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FIRESTONE空***簧降噪 用空***簧降低变压器结构噪声的工程实践
1绿岛华庭变电房噪声前期治理经过
绿岛华庭居住小区位于南京市雨花区长虹路，是2006年建成的一个***居民区。为保证小区内居民的用电，在4号居民楼的1层安装了三台干式变压器，每台变压器配备一组低压配电柜。由于变压器与居民住宅同在一栋楼内， 在变电房上方的11层以下居民家中都能清晰地听到变压器的运行噪声，在三楼居民起居室和卧室内测量变压器传来的噪声级达到45．0～46．5dB(A)。为解决变压器噪声***问题，绿岛华庭开发商南京汇远房地产开发有限公司对该变电房多次采取噪声治理措施，先在变电房内进行吸声、隔声处理，希望通过降低机房内的噪声级达到减小居民室内噪声的目的，但是该项措施基本没有改善居民室内的声环境质量。
2007年汇远房地产公司委托南京常荣噪声控制环保工程有限公司对该变压器噪声进行治理，要求治理后在变电房正上方居民室内的噪声级低于1类区夜间环境噪声标准10dB，即变压器运行噪声对楼上居民室内的影响声级小于35dB(A)。该公司经过实地踏勘和理论分析，认为居民室内的噪声属于结构噪声污染，应该采取以减振为主要手段的控制措施，并据此采取了两项噪声控制措施:(1)采用钢丝蝇减振器对变压器进行了隔振;(2)对变电房通风管道加设软接，排风口加设消声器。治理后三楼居民室内的噪声级从原来的46．5dB(A)降到了34．3dB(A)，降噪量为12．2dB(A)，达到了声环境质量标准和合同要求，但2—5层的居民室内仍然可以听到变压器运行噪声。
2008年***颁布了《社会生活环境噪声排放标准》GB22337－2008，该标准***规定了固定设备引起室内结构噪声的排放限值，这为建筑物结构噪声治理提供了***依据。南京汇远房地产公司根据这一新的标准再次委托常荣公司对绿岛华庭变电房噪声进行治理，并要求治理后居民室内的噪声级不得大于GB22337－2008表2中的夜间标准30dB(A)［1］。
2绿岛华庭变电房噪声影响分析
绿岛华庭居民小区内的变压器安装在4栋一楼地板上，其上面是17层的居民住宅，下面是地下 室。变电房长×宽×高约为15×10×2．3m3，四周为240mm砖墙，机房没有窗户，只有两道进出 门，封闭性较好。两台小风机对变压器强制通风散热，热风由管道直接排至室外。机房内布置了三台变压器，三组低压变电柜，其平面布局如图1所示。在距离变压器1m处测量设备运行噪声级为68．0dB(A)，在设备基础旁0．1m处测量其振动级VLz10为88．9dB。
变压器运行噪声主要是因为铁心的磁致伸缩产生的，噪声基频为100Hz，但峰值频率在100～500Hz之间［2］。绿岛华庭居民小区内的变压器是将10KV电压降至220/380V市电，其电压等级和功率都较小，正常运行时在机柜外侧的噪声级为68dB(A)。一般情况下变压器运行时机壳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。但是针对绿岛华庭变电房而言，变压器位于机房内，且封闭性好，墙体隔声量较大。
按照理论分析， 240mm混凝土墙的隔声量可以达到50dB(A)以上，变压器噪声传至居民室内的声级理应小于18dB(A)，但居民室内的噪声级达到34．3dB(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。 现场测量了变压器机座和基础上振动级VLz10，其支座上的振动级达到108dB，基础上的振动级达到88．9dB(表1)，表明变压器的振动较大。显然基础的振动会带动楼板振动，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四面传递，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，能沿建筑物传播到很高的楼层。
