噪聲污染防治與人民群眾生活息息相關(guān)，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。近年來，國家相繼出臺(tái)了新版《中華人民共和國噪聲污染防治法》《“十四五”噪聲污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等法律和政策，對(duì)改善聲環(huán)境質(zhì)量要求逐步提高。

在電力行業(yè)領(lǐng)域，伴隨著居民、企業(yè)用電需求增長(zhǎng)，不少變電站建在了城市中心。做好站內(nèi)變壓器、電抗器等設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的低頻噪聲防治工作至關(guān)重要。國家電網(wǎng)有限公司始終踐行保護(hù)環(huán)境基本國策，不斷加大噪聲污染治理力度。國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司在噪聲振動(dòng)控制材料、降噪裝置、降噪設(shè)計(jì)等方面開展技術(shù)攻關(guān)，取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技成果，在此基礎(chǔ)上，承接了全國近140項(xiàng)降噪工程，取得了良好的環(huán)境和社會(huì)效益。近期，國網(wǎng)智研院又研發(fā)了聲學(xué)超構(gòu)材料及相關(guān)降噪裝置，突破了傳統(tǒng)降噪材料的聲學(xué)極限。

突破傳統(tǒng)材料聲學(xué)性能極限

變電站中變壓器、電抗器等設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲屬于典型的線譜噪聲。此類噪聲以低頻率（800赫茲以下）為主，其中100赫茲、200赫茲、300赫茲、400赫茲頻率噪聲占設(shè)備整體噪聲的50%以上，噪聲波長(zhǎng)大、衰減慢、繞射能力強(qiáng)。此類噪聲與站內(nèi)風(fēng)機(jī)、金具等產(chǎn)生的高頻率噪聲疊加后具備寬頻特性，進(jìn)一步增加了治理難度。

變電站降噪裝置的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜。以鄰近廠界的電抗器為例，設(shè)備被廠界圍墻和兩側(cè)防火墻包圍，降噪裝置的安裝空間有限，進(jìn)而提高了對(duì)降噪裝置材料性能的要求。目前，變電站降噪常用的礦棉類、共振類吸聲材料的聲學(xué)性能已達(dá)極限，利用加重、加厚材料及改進(jìn)相關(guān)材料聲學(xué)結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)技術(shù)提升降噪水平的效果有限。特別是對(duì)于100赫茲頻率噪聲，現(xiàn)有材料無法實(shí)現(xiàn)針對(duì)性控制。因此，亟須研發(fā)應(yīng)用新的吸聲材料來阻斷變電站噪聲的傳播。

聲學(xué)超構(gòu)材料是一種具有天然材料所不具備性能的人工復(fù)合材料，其超常的性能不是來自天然材料的基本屬性，而是來自人工設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。研究人員設(shè)計(jì)材料功能基元，并進(jìn)行空間序構(gòu)，從而制備具有超常物理性能的人工材料。例如，在聲波的作用下，材料物理單元的加速度方向與聲波作用力相反，這種材料屬于負(fù)等效質(zhì)量密度超構(gòu)材料。在力的作用下，材料的形變方向與作用力方向相反，即材料受拉時(shí)體積收縮，材料受壓時(shí)體積膨脹，這種材料屬于負(fù)彈性模量超構(gòu)材料。通過調(diào)整聲學(xué)參數(shù)，聲學(xué)超構(gòu)材料可在特定頻率上具備超常物理特性，進(jìn)而突破傳統(tǒng)降噪材料的聲學(xué)極限，大幅提升降噪效果。

降噪能力明顯優(yōu)于常規(guī)材料

為提升變電站低頻噪聲治理效果，自2020年起，國網(wǎng)智研院聯(lián)合南京大學(xué)和比亞迪汽車工業(yè)有限公司等單位成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開展變電站用多功能一體化聲學(xué)超構(gòu)材料研究。

聲學(xué)基元、空間序構(gòu)是決定聲學(xué)超構(gòu)材料各項(xiàng)物理特性的關(guān)鍵參量和基本要素。聲學(xué)基元是構(gòu)成聲學(xué)超構(gòu)材料的基本物理單元，具有獨(dú)立的聲學(xué)功能，也可與其他基元聯(lián)合作用。空間序構(gòu)是在三維空間上將這一物理單元按照一定規(guī)律和方式進(jìn)行周期性重復(fù)排布組合。研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于長(zhǎng)短程耦合、等效介質(zhì)等理論，通過仿真建模和聲阻抗測(cè)試等，開發(fā)了階梯式共鳴腔聲學(xué)基元。研究發(fā)現(xiàn)，共鳴腔聲學(xué)基元在特定頻率上具備突出的聲學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，而這種特定的頻率可通過改變共鳴腔尺寸來調(diào)整。針對(duì)100赫茲、200赫茲、300赫茲、400赫茲噪聲分別設(shè)計(jì)特定尺寸的共鳴腔，再進(jìn)行空間序構(gòu)，理論上可大幅提升降噪效果。研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用這一思路，通過統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)方式對(duì)多個(gè)聲學(xué)基元的疊加方式、分布特性、耦合關(guān)系和亞波長(zhǎng)特性等進(jìn)行迭代優(yōu)化，結(jié)合3D打印加工工藝，研制了低頻降噪性能突出的聲學(xué)超構(gòu)材料。該材料針對(duì)100赫茲、200赫茲、300赫茲、400赫茲頻率噪聲的吸聲系數(shù)均超過0.9，針對(duì)1100～1600赫茲頻率噪聲的吸聲系數(shù)不低于0.7，突破了傳統(tǒng)吸聲材料的技術(shù)瓶頸。同時(shí)，該材料的基體材料采用了防火、防腐、耐候等多功能設(shè)計(jì)，可支撐該材料長(zhǎng)期安全服役。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于這種聲學(xué)超構(gòu)材料已研發(fā)出聲屏障、隔聲罩、消聲器、吸聲壁面等系列降噪裝置。這些裝置均通過了DL/T2085—2020《變電站降噪材料和降噪裝置技術(shù)要求》規(guī)定的全套試驗(yàn)。與同規(guī)格常規(guī)裝置相比，聲學(xué)超構(gòu)材料降噪裝置重量下降約50%，整體降噪效果提升了5～7分貝。

在變電站降噪工程中應(yīng)用效果良好

目前，基于聲學(xué)超構(gòu)材料研發(fā)的聲屏障、隔聲罩降噪裝置已在部分變電站降噪工程中示范應(yīng)用，噪聲控制效果良好。

2023年，河北承德110千伏雙塔山變電站降噪工程采用了基于聲學(xué)超構(gòu)材料研發(fā)的聲屏障，廠界噪聲敏感區(qū)全部被納入聲屏障的聲影區(qū)范圍；承德10千伏富華新天地配電站降噪工程采用了基于聲學(xué)超構(gòu)材料研發(fā)的隔聲罩后，配電變壓器的噪聲傳播通道被全面阻斷。經(jīng)測(cè)試，2座變電站廠界噪聲均降低了9分貝，比國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1類聲環(huán)境功能區(qū)噪聲限值分別低了2分貝和4分貝。基于聲學(xué)超構(gòu)材料的降噪裝置運(yùn)行安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)變電站降噪裝置難以達(dá)到的中低頻高效、寬頻覆蓋的吸聲效果。

該技術(shù)成果的研究應(yīng)用攻克了變電站低頻線譜噪聲高效治理的難題，大幅提升了變電站噪聲治理效果，為推動(dòng)電網(wǎng)綠色發(fā)展提供技術(shù)支撐。