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第50卷第4期中国电力Vol.50.No.42017年4月ELECTRIC POWERApr.2017聚酯纤维用于低频降噪的研究张斌2，裴春明，张建功12，周兵12(1.中国电力科学研究院武汉分院电网环境保护回家重点实验室，湖北武汉430074：2.中国电力科学研究院，湖北武汉430074：3.厨网电力科学研究院，湖北武汉430074)摘要：针对变电站低频噪声难治理的问题，选用聚酯纤维，采用阻抗管研究其低類吸声性能，考察容重、材料厚度、背后空腔厚度对其低類吸声性能的影响，并将聚酯纤维与亥姆霍兹共振器组成复合结构，结果表明：聚酯纤维的容重对于吸声性能存在一个最佳范围；增加材料厚度和背后空腔厚度均能提高聚酯纤维的低類吸声系数，但是在100比处的吸声系数仍然偏低；聚酯纤维与亥姆霍兹共振器复合结构在100Hz处的吸声系数达到0.9以上，同时其平均吸声系数也处于较高水平。中图分类号：TM63:TB53.1文款标志码：AD01:10.11930.isn.1004-9649.2017.04.094.060引言度之间关系的基础上，将聚酯纤维与亥姆霍兹共振器组成复合结构，研究该复合结构的低频吸声随着城市的发展，越来越多的变电站进入市性能。区，随之带来的是噪声污染问题-。变电站噪声主要是由变压器、电抗器和冷却风扇等设备产生1试样制备与试验方法的，其中变压器和电抗器的噪声为低频噪声，其噪声频谱主要集中在100Hz的基频及其200、1.1试验材料300、400、500Hz的谐振频率上34。变电站低频本试验所用的聚酯纤维吸音棉由聚酯纤维经噪声的波长较长，能传播较远的距离，并且衰减过叠置热压粘结而成，是一种无毒、无害、无污缓慢，因此是噪声防治的重点9。使用吸声材料降染的新型吸音材料。该产品防水、防潮、不会腐噪就是一种非常有效的措施。吸声材料一般分为烂、透气性能良好，憎水率为98%，阻燃等级达多孔吸声材料，共振吸声结构和特殊吸声结构三到M1级，属难燃产品，其压缩永久变形性≤2%。大类，其中多孔吸声材料是最传统、使用范围最聚酯纤维的SEM图像如图1所示，从图1可以看广的吸声材料向。聚酯纤维作为一种多孔材料被应出，聚酯纤维的直径为20-30μm,沿长度方向直用在很多吸声场合？。然而多孔吸声材料良好的径比较均匀，不同纤维相接处呈熔接状态。本试吸声性能主要体现在中高频上，其低频吸声性能验所用聚酯纤维的容重分别为10kgm、20kg较差，虽然增加容重和材料厚度可以提高低频吸m3、40kg/m、80kg/m3,分别记作1号、2号、3声性能，但是提升的效果有限，而且会受到成本号，4号样品，所有样品均加工成直径为100mm和空间大小的限制。亥姆霍兹共振器是一个封闭的圆形试样。亥姆霍兹共振器的共振频率由公式的刚性容器9，其吸声特点是在共振频率附近吸声系数很高，在其他频率范围吸声系数很低。为了解决聚酯纤维低频吸声系数偏低的问题，在研究口面积，V为空腔体积，1为颈部长度，d为颈口聚酯纤维的吸声性能与容重、材料厚度和空腔厚直径)，通过调整各个参数的数值，可以获得不同收稿日期：201605-17作者简介：张斌(1984一)，男，湖北武汉人，硕士，工程师，从事电力系统电磁环境和噪声治理研究。E-mail:tommy_zhangbin@126.com94(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第4期张斌等：聚酯纤维用于低频降噪的研究2试验结果与分析21材料容重和厚度对聚酯纤维吸声性能的影响分别测量1号、2号、3号、4号样品在厚度为90mm时的吸声系数，其吸声曲线如图3所示。从图3可以看出，聚酯纤维的吸声系数随声波频率的增加而增大，当频率超过一定值后，吸声系数趋于稳定，并且该频率阙值随容重的增加而减小：当厚度相同时，随着聚酯纤维容重的增加，其吸声系数逐渐增加，但是4号样品和3号样品的吸声系数很接近，并且4号样品在中高频图1聚酯纤维的SEM图片的吸声系数略低，说明当容重超过40kg/m后，Fig.1 The SEM image of polyester fiber容重增加对聚酯纤维的吸声系数的提升效果很小，的共振吸声频率。本试验设计的亥姆霍兹共振器，甚至还会降低中高频的吸声系数，这是因为聚酯其底部腔体外径为99mm,腔体厚度65mm,颈纤维的容重对于吸声性能存在一个最佳范围，当部长度为142mm,设计共振频率为100Hz。将容重小于此范围时，由于材料的孔径过大，声波圆形聚酯纤维试样中心穿孔，与共振器组合成复易透过材料，与材料的相互作用较弱，吸声效果合结构，如图2所示。