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，一般认为透射声能十分微弱［2，3］ ，但是对于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 ［3］ ，声压透射系数为:
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。(1)式表明，透射声压与入射角度相关。为使问题 简化，设θ1=θ2=0(即垂直入射)，可以推导得到 垂直入射的声能透射系数［3］ 为: τ1=E2/E1=4ρ1c1ρ2c2/(ρ2c2+ρ1c1) 2 (2) 式中:E1和E2分别代表入射波和透射波的能 量，这里取ρ1、ρ2分别为2400kg/m3 和1．29kg/ m3，C1、C2分别为3100m/s和340m/s，由此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差ΔL为36．1分贝。
以绿岛华庭变压器而言，当变压器产生的固体声波沿建筑物传至楼上居室时，墙体内的固体声能量仍以距变压器0．1m处的铅垂向Z振级VLz10计算: 
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， 得到建筑物内的声能密度为1．352×105 (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(1．352×105/1012)－36．1=35．2dB (5) 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。 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个面辐射声级相同，则室内的噪声级将增大7．8dB，即居民室内的结构噪声达到43dB。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通过平面行波［4］ 的衰减公式进行分析:
从该式可以看出，固体中的声衰减主要在于衰 减因子l1 4KbηX 。设固体声波的频率为500Hz，振动 源到居民室内的距离为10m，混凝土内的阻尼损 失因数在0．001～0．01之间，这里取0．01，计算得到10m引起的阻尼衰减量只有1．0dB左右，可见固体中因阻尼引起的衰减也是较小的。理论分析表明，建筑物质量越好，墙体和楼板越均匀，固体声波的阻尼衰减越小。
3 FIRESTONE空***簧减振器
针对绿岛华庭居民小区变压器噪声***是结构噪声引起的，该公司采取了以隔振为主要手段的噪声治理措施。考虑到固体声波的振动频率较高， 采用金属弹簧减振器可能出现穿流现象［5］ ，导致隔振降噪效果不好，而采用橡胶减振器又存在橡胶易老化问题。因此，研制了专用于隔绝固体声波的空***簧减振器。
FIRESTONE空***簧是一个密闭的柔性气囊，气囊是由帘布和橡胶硫化而成的复杂结构体，其内充入压缩空气后就具有弹性，且其垂向刚度随载荷的增大而增大，可适应不同载荷和工况，实现对振动和声波的隔绝。并在空***簧的基础上配置了一套***装 置和自适应控制系统， 形成了具有自主知识产权的空***簧减振器。该减振器具有减振频率低、隔振 效果好、使用寿命长、支承稳定、自适应充气等特点。图2是空***簧减振器的安装图，图3是减振器的载荷/气压曲线图。
4 FIRESTONE空***簧减振器降低变压器结构噪声实践
绿岛华庭变电房的三台干式变压器连同机箱 均安装在槽钢支架上，其中两台变压器并列组合在同一个机箱内。根据变压器重量，在1#、 2#号变压器槽钢支架上安装了16只空***簧减振器，3#号变压器槽钢支架上安装了8只空***簧减振器。 每8只空***簧减振器为一组，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。PLC控制器可闭合(断开)气泵和电磁阀的电源，达到启动(停止)气泵、打开(关闭)电磁阀给气路系统供气(停气)之目的。 气路系统由空压机、压力表、压力控制器(压力开关)、分气缸构成。
