嵇正毓

(南京源恒环境研究所有限公司，南京　210049)

· 环境噪声 ·

橡树林居民小区变压器结构噪声的控制

嵇正毓

(南京源恒环境研究所有限公司，南京210049)

成都橡树林居民小区变压器安装于住宅楼地下室内，其运行噪声通过建筑物传播到楼上的居民家中。本文对该变压器噪声的传播机理进行了分析，采用空气弹簧减振器等隔振措施，有效地消除了变压器噪声对上层居民室内的影响。

变压器;结构噪声;空气弹簧

橡树林是成都市一个大型高档居民住宅小区，位于成都万达广场近旁。为保证小区内居民的正常用电，开发商在相应居民楼的地下层安装有10KV干式变压器。由于变压器与居民住宅处于同一栋建筑物内，在变电房上方的居民家中能清晰地听到变压器的运行噪声。为消除变压器运行噪声对入住居民的干扰，橡树林小区开发商决定对变压器运行噪声进行治理。作者主导完成了该项噪声治理工程，至今已达3年，变压器降噪措施总体良好，开发商和入住居民均未再反映变压器噪声干扰问题。

1　橡树林小区变压器噪声影响分析

1.1橡树林小区变压器噪声概况

成都橡树林小区高层居民住宅楼配备的变压器为10KV干式变压器，变压器处于密闭的铁壳内，单台变压器体积为1380*1050*1430mm3。整个变压器安装于型钢底座上，输出输入电线通过轿架从变压器上方引入。变压器房与上层居民卧室相隔一层楼板，两者之间没有直接相连通道。图1为变压器和居民卧室的相对位置关系，图中同时标注了不同位置处的实测噪声级。

变压器运行噪声主要是铁心的磁致伸缩引起的电磁噪声，其基频为100Hz，峰值频率在100～500Hz之间。成都橡树林居民小区内的变压器是将10KV电压降至220V的民用市电，其电压等级和功率都较小，变压器正常运行时距离其1.0m处的噪声级在外壳小门打开情况下为75dB(A)，当外壳小门关闭时的噪声级为68dB(A)，楼上居民室内的噪声级为41dB(A)。

图1　变压器与居民卧室的位置关系图Fig.1　Transformer and the resident bedroom position diagram

1.2楼上居民室内噪声形成分析

一般情况下变压器运行时其振动推动附近的空气分子振动，并在空气中传播形成噪声，影响周围的声环境质量。但是针对成都橡树林居民小区的变压器而言，变压器位于地下室，封闭性很好，墙体和楼板的隔声量均较大，按照重质隔声板的经验公式：

TL=18logM+8

(1)

现浇的钢筋混凝土楼板厚度约150mm，其隔声量可以达到54.4 dB(A)，变压器到居民卧室的最近距离以3m计，则距离扩散衰减可达到9.5 dB(A)，根据前面测量得到的变压器1.0m远的噪声级为75 dB(A)，则居民卧室内的声级理应小于11.1dB(A)，但是实测表明居民室内的噪声级达到41.0dB(A)，显然变压器对居民室内的噪声影响不是通过空气传递的。

噪声治理前也对变压器机座和基础的振动级VLz10进行了测量，在变压器机座上的振动级为108dB，基础上的振动级为88.9 dB，表明变压器的振动较大。显然变压器的振动会通过机座传到地面，也会通过输电线轿架等刚性结构传递到墙上，因为居民楼的楼板、墙体也是弹性传声介质，其内部的分子会将振动能量向各个方向传递，在建筑物内形成固体声波。居民住宅楼中的固体传声通道都是“板” 或“柱”，声能量集中在有限的空间内得不到扩散，自然护散衰减很小；相反在固体与空气的边界面上由于声波的反射，固体内的直达声和反射声相互叠加使声能量增大，这就导致建筑物内的固体声波衰减很小，可以沿建筑物传播很远。图2为变压器运行产生的振动沿建筑物传播示意图。

图2　变压器振动沿建筑物传播及其表面的声波辐射Fig.2　Spread of transformer vibration along the building and the surface acoustic wave radiation

