基于烦恼程度优选的变压器噪声声屏控制分析∗

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1 引言

人对声音产生的主观感受可以通过声品质进行评价，具体包括烦恼度、干扰度、舒适度、可接受度等多项量化分析指标［1～7］。其中，烦恼度属于环境噪声领域使用最多的评价指标。许多声学参数都会对噪声烦恼造成明显影响，除A计权声压级（A声级）以外，还包含尖锐度、音调度、粗糙度、抖晃度与响度等参量［8］。采用传统方式进行噪声控制时，需按照A声级要达到的降低量来设计控制方案。但是，在保证A声级达标的情况下，公众也比较关注实施控制方案后对噪声烦恼能够发挥的实际改善效果。采用不同噪声控制方案来获得同样的A声级降低量时对应的噪声烦恼改善情况也具有明显区别［9～13］。

相关方面的研究吸引了众多的研究学者，取得了很好的研究成果。吴晓佳等采用统计能量方法来研究邮轮舱室内部的噪声变化规律，同时以VA One软件构建得到邮轮SEA仿真模型，同时对生活娱乐舱室与动力设备舱室实施了噪声预报，对浮动地板含有不同厚度矿棉条件下的声学特性进行了分析并获得最佳厚度［14］。孙亚轩等选择跨座式单轨列车作为测试对象，通过VA One统计能量分析软件构建得到预测单轨列车SEA噪声的模型，同时利用等效隔声的方法对对中空铝型材进行处理获得噪声的主要来源，同时重点研究了降噪效果［15］。张宇等研究了某车型处于3WOT工况条件下时产生的车内前排与加速过程的轰鸣噪声控制方式，同时引入声振耦合的仿真技术得到车内前排噪声出现异常峰值的频率，根据实车测试结果可知，采用优化阻尼层的方法能够有效改善前排轰鸣噪声产生的影响［16］。

根据以上分析，本文设计得到了一种根据烦恼程度进行噪声控制方案选择的新方法，同时根据变电站声屏噪声控制方法以及仿真方法，除了可以预测得到各方案的A声级降低量，还可以预测得到噪声烦恼改善情况，从而优选得到最佳的噪声控制方案。

2 根据烦恼程度进行噪声控制方案优选的方法

如图1所示，是按照不同的烦恼程度来完成噪声控制方案优选过程的实施路线。包括如下步骤：先从声源噪声的影响范围中选出观测点，并对观测点噪声进行采集获得噪声控制前声样本；之后通过专业仿真软件构建声学仿真模型，对控制方案实施之前与之后的观测点噪声进行预测，之后计算出各噪声控制方案处理观测点噪声得到的1/n频A声级降低量；对于未经过噪声控制的声样本采用A声级降低量完成滤波过程获得经过噪声控制的声样本；通过烦恼度预测模型对噪声控制前后的声样本烦恼度进行计算，根据两次结果的差值判断各噪声控制方案改善观测点噪声烦恼的效果；结合烦恼的实际改善情况获得最优的噪声控制方案［14～17］。

通过调查得到声源的强度、尺寸、位置等参数以及声源和观测点之间的声传播参数，通过LMS Virtual.lab软件构建声学仿真模型，并根据实际情况把噪声源等效成相应的线声源、点声源与面声源，为不同的构筑物设定合理的隔声量与表面吸声系数，并对非封闭构筑物边缘进行衍射边界处理。选择声线追踪法对观测点噪声A声级进行预测，同时计算出各噪声控制方案处理得到的观测点噪声A声级降低量。

对未经过噪声控制的声样本实施滤波，确保滤波处理前后的A声级差等于仿真后的A声降低量，由此获得经过噪声控制的声样本。选择Zwicker心理声学模型［8］或其它合适的烦恼度预测模型分析样本烦恼度，根据噪声控制前后的预测结果差值便可以得到观测点噪声烦恼改善情况。

具体算法如下：

式中：PA为改进后Zwicker心理声学烦恼度，N5为噪声的累计百分响度，S、F、R、T分别代表样本参数尖锐度、抖晃度、粗糙度和音调度，其值在LMS Vir⁃tual.lab软件中设置。