每一个空***簧气囊连接着压力表、 压力控制器(压力开关)和电磁阀，一旦空***簧气囊内的气压低于预定值下限，电磁阀自动打开压力开关，空压机启动并对该气囊充气，当气压达到预定值上限时空压***机，压力开关闭合。这样空***簧就能在预定的压力范围内工作，保证变压器的隔振降噪效果。图4为空***簧气路原理图。 2010年2月，对绿岛华庭变压器安装了空***簧减振器，运行一个月后，建设单位委托南京市环境监测中心站对变电房上方2—11层居民室内的噪声进行监测，结果表明，楼上各户室内噪声级均低于30dB(A)，达到了《社会生活环境噪声排放标准》GB22337－2008中规定的固定设备引起室内结构噪声的排放限值。表2是306室居民家中的监测结果，表3是306室居民家中前后噪声级对比。
5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内，容易产生结构噪声，影响同栋居民的正常生活和休息。该公司两次对绿岛华庭小区内的变压器噪声进行治理，均达到了合同要求的降噪指标。第二次噪声治理采用了自行研制的空***簧减振器，具有减振频率低、隔振效果好、使用寿命长、支承稳定、自适应控制等特点，可推广应用到其它产生结构噪声的污染治理。
汽车FIRESTONE空***簧——汽车耦合空***簧悬架系统动力学模型的研究
前言
目前国外***大客车几乎全部使用空气悬架; 重型载货车上空气悬架的使用率达到85%;大约80%的拖挂车也使用了空气悬架;空气悬架在轻型货车上的应用虽然只占市场份额的10%,但预测到2008年将达到40%。近年来,国内商用车辆空 气悬架系统每年约以50%的速度增长[1-2] 。
空气悬架高度调节系统一般采用3点控制,对前2后4的6气囊空气悬架而言,前悬的左右空***簧由放在车桥中间的1个高度阀控制,后悬的4个空***簧中,左侧的2个空***簧由1个高度阀 控制,右侧的2个空***簧由1个高度阀控制。因 此在车辆实际运行中前悬的左右空***簧、后悬的单侧前后空***簧是耦合的,特别是前悬的2个空***簧在转弯时左右空***簧的气体通过管路左右流动以达到压力平衡状态。
现有的汽车动力学分析[3-4]中存在以下2个问题:
(1)FIRESTONE空***簧的动力学模型采用线性刚度或采用试验测定的载荷位移曲线通过插值来模拟,忽略了左右空***簧和前后空***簧的耦合;
(2)忽略了高度阀的作用,在车辆行驶过程中,通过高度阀的充排气对车体侧倾具有一定的影响。因此这种分析无法真实模拟车体的实际振动,得到的优化参数在实际中的应用可能具有一定的局限性。文中建立的考虑高度阀作用的耦合空***簧动力学模型,可用于研究空气悬架不同控制方式下的整车动力学性能。
1 空气悬架系统的结构及工作原理
汽车空气悬架系统实际为耦合的空***簧悬架 系统,其结构简图如图1所示。该系统的工作原理为:车辆静载荷增加时,空***簧被压缩,其工作高度降低;高度阀随车体下降,使摆杆发生转动,从而打开高度阀的进气机构,压缩空气由储气罐通过高度阀的进气机构和连接管路进入空***簧,直到高度调整杠杆回到水平位置才停止进气,此时空***簧***其原来的工作高度;车辆静载荷减小时,过程相反。高度阀作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保持一定的高度,空***簧的优点也只有在采用 了高度阀的情况下才能充分体现[5]。
图1 空***簧悬架系统结构示意图
2 子模块力学模型
FIRESTONE耦合空***簧悬架系统主要由高度阀、空***簧本体和连接管路构成。
2.1 高度阀模块