固体中的声波传播到固气边界发生反射的同时也会产生透射，一般的教科书中均认为透射声能十分微弱[1，2]，但是对于声环境质量要求较高的居民住宅而言，该透射声能足以干扰居民的正常生活和休息。根据声波在界面上的透射定律[2]，声压透射系数为：

(2)

式中P、ρ、C、θ分别为传声介质的声压、密度、声速和角度，其中下标1代表固体，2代表空气。(2)式表明透射声压与入射角度相关。为使问题减化，设θ1=θ2=00(即垂直入射)，可以推导得到垂直入射的声能透射系数式(3)为

τI=E2/E1=4ρ1c1ρ2c2/(ρ2c2+ρ1c1)2

(3)

式中E1和 E2分别代表入射波和透射波的声能量，这里取ρ1、ρ2分别为2400kg/m3和1.29kg/m3, C1、C2分别为3100 m/s和340 m/s，很容易计算得到从混凝土墙体透射到空气中的声能量与固体中的声能量的声级差ΔL为36.1dB。

因为前面测量的是振动加速度级，需要将其换算成声强级或声压级。设成都橡树林居民小区的变压器产生的固体声波沿建筑物传至楼上居民室内时，楼板和墙体表面的固体质点的振动加速度级仍以距变压器0.1m处的铅垂向Z振级VLz10计算:

VLz10=20log(a/a0)

(4)

式中： a0=10-6m/s2，VLz10=88.9dB，得到质点振动加速度a=0.02786 m/s2。

根据牛顿定律：F=ma，得P=ρ1ha，根据声能密度与声压的关系式得：

E=P2/ρ1c1=ρ1h2a2/c1

(5)

式中：P为声压， h为墙体或楼板厚度，E为声能密度。这里取混凝土楼板为传声介质，设h为0.15m,得到建筑物内单位面积的声能密度为1.352*10-5(瓦)。

将建筑物内的声能密度换算成空气中的声级，再减去透射衰减量36.1分贝，即得到透射到空气中的结构噪声声级：

L结构=10log(E/E0)-ΔL=10log(1.352*10-5/10-12)-36.1=35.2dB

(6)

计算表明由变压器振动激发产生的结构噪声比空气传播的噪声大得多。不仅如此，由于声辐射发生在居民室内，房间的6个面都是声辐射体，设6个面辐射声强级相同，则室内的噪声级将增大7.8 dB，即居民室内的结构噪声达到43.0 dB。如果再考虑到室内的反射和混响，则理论推算室内的结构噪声将更大。

当然前面没有考虑固体声在建筑物内传播时的衰减，该衰减主要取决于扩散衰减和阻尼损失两个方面，这都与建筑物的结构关系很大。首先建筑物内的声扩散不会象在空气中那样以球面波或柱面波衰减，由于受到有限边界的限制，这种衰减较小。其次混凝土内的阻尼损失可以通过平面行波[3]的衰减公式进行分析：

(7)

2　橡树林变压器结构噪声控制

从上面的分析可以看出，成都橡树林居民小区变压器噪声对楼上居民的干扰是因为建筑物将变压器的振动传递到居民室内的墙面和地面，并进一步激发空气形成结构噪声。要控制变压器引起的结构噪声，最直接的办法是切断振动传递途径，因此噪声治理工程采取了两项控制变压器振动传递的措施。第一用空气弹簧减振器隔绝变压器机座的振动，第二用弹性支架隔绝电线轿架的振动。

2.1空气弹簧减振器隔绝变压器机座的振动

空气弹簧是由柔性橡胶气囊和充气阀组成，当用压缩空气充入气囊后其即成为具有弹性的空气弹簧。本工程中为防止空气囊内的气体泄漏，每只空气弹簧均安装了压力传感器，一旦气囊内的压力不足，充气泵就自动充气。空气弹簧减振器具有减振频率低，隔振效果好、自适应充气等特点，且其垂向刚度具有随载荷的增大而增大的特性，因此空气弹簧减振器在较大的荷载范围内均能有效隔绝振动和声波的传递。图3 是空气弹簧减振器安装在变压器机座下方的实物图，图4是该减振器的载荷/气压曲线图。

