隔声房的技术原理

隔声房的技术原理

1 隔声房隔声原理

隔声房是一种将噪声源封闭起来的隔声结构。户内变电站中的主变室可视为隔声房，主变室可以减少变压器噪声向周围环境辐射，同时又不妨碍主变压器的运行和检修。主变室（隔声房）不仅需要足够隔声量的墙体和屋面外，还需要设置具有一定隔声效果的门、窗和通风换气装置。

为了保证主变室的隔声量，降低噪声对外界的影响，需提高墙体和屋面的隔声量。噪声向主变室外传播有3种形式：通过孔洞直接传出；噪声撞击到墙面、地面等界面引起结构振动向外辐射声能量；设备撞击地面或墙体引起结构振动而辐射声音。前两种形式叫做空气声传声，第三种形式叫做固体声传声。

噪声向外传播的基本途径是没有阻挡的出入，或者说孔洞、缝隙以及穿透造成的漏声。为变压器散热而设置的消声百叶和开启的门都是主变室向外传播噪声的基本途径。

2隔声的评价量

2.1 单一构件的隔声量

声波传播到隔声墙表面时，绝大部分声波被反射，一小部分声波透过结构进入墙体的另一侧。描述墙体空气声隔声性能的指标是隔声量，隔声量的定义是：

1lg10R

隔声量的单位是dB，是透射系数，是透射声功率与入射声功率之比。

孔洞的隔声量是0dB，隔掉99%声能的墙体隔声量是20dB,隔掉99.999%声能的墙体隔声量是50dB。

同一隔声墙在不同频率下的隔声量并不相同，一般规律是隔声墙的高频隔声量高于低频。不同隔声墙的隔声频率特性曲线也不相同，为了通过单一指标比较不同墙体的隔声性能，一般使用计权隔声量WR。计权隔声量是使用空气声隔声基准曲线与隔声构件隔声量频率特性曲线进行比较得到的，基准曲线符合人耳低频不敏感的听觉特性。计权隔声量WR的确定方法为：使用空气声隔声的基准曲线与实际隔声频率特性曲线进行比对，满足32分贝原则隔声最大的基准曲线的500Hz的隔声量为WR。32分贝原则为：100～3150Hz的16个1/3倍频程的构件隔声量比基准曲线低的分贝数总和不大于32dB。

WR的评价曲线为降低语言声源而设计，对于变压器等低频成分比较多的声源来说，WR仍然可以使用，但要知道一般比构件的实际隔声量夸大了5～10dB。

2.2 组合构件的隔声量

主变室是由墙体、屋面、门窗和消声百叶组合而成的组合构件。

在设计时，为了做出最佳的隔声方案，一般应使墙体、屋面、和百叶的隔声能力大致相同，即符合“等传声”原则。

可以利用各部分隔声构件的面积和透射系数按下式求得组合结构的综合隔声量综R（dB）。

nn2211n21iiiSSSSSSlg10SSlg10综R(dB)

Si——各隔声构件部分的面积，m2；

τi——各隔声构件的透射系数。

实践证明，带有门、窗和消声结构的综合隔声能力，受到门窗、消声百叶隔声能力的限制，要提高总的隔声能力，首先要提高门和窗的隔声能力。一般墙体隔声能力高于门窗、百叶15dB以上，对整个隔声结构隔声性能不会有多大改善。因此在主变压器室噪声控制设计中，应特别重视消声百叶和门窗的隔声设计。

3影响隔声性能的因素

影响隔声结构隔声性能的因素较多，不仅包括隔声结构的面密度，有无阻尼与吸声材料、孔洞缝隙和声桥等，还与入射声波的方向和频率有关。

1 隔声结构对入射声波的频率特性

入射声波频率不同，隔声构件和声波的相互作用不同，对隔声性能的影响也就不同。控制匀质板振动的因素有3个：板的面密度、板的劲度和材料的内阻尼。实验表明，匀质隔声墙板的隔声量与入射声波频率的关系如图：