汽车车身高度控制是通过高度阀控制空***簧充、排气来实现的。在国内空气悬架设计中较多地采用不带***系统的高度阀,如科诺尔的SV1307型高度阀,车辆在运行过程中,高度阀的进、排气阀不断地关闭,空气消耗量大,为此一般在空气通道上设置一节流孔,如科诺尔的SV1418型高度阀,或在排气通道外加一长橡胶软管既可限制空气流量,又可避免空气中的水分和灰尘堵塞小孔。 某型高度阀的流量特性曲线如图2所示,可以 看出,该型高度阀的流量特性具有线性递增区(摆杆角度小于10° )和饱和特性区(摆杆角度大于10° ),为了防止高度阀消耗空气过多,一般高度阀还具有死区特性,即当摆杆的角度很小时高度阀不动作。高度阀流量特性可用非线性函数H表示,即
式中α为高度阀的摆杆角度;α1为高度阀的摆杆死 区角度;α2为高度阀的流量达到***大时的摆杆角度;V? s为高度阀的单位时间体积流量,L/s。
图2 高度阀的流量特性曲线
2.2 FIRESTONE空***簧本体模块
采用3点控制具有6气囊的空气悬架系统,车辆在振动过程中,特别是考虑车辆转弯或单侧车轮经过障碍时,前悬左右和后悬前后空***簧内的气体会通过高度阀而发生流动,对没有节流装置的高度阀,耦合空***簧内的压力基本相同,失去了抗侧倾能力;而带有节流装置的高度阀,耦合空***簧内的气体压力不同,从而具有抗侧倾功能。 空***簧的本体模块包含了质量连续方程[6] ,本体内的质量变化一般考虑了高度阀的作用和耦合空***簧间的气体流量。本体内气体质量的变化以及悬架高度的变化造成了气体压力的变化。
质量变化率方程:
式中m为空***簧内气体质量;Gw为耦合空*** 簧之间的质量流率,亦即dmw/dt,以下简称质量流率;G为通过高度阀与储气罐或大气的质量流率;H为与悬架高度相关的高度阀流量特性***性函数。 G与两端的压力比PD/PU有密切的关系,可通过试验或利用分析函数确定。试验可采用如图2所示的数据;若采用分析函数,G可按式(3)求得。
式中Cd为节流孔流量系数;As为节流孔的面积;ρU 为节流孔***空气质量密度;n为绝热指数;PU为
3 FIRESTONE耦合空***簧动力学模型的应用
式(1)～式(8)是汽车耦合空***簧的力学基本方程,具有很强的非线性。文中利用Matlab/Simulink仿真模块建立了耦合空***簧的动力学模型[8] ,采用数值分析的方法来求解这些方程。 图3为空***簧在平衡位置时不同内压***荷变化的载荷位移曲线。图4为内压分别为0.5、0.4和0.3MPa下空***簧动态载荷位移(激励频率0.5Hz)仿真曲线与试验曲线的比较,其中光滑曲线是仿真曲线,仿真考虑了橡胶阻尼。可以看出二者具有很好的一致性,但由于仿真中无法模拟活塞形状的影响,因此在两端具有一定的误差。
图4 FIRESTONE空***簧刚度特性仿真与试验曲线比较
考虑前后2个车桥和车体的垂直、侧倾共6个 自由度建立了车辆Simulink仿真振动模型,采用B级路谱激励 [9] ,车速为50km/h,路面不平度系数为 64×106 m2/m
1 。 图5 车体加速度时间历程图 图5为车体加速度时间历程
,在B级路谱激励下车体的加速度均方根值为0.442m/s2 。图6为前悬左右空***簧的内压,图7为前悬左右空***簧的气体质量流率,可以看出前悬左右空***簧在车体振动过程中气体左右流动,而左右空***簧的压力基本趋于一致,因此具有很小的抗侧倾能力。图8为后悬左右空***簧的内压,可以看出左右空气 弹簧具有较大的压差,从而具有很好的抗侧倾能力。
图9为不带***机构高度阀在车辆振动过程中的质量流率,可以看出,
由于死区的影响,在空***簧动行程超过死区时,高度阀动作,进行充排气。
图8 后悬左右空***簧的内压
4 结论
(1)高度阀的死区、饱和特性以及节流管路(孔)的流量特性均具有很强的非线性。
(2)考虑了连接管路的影响,对确定连接管路 的长度、直径以及弯道等参数具有一定的参考价值。
(3)该模型为模块化模型,通过不同模块的组合,可进行不同形式的简化,因此该模型对任何型式的空气悬架系统均适用,若不考虑高度阀模块即可得到简化的空***簧的动力学模型。
(4)通过仿真可以看出,与简化的空气悬架系统动力学模型相比,该模型可以定量研究车辆振动过程中空***簧内压的动态变化、空***簧之间的气体流率以及高度阀的作用,因此可以更真实地反映系统的动力学特性,对空气悬架系统设计和优化具有实际的参考价值。