图3　空气弹簧安装图Fig.3　Air spring installation diagram

图4　空气弹簧载荷/气压曲线Fig.4　Air spring load / pressure curve

根据变压器重量，在变压器槽钢支架上安装了16只空气弹簧减振器，每8只空气弹簧减振器一组，配备一个自适应控制系统，由PLC控制器实现多路电路和气路的控制。当空气弹簧减振器气囊内的压力低于下限阈值时PLC控制器可闭合气泵电源和气路中的电磁阀的电源，给气囊充气；当气囊内的压力达到上限阈值时PLC控制器可断开电源，停止充气，使空气弹簧始终处于最佳的减振状态。

2.2用弹性支架等措施隔绝电线轿架的振动

橡树林变压器的线路轿架是通过元钢吊勾固定在天花板上的，靠近墙体时轿架则直接固定在墙上，由于轿架受变压器激发产生振动，该振动必然通过元钢等固定件传递到天花和墙体上。现场不能直接测量轿架上的振动级，但用木条接触轿架，感受到振动十分明显。所以工程中对轿架固定方式进行了改进，将原先的刚性吊装和搁置方式改为弹性支撑方式，同时对穿墙而过的电线轿架在穿墙处采取软接触处理。

图5为隔绝变压器振动的措施示意图。

图5　变压器隔振措施示意图Fig.5　Schematic diagram of transformer isolation measures

3　治理效果和存在问题

3.1噪声治理效果

对成都橡树林地下室变压器底座上安装了空气弹簧减振器，在变电房正上方的一楼居民室内测量，室内噪声级从原来的41dB(A)降至30dB(A)以下，达到了《社会生活环境噪声排放标准》GB22337-2008[4]中规定的固定设备引起室内结构噪声的排放限值，但夜间在室内仍然可以听到变压器运行噪声。进一步对变压器的线路轿架采取弹性支架，轿架穿墙处采取软接触处理后，一楼居民室内的噪声级降至26.0 dB(A)，即使深夜也听不到地下室变压器运行噪声。下表为变电房正上方一楼居民室内的三次噪声监测结果。

表　正上方居民室内前后噪声级对比

3.2存在问题

工程完成后3年来，楼上居民从未反映过地下室变压器噪声干扰问题。但发现自制的空气弹簧减振器存在慢漏气现象，一只空气弹簧大约两天左右需要补充一次压缩空气。另外原配备的充气用压缩机3年中损坏过两次。因此，需要进一步提高空气弹簧减振器性能，使之保气性能更好，配置的空气压缩机也应该更稳定可靠。

4　结　论

变压器是居民小区内必备的公辅设备，该设备本身的运行噪声并不大，但是如果将其安装在居民楼下方的地下室，很容易产生结构噪声，影响同栋居民的正常生活和休息。本工程通过对变压器底座加设空气弹簧减振器、对电线轿架进行弹性支撑等振动隔绝措施，有效地消除了上层居民室内的结构噪声。但工程中采用的空气弹簧虽然隔振性能很好，但其保气性能需要进一步提高。

[1]赵松龄.噪声的降低与隔离[M].上海:上海同济大学出版社,1989.

[2]杜功焕,等.声学基础[M].上海：上海科学技术出版社，1981.

[3]马大猷.噪声和振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社.

[4]GB22337-2008,社会生活环境噪声排放标准[S].

Study of the Transformer Structural Noise Control in Xiangshulin Resedential Area

JI Zheng-yu

(NanjingSourceConstantEnvironmentalResearchInstituteCo.,Ltd.,Nanjing210049,China)

The transformer in Xiangshulin residential area of Chengdu was installed in the underground basement of residential buildings, its running noise was transmissed through buildings. This paper analyzed the propagation mechanism of the transformer noise, and used vibration isolation measures such as air spring shock absorber, which had effectively eliminate the influence of indoor transformer noise to the residents upstairs.

Transformer; structure noise; air spring

2014-12-15

嵇正毓(1947-)，男，江苏扬州人，1982年毕业于南京大学物理系声学专业，研究员级高级工程师，长期从事环境保护工作。

X707

A

1001-3644(2015)01-0167-04