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1、曹 乐 辉（中南院 物探测试研究中心）Email：,低频振动噪声源探测技术探讨,主 要 内 容,1 前言2 基本概念与噪声源探测的基本思路 3 探测成果及分析 4 结束语,1 前言,某抽水蓄能电站由上水库、下水库和引水发电系统3大建筑物组成，引水发电系统建筑物由引水洞（2个）、地下厂房、主变洞、尾水洞等组成，于 2009年6月首台机组抽水和并网发电。,该电站在上、下水库之间山体的山坡上散落有未搬迁的居民，据反映，在电站机组抽水和发电时段，山坡上部分地段和部分民居不断有低音量嗡嗡噪声，尤其是夜间，低音量的嗡嗡噪声已影响到居民的生活秩序和生活环境，给他们带来了不小的烦恼。 电厂要求查明噪声的主要来
2、源和可能的影响范围，为下一步的处理方案及具体实施提供依据。,概念：声音是由物体机械振动引起的，正在发声的物体叫做声源，振动传播的现象称为波动；声音是一种波动，它在传播过程中具有衰减和吸收特性；人们把不愿听到的声音称为噪声。噪声的主要特点及表示方法：一是具有一定强度，用声压表示；二是具有不同频率成分，用频谱表示。,2 基本概念与噪声源探测的基本思路,2.1 基本概念,考虑到人们从听到至听不到的声压变化范围太大（210-5Pa数百上千Pa），表示不便，引入了一种称之为声压级的对数表示方法，而将用A计权网络测量得到的声压级，叫A声级，它能较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉。倍频程是指上限频率
3、f2比下限频率f1高1倍；一般地，f2/f1=2n（n可为整数或分数），称n=1为1倍频程（简称倍频程）、n=1/3为1/3倍频程；中心频率fo=（f1f2）1/2。国际标准化组织（ISO）对倍频程中心频率（如：31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz和500Hz等）和1/3倍频程中心频率做出了具体的规定（如：16Hz、20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz、100Hz、125Hz、160Hz、200Hz、250Hz、320Hz、400Hz和500Hz等）。,2.1 基本概念,2 基本概念与噪声源探测的基本思路,2.2 噪声源探测的基本思路和方法,第一步
4、，测出可能噪声源的频谱特性（人耳感觉）， 再测出实际受影响地段噪声的频谱特性，通过比较，分析两者是否存在一致性？若频谱不存在一致可比性，则可直接否定其为噪声源，反之就可以初步认定。第二步，在频谱可比的基础上，测试待定噪声源及一定范围内测点的振动加速度（振源特性考虑） ，通过统计回归做相关分析计算，研究其是否遵循某一衰减规律，再在振源特性可类比的情况下，分析实测振动加速度值与哪种可能噪声源的预测值吻合性更好，即比较相关系数的大小。一般地，当相关系数大于0.8时认为相关性较强，否则认为相关性很差或不具实际意义。,2 基本概念与噪声源探测的基本思路,第三步：在分析可能噪声源的基础上，先在地下厂房内测
5、量出机组运行前、后A声级和倍频带声压级的背景值和噪音值，重点分析频谱特性，再在山顶典型民居室内外和野外地面散点测量出机组运行前、后的背景值和噪音值，在充分比较它们的频谱特性后，对噪声1/3倍频程振动加速度级进行测量，分析噪声振动传播的衰减规律以及各可能噪声源的相关程度，最后做出是否为主要噪声声源的判断。,2.2 噪声源探测的基本思路和方法,2 基本概念与噪声源探测的基本思路,2.3 观测点位选择和主要观测参数,测点位置 ：在电站地下厂房、水轮机层、交通洞、排水廊道、山顶典型民房室内外和山顶野外地面等位置选择布置适量观测点（各观测点位均做好标记并及时测量三维坐标，以确保观测点位置重合，方便数据对