较差：当容重大于此范围时，由于材料密度过大，声波不易进入材料内部，从材料表面反射的声能较多，吸声效果也很差，同时容重增加也会导致材料成本增加。综合来看，3号样品的吸声效果最好，因此选用3号样品继续试验。1.00.80.6图2亥姆霍兹共振器及其复合结构0.4Fig.2 The Helmholtz resonator and its composite3-40 kg/m'structure4-80 kg/m'1.2试验设备及方法02004006008001000120014001600本试验使用AWA6290T型传递函数吸声系数测量系统，该系统由阻抗管、AWA8571型功放、图3容重对聚酯纤维吸声系数的影响AWA6290B型多通道噪声振动分析仪、经过严格Fig.3 The impact of bulk density on the sound相位配对的1/4传声器对及分析软件组成，可测absorption coefficient of polyester fiber定法向入射条件下吸声材料的吸声系数，较之驻分别测量3号样品在不同厚度下的吸声系数波比法更为快捷。采用传递函数法进行测量，执其吸声曲线如图4所示，统计其100Hz处的吸声行标准为GB/T18696.2-2002《声学阻抗管中吸系数，50-1600Hz以及100-500Hz的平均吸声声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》。系数，结果如表1所示。由图4可知，随若材料测量材料在50-1600Hz声波频率范围内的吸声厚度的增加，3号聚酯纤维的吸声系数逐渐增加，系数，分析容重、材料厚度和空腔厚度对聚酯纤当厚度增加到一定程度后，中高频的吸声系数稳维吸声性能的影响以及复合结构的吸声系数，着定在0.9以上，低频吸声系数仍不断增加，吸声重研究其低频吸声性能。曲线向低频方向移动，但增加的幅度逐渐减小。95(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net中国电力第50卷1.0量45mm:1一0mm空腔：2一50mm空腔3一100mm空腔4一150mm空腔：6一250mm空腔20040060080010001200140016000.002004006008001000120014001600图4材料厚度对3号聚酯纤维吸声系数的影响图5空腔厚度对50mm厚的3号聚酯纤维吸声系数的影响Fig.4 The impact of thickness on the sound absorptionFig.5 The impact of the thickness of air cavity on thecoefficient of polyester fibersound absorption coefficient of 50-mm thick 3#polyester表13号聚酯纤维的吸声性能统计fiberTable 1 Statistics of the sound absorption properties of1.03#polyester fiber50-1600Hz100-500z吸声系数平均吸声系数平均吸声系数450.0250.5630.222900.1180.8270.5592一50mm空腔：13502860.8850.7783一100mm空粒4一150mm空腔：1800.4690.9090.8565一200mm空腔由表1可以看出，随若厚度的增加，3号聚酯纤2004006008001000120014001600维在50-1600Hz的平均吸声系数初始增加很快，图6空腔厚度对100mm厚的3号聚酯纤维吸声系数的随后增长幅度很小：100Hz处吸声系数和100~影响500Hz的平均吸声系数增长较快。当厚度为180Fig.6 The impact of the thickness of air cavity on themm时，3号聚酯纤维在50-1600Hz的平均吸声sound absorption coefficient of 100-mm thick 3#polyester系数和100-500h的平均吸声系数均达到0.85fiber以上，但是100Hz处的吸声系数小于05，需要进一步提高。2.2空腔厚度对聚酯纤维吸声性能的影响为了探究空腔对聚酯纤维吸声性能的影响，选取50mm,100mm,150mm等3个厚度的3号0.41一0mm空腔：聚酯纤维，在其后面设置空腔，空腔总长为3002一50mm空整：mm,测量空腔厚度从0mm(紧贴壁面)开始，以4一150mm空腔50mm为单位递增至最大值（空腔总长减去聚酯纤维厚度)时的吸声系数，绘成曲线（见图5-7）。