CN104075799A - 一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法，针对抽水蓄能电站噪声的基本特点，在分析可能噪声源的基础上，先在地下厂房内测量出机组运行前、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。本发明的方法技术解决了传统方法中对深埋地下洞室内、大体积噪声源难以实际观测的问题。

Description

一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法

技术领域

本发明涉及一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法。

背景技术

噪声实际上就是一种人们不愿意听到或感觉到的振动信号。目前噪声检测的主要方法是，用专用噪声检测仪器——声级计，测试被测体产生噪声的A声级的大小，看它是否超过了国家的有关标准。判断噪声主要声源有以下方法：分部开动法、选择机套法、表面振速法、近场声强法、时域分析法、相关分析法、频域分析法、相干分析法和声望远镜法等。

抽水蓄能电站厂房和流道(引水隧道)均深埋于地下几十米至数百米的山体洞室内，当电站运行时，整个机组、流道等均为统一整体，因机组和流道体积庞大，上述方法在实际中均难以实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源的判断方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法。包括以下步骤：

1)检测抽水蓄能电站所有可能噪声源的频谱特性和实际噪声影响地段噪声的频谱特性，比较所有可能噪声源的频谱特性和实际噪声影响地段噪声的频谱特性，将与所述实际噪声影响地段噪声的频谱特性处于同一频段的可能噪声源作为待判断噪声源；

2)在实际噪声影响地段内选定多个测点，检测每个测点的1/3倍频程振动加速度级，判断每个测点的1/3倍频程振动加速度级是否满足振动衰减规律公式，去除不满足振动衰减规律公式的1/3倍频程振动加速度级对应的测点；

3)经步骤2)处理后剩余的测点的1/3倍频程振动加速度级构成振动加速度矩阵；计算每一个待判断噪声源与所有剩余的测点之间的空间距离，每一个待判断噪声源对应一个距离矩阵；

4)计算振动加速度矩阵与每一个距离矩阵之间对应所述振动衰减公式的相关系数，将相关系数大于0.8的距离矩阵对应的待判断噪声源认定为可能的实际噪声源；

5)比较所有的可能的实际噪声源对应的相关系数，最大相关系数对应的可能的实际噪声源即为主要噪声源。

本发明中，噪声的频谱特性可以通过声级计检测得到；实际噪声影响地段是指用声级计可以测量出有噪声的地段，且该噪声1/3倍频带中心频率在某些频段超过了国家有关标准规定的限值；空间距离，是根据三维坐标(X,Y,Z)计算得到的。测点的坐标、可能噪声源的坐标、待判断噪声源的坐标都是可以用测量仪(例如全站仪)测量得到的，空间两点的坐标确定了，其空间距离也就可以计算确定。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法技术克服了传统方法中对深埋地下洞室内、大体积噪声源难以实际观测的问题，引入了数理统计、对比分析和振动衰减理论，容易实现，且判断结果可靠，为判断低频振动主要噪声源提供了数理统计分析与相关计算的逻辑判断方法。

附图说明

图1为本发明的逻辑推理与方法流程图；

图2(a)为本发明实施例地下厂房及进厂交通洞内标准测点(位于同一高程，距离可实际测量)1/3倍频程振动加速度级La的背景值测量结果图；图2(b)为本发明一实施例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La的噪声值测量结果比较图；

图3(a)为本发明实施例地下厂房区其他测点(位于不同高程，距离是根据三维坐标计算得到的)1/3倍频程振动加速度级La背景值测量结果图；图3(b)为本发明实施例地下厂房区其他测点1/3倍频程振动加速度级La噪声值测量结果比较图；图3(c)为本发明实施例山顶居民室内测点(位于不同高程，距离是根据三维坐标计算得到的)1/3倍频程振动加速度级La背景值测量结果图；图3(d)为本发明实施例山顶居民室内测点1/3倍频程振动加速度级La噪声值测量结果比较图；图3(e)为本发明实施例山顶地面野外散点(位于不同高程，距离是根据三维坐标计算得到的)1/3倍频程振动加速度级La背景值测量结果图；图3(f)为本发明实施例山顶地面野外散点1/3倍频程振动加速度级La噪声值测量结果比较图；