6、比分析 ）。观测参数 ：主要包括A声级、倍频带声压级Lp和1/3倍频程振动加速度级La。,2 基本概念与噪声源探测的基本思路,图1 测点布置示意,2.3 观测点位选择和主要观测参数,2 基本概念与噪声源探测的基本思路,3 探测成果及分析,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,表1的结果表明，当机组抽水运行时，影响厂房、水轮机层、上/中层排水廊道各测点以及交通洞内绝大多数测点的声环境质量主要呈低频特性（倍频程中心频率为125Hz250Hz）且峰值声压级差大于5dB，分析主要噪声源来自机组系统。 在机组发电运行时，影响水轮机层内2测
7、点的声环境质量主要呈低频和宽带特性且峰值声压级差大于5dB，分析主要噪声源来自机组系统。,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,表2的结果说明，影响民居室内J01、J02、J09、J10和J22共5个测点的声环境质量中含有低频特性成分，这种低频特性与厂房测试结果比较一致，因此，初步推断低频噪声源与机组运行有关，但也有部分室内测点声环境质量主要呈高频和宽带特性，分析主要噪声源为外界自然环境噪声，它们与机组系统运行基本无关。 分析认为，民居室内声环境质
8、量不仅仅取决于噪声源特性和传播距离，还与民居的房屋结构、空间大小、位置及基础地质条件（如覆盖层厚度）等有关。,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,表3的结果表明，山顶野外地面散点噪声频谱比较复杂，仅在位于厂房山顶附近的S12、S14和S15等3个散点中含有与厂房测试结果比较一致的低频特性成分，且低频超标频带的声压级差大于5dB，但大多数测点，包括流道（引水隧洞）上方及附近测点的声环境质量主要呈高频特性，可以判断其噪声主要为自然环境噪声。 综合分析
9、认为，机组运行应是山顶野外地面散点低频噪声的主要噪声源，而流道对山顶野外地面低频噪声的贡献是有限的。,3.1 噪声频谱特性及主要噪声源初步分析,3 探测成果及分析,3.2 低频噪声振动测量与衰减规律,图2 地下厂房及进厂交通洞内标准测点 1/3倍频程振动加速度级测量结果比较图,噪声值,80100Hz,背景值,背景值,噪声值,噪声值,背景值,80100HZ,3 探测成果及分析,图2的观测成果说明，背景值（机组未运行时观测）的振动频率基本无规律，振动加速度级一般较小，为10dB60dB；而机组抽水运行时观测的噪声值却增大明显，一般为20dB90dB，最大分频振动加速度的主频在80Hz100Hz左右
10、，且振动加速度级增大显著，增大幅度在40dB左右；在40Hz内整体变化较小，为12dB43dB，且随频程增加和距离增大而减小，在40Hz100Hz内变化较大，为20dB93dB，且随频程增加和距离减小而增大，在125Hz250Hz内变化相对减弱，为39dB84dB，且随距离和频程增大而减小。分析说明，随着振源距离和频程的增加，振动加速度级会衰减，高频成分也会被吸收，故判断振动信号传播是遵循某一衰减规律的。,3.2 低频噪声振动测量与衰减规律,3 探测成果及分析,3.2 低频噪声振动测量与衰减规律,噪声值,80100Hz,背景值,图3 1/3倍频程振动加速度级测量结果比较图,80100HZ,背景
11、值,噪声值,3 探测成果及分析,80100HZ,80100HZ,3.2 低频噪声振动测量与衰减规律,图3中背景值和噪声值与图2中背景值和噪声值的形状是十分相似的。背景值振动频率杂乱（基本无规律），振动幅度较小（一般为10dB50dB）。机组抽水时所测噪声值相比背景值增大较明显，噪声值一般达20dB100dB，特别是在80Hz100Hz频段，振动加速度级增大尤为显著，增大幅度30dB50dB；在40Hz以内频段噪声值和背景值相差无几，而在125Hz以上频段振动幅度增大相对减弱，增大幅度一般小于30dB，振动加速度级随频程增加和距离减小而增大。,3 探测成果及分析,3.2 低频噪声振动测量与衰减规