2004006008001000120014001600统计100Hz处的吸声系数，50-1600Hz以及图7空腔厚度对150mm厚的3号聚酯纤维吸声系数的100-500Hz的平均吸声系数，结果如表2-4所示。从图中可以看出，当聚酯纤维后面存在空腔Fig.7 The impact of the thickness of air cavity on the时，吸声曲线出现波峰和波谷，随若空腔厚度的sound absorption coefficient of 150-mm thick 3#polyester增加，波峰和波谷逐渐向低频方向移动，这是由fiber于聚酯纤维和后背空腔构成了空腔共振吸声结构。度的增大，吸声曲线逐渐出现吸声峰和吸声谷，当3号聚酯纤维的厚度为50mm时，随者空腔厚峰值吸声系数接近1，峰与谷的个数逐渐增加，96(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第4期张斌等：聚酯纤维用于低频降噪的研究表250mm厚的3号聚酯纤维在不同空腔下的吸声性能于稳定。当空腔厚度达到150mm以上时，3号聚统计酯纤维在50-1600Hz的平均吸声系数和100-500Table 2 Statistics of the sound absorption properties ofHz的平均吸声系数均达到0.85以上，100Hz处50-mm thick 3#polyester fiber with different air cavities的吸声系数也超过0.5，吸声效果有一定的提高。100Hz50-1600Hz100-500出当3号聚酯纤维的厚度为150mm时，随着空腔吸声系数平均吸声系数平均吸声系数00.0340.631厚度的增大，4条吸声曲线非常接近，吸声峰和500.1180.7870.507吸声谷不明显，除了100Hz处的吸声系数逐渐增1000.2200.7510.710加外，2个平均吸声系数几乎稳定不变。当空腔厚1500.3190.7830.819度为150mm时，100Hz处的吸声系数为2000.4450.7650.8650.685,100-500Hz的平均吸声系数为0.867，2500.5650.7840.86150~1600Hz的平均吸声系数为0.914。在聚酯纤表3100mm厚的3号聚酯纤维在不同空腔下的吸声性维后面设置空腔，相当于增加了材料的厚度，具能统计有节省材料的效果，但是空腔厚度尺寸会受到实Table 3 Statistics of the sound absorption properties of际应用环境的限制。100-mm thick 3#polyester fiber with different air cavities2.3聚酯纤维与亥姆霍兹共振器复合结构的吸声100Hz50-1600Hz100-500业性能吸声系数平均吸声系数平均吸声系数2.3.1亥姆霍兹共振器的吸声性能00.1920.8460.633500.2980.8780.792测量亥姆霍兹共振器的吸声系数，并绘成吸1000.4460.8880.867声特性曲线如图8所示。由图8可以看出，亥姆1500.5770.8900.893霍兹共振器在0-1600Hz频段存在2个共振吸声2000.6850.8950.889峰，2个共振吸声峰都非常尖锐，峰宽很窄，稍表4150mm厚的3号聚酯纤维在不同空腔下的吸声性微远离共振频率，吸声系数就迅速下降到很低的能统计程度。亥姆霍兹共振器的吸声频带很窄，对吸声Table 4Statistics of the sound absorption properties of频率具有选择性，可用于某些需要吸收特定频率噪声的场合，但是对于宽频噪声的治理，一般需150-mm thick 3#polyester fiber with different air cavities要结合其他吸声材料一起使用，才能取得良好的50-1600Hz吸声系数平均吸声系数平均吸声系数吸声效果。00.3490.8930.8071.0500.5030.9060.8611000.6110.9110.8721500.6850.9140.867吸声谷值越来越小，最小值小于0.4，吸声曲线的峰和谷之间的变化幅度越来越大。100Hz处的吸声系数逐渐增大，100-500Hz和50-1600Hz的平均吸声系数增加到一定程度后趋于稳定。当空腔厚度为250mm时，100Hz处的吸声系数为020040060080010001200140016000.565,100-500Hz的平均吸声系数为0.861,50-1600Hz的平均吸声系数为0.784。