Page 39 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 马建刚等： 靶向吸收电力设备有调噪声的声学超构材料设计与实验研究 573

absorption units are 0.91 and 0.99, respectively. The accuracy of theoretical and simulated models was verified
by an experiment. At the same time, these two kinds of sound-absorbing units can be combined in pairs and
further topologically arranged in plane to effectively absorb noise of 2 frequencies. The achievements of this
study can be widely used in the sound absorption of transformer substations and power transformation and
distribution rooms to effectively reduce low-frequency noise pollution.
Keywords: Electrical equipment; Power transformation and distribution; Tonal noise; Acoustic metamaterial;
Sound absorption

采用多层结构，且存在结构参数较为复杂的缺点，限
0 引言
制了其工程应用。

变压器等电力设备是变电站和电力系统末端 上述研究大多基于理论研究，鲜见其实际应用。
变配电间内的主要噪声源，其本体噪声主要由硅 本文基于空间卷曲型声学超材料的理论和思想，利
钢片的磁致伸缩效应和漏磁等现象导致的铁心振 用卷曲通道延长亥姆霍兹谐振腔的背腔深度，构建
动引起。通常，变压器本体噪声在 50 Hz 的 2 次和 可高效吸收有电力设备有调低频噪声的直角回旋
4 次 (100 Hz 和 200 Hz) 谐波频率上声能显著，约 式迷宫通道结构，通过理论、仿真和实验研究了该
占总辐射声能的 85% 以上，属于典型的有调低频 结构的吸声性能及其机理。
噪声 [1−3] 。为降低变电站或变配电间室内反射声，
1 模型与理论
常采用多孔吸声材料或共振吸声结构进行吸声处
理 [4] 。然而，传统多孔吸声材料和共振吸声结构低
1.1 空间回旋式迷宫型吸声结构
频吸声性能不足 [5−9] 。工程上需大幅增加材料或结
基于空间卷曲型声学超材料的吸声原理，构建
构厚度以改善其低频吸声性能，这给实际应用带来
了针对电力设备有调低频噪声的空间回旋式迷宫
了困难。因此，研制一种厚度小、结构简单、可高效
型吸声结构。该吸声结构由如图 1 所示的正方形吸
靶向吸收低频有调噪声的吸声结构具有重要的工
声单元的周期性阵列组成，每个正方形吸声单元包
程价值。
括中心穿圆孔的上面板、中间回旋式迷宫通道层和
近年来，声学超材料的发展为噪声控制特别是
下面板，中间层四周封闭，其内部空间被隔板分隔形
低频噪声控制提供了新思路。声学超材料是一种人
成 1 条回旋式通道。回旋式通道的入口处正对上面
工序构的亚波长周期性复合材料，具有传统材料所
板穿孔位置。
不具备的声学性能。目前，声学超材料主要包括薄
每个正方形吸声单元可视为一个亥姆霍兹共
膜型、亥姆霍兹型、空间卷曲型和复合型等，其中
振腔，其背后空腔被隔板分隔成一个回旋式迷宫通
采用硬质材料构建的空间卷曲型声学超材料因其
道。声波在狭窄的迷宫通道传播过程中，将引入额
能克服薄膜型声学超材料力学性能差、寿命短等缺
外的热黏性损失。因此，相比传统亥姆霍兹共振腔，
点而备受研究人员关注 [10−13] 。Liang等 [14] 于2012
本研究提出的空间回旋式迷宫型吸声结构具有更
年提出空间卷曲这一概念，其基本原理是通过卷曲
好的低频吸声效果，在针对性吸收电力设备噪声中
空间，极大延长声传播路程，从而获得较高的等效
音调成分(100 Hz或200 Hz)方面具有独特的优势。
折射率 (即较小的等效声速)。根据这一思想，Cai
等 [10] 和 Zhang 等 [12] 分别提出了一种共平面螺旋
管结构和折叠 Fabry-Perot (FP) 共振腔结构，两种 h i w i
d i
结构均在亚波长厚度下实现了对低频声波的完美 H i
吸收。在此基础上，Wang 等 [11] 发现通过调节折
h i
叠 FP 共振腔的通道宽度可在保持厚度不变的情况 a i
a i
下，调控其共振频率。Cheng等 [15] 设计了一种有着
8 个对称空间卷曲线段的人工圆形 Mie 共振结构， (a) ൤வॎծܦӭЋ (b) ˗ᫎࡏ
其内部的单极共振和偶极共振可分别使结构具有 图 1 吸声结构示意图
负等效体积模量和负等效质量密度。但其由于需要 Fig. 1 Diagram of sound absorption unit