12、律,机组抽水运行时噪声振动的主频在80Hz100Hz频带范围内，呈低频特性；振动加速度随距离增大而衰减，而低频成份的衰减相对较慢；机组抽水运行时山顶民居室内、外地面的低频振动与厂房所测低频振动的主频是一致的，换句话说就是机组抽水运行时所产生的低频振动确实已传导到山顶民居室内、外地面 。,3 探测成果及分析,3.2 低频噪声振动测量与衰减规律,引入前苏联萨道夫斯基关于爆破质点振动的衰减公式v = k（ Q1/3 / R ）式中：v最大质点振动速度值，m/s； k场地系数（待求出）； Q为单响最大爆破药量，kg； R为测点到爆源的空间距离，m； 衰减系数（待求出）。这里，单响最大爆破药量Q可表示为
13、振动的总能量，当机组稳定运行后它是一个定值，再将v用1/3倍频程最大振动加速度a代替(单位：m/s2)，因此a仅与距离R有关，上述公式可简化为a = k R -并称该公式为相关分析模型。,3 探测成果及分析,a最大分频加速度预 测值，mm/s2； R距离，m。 相关系数为0.979,3.2 低频噪声振动测量与衰减规律,图4 典型相关分析模型关系曲线图,3 探测成果及分析,3.3 主要噪声源研究与判断,前面已经分析过，低频噪声源与机组的运行有关。那么噪声源又到底来自哪里呢？ 分析有3种可能的情形： 是机组运行本身产生振动引起； 是引水流道内因水的流动产生脉动压力冲刷流道，激发流道管壁产生振动引起
14、； 是上述二者的综合反映。,3 探测成果及分析,3.3 主要噪声源研究与判断,假设属于第种情形，完全可以把机组的轴心或重心处假定为声源位置；对于第种情形，可以把流道当作一个线源，将观测点到流道的最短距离处认作是振源空间距离的计算起点。也就是说上述两种情形，距离R是完全可以确定的。对于第种情形，因为是前二者的综合反映，显然想要确认振源的“准确”位置是无所适从的，也就是说无法找到或者计算出观测点到“振源”的空间距离R，也就谈不上振动的衰减规律了，即相关分析模型不可能成立。但从观测数据分析来看，最大分频振动加速度a与距离R是具有相关性的，这无疑存在矛盾，因此可以否定第种情形。,3 探测成果及分析,3
15、.3 主要噪声源研究与判断,a = k R ,3 探测成果及分析,相关分析模型关系式各项参数对比（表4）计算表明：式（1）样本数仅5个，高差影响最小，相关系数0.979，相关程度最高；式（2）和式（3）样本数均为59个，高差影响大，其中式（2）是假设1#机组作振源，相关系数0.857，式（3）是假设1#流道作振源，相关系数0.826，其相关程度式（3）比式（2）低；式（4）和式（5）样本数均为55个，高差影响较大，其中式（4）是假设1#机组作振源，相关系数0.894，式（5）是假设1#流道作振源，相关系数0.849，其相关程度式（5）比式（4）要低。,3.3 主要噪声源研究与判断,3 探测成果
16、及分析,比较可知，在式（2）式（5）中，以假设1#机组作为振源的式（4）所反映的相关程度相对较高，且样本具有代表性，它包括有高差影响因素在内，可推荐为本振动衰减规律的计算式。,3.3 主要噪声源研究与判断,3 探测成果及分析,综 合 判 断结合振动频率响应特征和相关分析研究后判断，引起夜间山顶低频噪声（噪声主频125Hz250Hz ）的主要声源是来自机组抽水引起的低频振动（振动主频80Hz100Hz），而流道影响是次要的；振动衰减具有高差放大效应；蛤蟆沟对振动起一定的衰减或隔（阻）振作用；居民房屋建筑对振动有一定的放大作用（与特殊的房屋结构和房间大小、位置等多种因素有关主要是易引起共振现象）。,