当3号聚酯纤图8亥姆霍兹共振器的吸声性能维的厚度为l00mm时，随者空腔厚度的增加，Fig.8Sound absorption properties of Helmholtz resonator100Hz处的吸声系数逐渐增大，50-1600Hz的2.3.2复合结构的吸声性能分析平均吸声系数随空腔厚度的增加变化不大，集中测量不同厚度的3号聚酯纤维和亥姆霍兹共在0.846和0.895之间。100-500Hz的平均吸声振器复合结构的吸声系数，其吸声特性曲线如图系数随空腔厚度的增加，初始增长较快，随后趋9所示。统计3号聚酯纤维与亥姆霍兹共振器复97(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net中国电力第50卷合结构在100Hz处的吸声系数、50-1600Hz和2.3.3复合结枸吸声系数的规律分析100-500Hz的平均吸声系数，如表5所示。由图由对比可以看出，该复合结构的吸声系数类9可以看出，该复合结构的吸声系数也随着聚酯似于简单加和规律。为了验证这一想法，进行如纤维的厚度的增加而增大。对比图4和图9可以下实验分析。亥姆霍兹共振器在共振频率之外具发现，聚酯纤维在100Hz处的吸声系数很低，和有一定的吸声系数，称为背景吸声系数，为了获亥姆霍兹共振器组成复合结构后，在100Hz附近得其背景吸声系数，将亥姆霍兹共振器的管口用的吸声系数得到了极大的提高，但由于亥姆霍兹密实物体堵住，测量其吸声系数C。然后将亥姆共振器在共振频率附近的吸声频带很窄，在120-霍兹共振器的吸声系数A(含背景吸收)和聚酯纤200Hz之间出现了吸声谷，吸声谷的吸声系数随维加堵住管口的共振器的吸声系数B(含背景吸着聚酯纤维的厚度的增加而增大，当聚酯纤维的收)相加并减去亥姆霍兹共振器的背景吸声系数厚度为135mm时，该复合结构的吸声谷值为C,得到合成吸声系数。用阻抗管测得的吸声系数0.616,在可接受的范围内。本实验设计的亥姆霍不可能超过1，因此将合成吸声系数中大于1的兹共振器在1140Hz处还存在一个共振吸声峰，值进行修正，令其结果为1。用修正后的合成吸由于聚酯纤维在该频率附近的吸声系数已经很高，声系数减去复合结构的实测吸声系数，得到偏差复合结构的吸声曲线在该频率附近仅出现了一个结果。将修正后的合成吸声系数（合成值）、复合较小的起伏。对比表5和表1、表3的数据可以结构的吸声系数的实测值和偏差结果绘成曲线，看出，当复合结构的聚酯纤维厚度为135mm时，如图10所示。由图10可以看出，合成结果曲线其在100H2处的吸声系数提高了很多，与聚酯纤和实测曲线非常接近。对偏差结果求和并取平均维以及聚酯纤维背后带空腔时的数据相差不大，值，得到计算值和实测值之间平均吸声系数偏差表明复合结构的综合吸声效果和低频吸声效果为0.027，相对偏差为0.02710.892×100%=3.03%，最好。说明复合结构的吸声系数符合简单加和规律。实测值一偏差。一共振器+45mm聚酯纤维20040060080010001200140016002004006008D01000120014001600图93号聚酯纤维与亥姆霍兹共振器复合结构的吸声性能图10聚酯纤维与共振器夏合结构吸声系数的实测顶、合Fig.9 Sound absorption properties of the composite成值及两者的偏差值曲线structure of 3#polyester fiber and Helmholtz resonatorFig.10 Curves of measured value,synthetic value and表53号聚酯纤维与亥姆霍兹共振器复合结构的吸声性their deviation value of the composite structure of能统计polyester fiber and resonatorTable 5 Statistics of the sound absorption properties ofthe composite structure of 3#polyester fiber and3结论Helmholtz resonator10050-1600Hz100-500Hz(1)聚酯纤维的容重对于吸声性能存在一个复合结构吸声平均吸声平均吸声系数系数系数最佳范围，当容重小于此范围时，由于材料的孔0.8870.6310355径过大，声波易透过材料，与材料的相互作用较90mm聚酯纤维+共振器0.9240.8650.663弱，吸声效果较差；当容重大于此范围时，由于135mm聚酯纤维+共振器0.9390.8920.821材料密度过大，声波不易进入材料内部，从材料98(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net