absorption coefficient of the sound-absorbing wall on the SPL of the sound fields are studied.This work gives a reference for noise prediction and noise reduction design of indoor substations.

acoustics;indoor substation;noise simulation;VAOne;statistical energy analysis method

O422.6< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.028

1006-1355(2014)06-0126-05

2014-01-20

梅天龙（1988-），男，湖北赤壁人，硕士生，主要研究方向：水声工程、船舶水动力性能。

吴静萍，女，硕士生导师。

E-mail∶wujp@whut.edu.cn