3 算例分析

选择一个变电站的主变压器噪声声屏控制方案作为研究对象，确定声屏高度、位置与长度后，针对材料结构、与各声学性能的成品声屏，根据观测点噪声烦恼仿真测试结果，选择最优的声屏方案。

3.1 变压器噪声声屏控制方案

本研究选择的变电站包含二组同样规格噪声源的主变压器，同时把各组主变压器都分成A、B、C共三相，每一相的尺寸都是6m×4.2m×4.8m。并且为不同相之间设置了防火墙，其尺寸是12.6m×0.36m×8.2m。为提升降噪效果，为主变压器设置专门的声屏，其高度和防火墙一致。可以用于选择的4种成品声屏包括微孔隔声板声屏、微孔吸声板声屏、GYB型声屏、FZP型声屏，从图2中可以看到上述各个声屏构件的1/5倍频带隔声量及其吸声系数，通过分析可以发现，这些声屏的中、低频段达到了良好的吸隔声性能［18～20］。

图2 成品声屏1/5倍频带的隔声量和吸声系数

3.2 A声级降低量计算

表1 A计权声功率级

选择LMS Virtual软件构建得到本文的声学仿真模型。以主变压器的各相侧面与顶面作为面声源，通过声强测试方法获得单相主变压器各面1/5倍频带声功率大小，具体数据如表1所示。将防火墙隔声量设定为50dB，取其表面吸声系数等于0.05。根据图3设置声屏隔声量与表面吸声系数。同时对主变压器、声屏、防火墙未封闭边缘区域进行衍射处理。各项气象参数包括：室温25℃，气压1000hPa，湿度55%，根据以上模型通过声线追踪方法预测得到声设置屏障前、后的观测点噪声，之后计算出声屏的1/5倍频带A声级降低量，如图3所示。对图3进行分析可以发现，4种声屏在所有观测点的高频段噪声段实现的降噪量都很高，并且，微孔隔声板声屏处于中高频段时可以达到最优的降噪效果，FZP型声屏则是对低频段可以获得较好的降噪效果，通过综合比较可知，FZP型声屏可以获得比微孔隔声板声屏更优的降噪效果［21］。

图3 1/5倍频带A声级结果

不同声屏对观测点噪声产生的烦恼改善状态，如表2所示。对表2进行分析可以发现，各类声屏都可以改善观测点处主变压器噪声烦恼，并且相同声屏对各观测点噪声烦恼达到了不同的改善程度，随着观测点和主变压器的距离增加后，各类声屏对观测点噪声烦恼改善效果发生了逐渐下降的现象，通过对比还可以发现各类声屏对不同观测点处噪声烦恼改善效果的排序也存在较大差异。

表2 各声屏烦恼程度

从表2中可以看到，FZP型声屏使1号观测点噪声达到最优的烦恼改善程度，但是对2号与3号观测点噪声进行烦恼程度改善达到最优状态的是微孔隔声板声屏［22～23］。此外，FZP 型声屏对各观测点A声级降低量都达到了最大程度。由此可见，具有最大A声级降低量的声屏不一定能够达到最优的噪声烦恼改善程度，这是由于除了受到A声级影响以外，噪声烦恼度还与噪声频谱特性之间存在紧密关联。

4 结语

1）通过分析4种成品声屏包括微孔隔声板声屏、微孔吸声板声屏、GYB型声屏、FZP型声屏的1/5倍频带隔声量及其吸声系数，得到这些声屏的中、低频段达到了良好的吸隔声性能。

2）计算出声屏的1/5倍频带A声级降低量发现，4种声屏在所有观测点的高频段噪声段实现的降噪量都很高，微孔隔声板声屏处于中高频段时可以达到最优的降噪效果，FZP型声屏则是对低频段可以获得较好的降噪效果。

3）分析不同声屏对观测点噪声产生的烦恼改善状态发现，各类声屏都可以改善观测点处主变压器噪声烦恼，随着观测点和主变压器的距离增加后，各类声屏对观测点噪声烦恼改善效果发生了逐渐下降的现象。