图7 典型单层匀质墙板的隔声频率特性曲线

从图中可以看出，曲线总的趋势是单层匀质墙的隔声量随入射声波频率升高而增加，但在可听声频率范围内明显分成3个阶段4个区。

（1） 劲度控制区

入射声波频率f从0到0f（共振频率）前，隔声量和频率关系正好和一般规律相反，频率增加隔声量降低，频率增加1个倍频程而隔声量大约降低6dB。墙板对声压的反应类似于弹簧，墙板的振动受其劲度K控制；墙板的振动速度反比于墙体的劲度和声波频率的比值，因而墙板的隔声量与劲度成正比，称为劲度控制区。

K增大，隔声量R提高；K一定时，f上升，隔声量R反而下降；当f=0f时，墙板发生共振，隔声量R降至低谷。

（2） 阻尼控制区

当入射声波频率超过0f后进入墙板的共振区，这是因为该区域内分布了数个墙板的多阶共振频率，其值与墙板两个边长有关。入射声波频率和墙板的多阶共振频率nf接近时，引起板的激烈共振，隔声量大幅度降低，是隔声构件隔声量最小的频率范围。共振区的频率范围取决于墙板的几何尺寸、弯曲劲度、结构阻尼大小和边界条件等。在这一区域内，对共振的控制主要靠阻尼，所以又称阻尼控制区。

当入射声波频率在共振范围内时，发生谐振，隔声量R大幅度下降。控制措隔声量频率/Hz 施是增大墙板的阻尼，抑制墙板的共振，缓解共振效应。但总体上，该区域内随入射声波频率f上升，墙板的质量效应逐渐增强，隔声量总体还是呈上升的趋势。在设计墙体材料时，应使其0f和nf尽可能低，即使第Ⅰ阶段落在听阈以外。

当入射声波的频率与隔声构件本身的固有频率一致时，构件发生共振，这时的入射频率称为共振频率。任何墙体都存在固有的共振频率。在共振区，隔声量达到最小。

共振频率与隔声构件的材料物理性质、几何形状、安装方式等有关。

共振频率计算公式如下：

22,45.0bnamhCfpnm

nmf,——墙板的m、n阶固有共振频率，Hz；

Cp——墙板中的纵波速度，m/s；

H——墙板厚度，m；

a，b——墙板的长和宽，m；

m，n——任意正整数。

对于一般土建材料如加气混凝土块等构成的隔声构件，其共振频率一般很低，因此共振频率的影响较小。

（3） 质量控制区

第三个区域是质量控制区，只有在这个区域内隔声量和频率的关系才符合质量定律，隔声量和频率存在直线关系，直线斜率为6dB/oct。隔声板面密度越大，隔声量越大。此时声波对板的作用类似于牛顿定律的力对质量块的作用，质量越大，惯性越大，隔声板受声波激发而发生的振动速度越小，因而隔声量越大。需要指出，在建筑中一般隔声构件都是比较厚重的墙体，共振频率常常处于人耳不敏感的低频区，人耳敏感区域一般在质量控制区，这些墙体的隔声量大致符合质量定律，这是隔声构件的主要工作区。

面密度M增加，墙板振动的加速度减小，隔声量R增加；M一定时，隔声量R随声波频率f上升而增加；在隔声设计中，希望质量控制区尽可能大。

（4） 吻合效应 固体介质振动时既有纵向压缩拉伸，又有横向弹性切变，从而可以产生弯曲波。

在隔声理论中，墙板的运动主要表现为整体运动和弯曲运动。前面介绍的除吻合效应区以外的区域，主要是整体运动，由墙板中的涨缩波所控制；而吻合效应区主要受切变波控制，墙板主要作弯曲运动。

固体墙板具有一定的弹性，当一定频率的声波以某一角度投射到墙体上，如果正好和声波激发的墙板的弯曲波发生吻合，墙板弯曲波振幅就最大，因而墙板的另一面发射较强的声波，这时墙板隔声量降至很小，对于薄板可以认为几乎失去隔声能力，这种墙板的运动和空气中声波的运动高度耦合的现象称为吻合效应。

临界频率ef（Hz）可用下式进行计算：

EhBMfe43102106

式中 M——构件的面密度，Kg/m2；

B——构件的弯曲劲度Kgf·m；

h——构件的厚度，m；

——构件材料的密度，Kg/m3;

E——材料的静态弹性模量，MPa。

面积度较大，较厚的隔墙，如混凝土加气块，其吻合临界频率往往会出现在250HZ～2000Hz的范围内，越重越厚的板，越容易在隔声曲线的的低频范围内出现很深的“吻合谷”，严重限制隔声构件的隔声量，而变压器的噪声频率特性是在低频段声压级较高。

2 隔声构件的质量

隔声构件的隔声量除与噪声的频率有关外，还取决于隔声构件的面密度（即单位面积的质量），面质量越大，其惯性阻力也越大，也就越不容易振动，所以隔声效果好。

（1） 单层隔声结构

对于单一匀质材料构成的无限大隔声板，理论上声波垂直入射时的隔声量可用下式计算： CfRAlg200

A——隔声板的面密度，Kg/m2；

f——入射声波的频率，Hz；

——空气密度，Kg/m3;

C——声波在空气重的传播速度，m/s。

从公式可知，频率提高一倍，隔声量增加6dB，面质量加倍，隔声量也增加6dB。

在工程实践中，声波往往是无规则入射的，其隔声量R计算的经验公式如式

44)lg(18fRA

（2） 双层隔声结构

在实践中，人们发现双层隔声板中间夹有一定厚度的空气层，其隔声量比没有空气层的两个单层隔声板的隔声量提高较多，双层隔声结构隔声量R可按下式进行估算：

TLCfRAA)lg(2021

1A，2A——分别为两层板的面质量，Kg/m2；

f——入射声波的频率，Hz；

C——空气的声阻抗，为空气的密度，Kg/m3， C为空气中的声速，m/s，

TL——空气层引起的附加隔声量，dB。

附加隔声量随空气层厚度的增加而增加，但由于受空间的限值，在设计双层隔声结构时，空气层不可能太厚，一般取100～150mm，其附加隔声量在15dB以下。

3 阻尼涂层和吸声材料

（1） 阻尼涂层

物体或结构振动受三个参数的影响：与势能有关的刚度；与动能有关的质量；与能量消耗有关的阻尼。振动控制中常用的方法是改变刚度和质量以避免共振，采用隔振器以减少振动的传递，采用动力吸振器吸收部分振动能量，但是无法改变结构和无法采用隔振器、动力吸振器的场合，尤其是薄板结构及宽频带随机激励等场合，则采用增加结构的阻尼来控制结构的振动并减少噪声。

一般金属结构的阻尼损耗因子β很小，大约为10-5～10-4，近代大量采用焊接工艺也大大减小了系统的连接阻尼，迄今为止，生产既有高强度又有较大阻尼值金属的努力尚未成功，因此，增加部件或系统的阻尼，最方便有效的方法是在部件表面粘贴黏弹性高阻尼材料。

在构件的表面粘贴阻尼材料，由部件或系统承受强度和刚度，由黏弹性高阻尼材料提供阻尼，是最常见的阻尼处理方法。常用的阻尼结构形式有两种：自由阻尼处理和约束层阻尼处理。

自由阻尼处理是在基础结构表面上直接粘贴阻尼材料，当结构振动时，粘贴在表面的阻尼材料产生拉伸压缩变形，把振动能转化为热能，从而起到减振作用。自由层阻尼结构的损耗因此可用式估算：

21111463HHHHEHHE

——阻尼结构的损耗因子；

——阻尼层材料的损耗因子；

H1——阻尼层厚度，cm；

E1——阻尼层材料的杨氏模量，10N/cm2;

E——基板的杨氏模量，10N/cm2;

H——基板厚度，cm。

自由层阻尼结构的阻尼处理比较简单，缺点是阻尼处理的效果和温度关系很大，而且也不可能提供很大的阻尼。

约束层阻尼处理，此方法是在结构的基板表面粘贴阻尼层后，再贴上一层刚度较大的约束板。当结构振动时，处于约束板和基板之间的阻尼材料产生拉伸压缩及剪切变形，此变形能把更多的振动能转化为热能，从而达到减少结构振动的目的。约束层阻尼处理一般可以提供较大的结构损耗因子。

约束层结构的施工及制作要求较高，价格也贵，因此在实际工程中，有时将自由层阻尼结构和约束层阻尼结构同时使用。