图4为本发明实施例标准测点相关分析模型关系曲线图；

图5(a)为假设机组为振源，样本数为59个时的重构相关分析模型关系曲线图；图5(b)为假设流道为振源，样本数为59个时的重构相关分析模型关系曲线图；图5(c)为假设机组为振源，样本数为55个时的重构相关分析模型关系曲线图；图5(d)为假设流道为振源，样本数为55个时的重构相关分析模型关系曲线图。

具体实施方式

本发明的方法主要包括下述2个步骤：

第一步，测出可能噪声源的频谱特性(低频特性是指500Hz以下频段出现超标；中频特性是指500Hz频段出现超标；高频特性是指500Hz以上频段出现超标；宽带特性是指500Hz及左右频段出现超标。超标是指需要作出判断的噪声源运行与停止运行时，受影响相应测点实际测量的噪声倍频带声压级超出限值的部分与峰值频率对应的峰值声压级差的结果应大于5dB。声压级限值是根据国家有关标准确认的；抽水蓄能电站可能噪声源有机组、流道、高压线路和变压器等)，再测出实际噪声影响地段噪声的频谱特性，通过比较，判断两者噪声频谱特性是否相同或一致，若噪声频谱特性不一致，则可直接否定其为噪声源，反之就可以初步认定为可能的噪声源。

在实际操作中，先假设电站的机组和流道系统分别为可能的噪声源。在地下厂房内测量出电站抽水发电前、后机组和流道附近A声级、倍频带声压级的背景值(指机组停止运行时的噪声值)和噪音值(指机组运行时的噪声值)，重点分析频谱特性，再在可感觉得到噪声的民居室内、外和山顶地面即野外散点进行测试。测试结果比较后发现，当电站抽水和发电时，机组、流道附近和人们可感觉得到噪声的民居室内外、野外散点噪声的频谱特性均在500Hz以下频段出现超标，均呈低频特性。据此初步认定，机组和流道均为可能噪声源(详见实例分析说明“2.噪声频谱特性及主要噪声源初步分析”)。

第二步，在上述可能噪声源认定的基础上，测试人们能感觉得到有噪声的区域(即噪声实际影响范围内)选定测点的振动加速度值，通过统计回归做相关分析计算，研究其是否遵循某一振动衰减规律公式(该规律公式需由统计分析确定；对于不同的噪声源，公式中的k和β取值可能不同，其中k和β含义详见后文)，若在满足衰减规律公式的同时，相关系数也在0.8以上，则认为可能噪声源的相关性较强，进一步判断初步认定的可能噪声源即为实际噪声源。在认定噪声源的基础上，再分析实测振动加速度值与哪种可能噪声源的预测值(即计算的理论值)吻合性更好，即比较相关系数的大小，相关系数大值者可作为最终判断主要噪声源的依据。

实际操作时，在第一步认定机组和流道为可能噪声源的基础上，再测试噪声影响范围内所选测点(如人们有噪声感觉的民居室、内外和野外各散点)的1/3倍频程振动加速度级，包括背景值和噪声值。结果发现，当电站停止抽水和发电时，背景值的振动频率较为杂乱，基本无规律，而当电站抽水和发电时，所测噪声值振动频率呈现出较强的规律性且增大较为显著，其最大分频振动加速度级的主频均在80Hz～100Hz左右。统计测试数据并作相关分析计算，该抽水蓄能电站在1#机组满负荷运行时，1/3倍频程振动加速度级a与距离R满足公式：

a＝k·R^-β；

所示的衰减规律(k为场地系数，β为衰减系数)。公式中，振动加速度级a与距离R的相关系数在0.8以上，表明低频振动噪声具有较强的衰减规律(详见实例分析说明“3.低频噪声振动测量与衰减规律”)。

比较各可能噪声源的相关程度，在充分考虑测试数据代表性和全面性前提条件下，选取相关系数达0.894、k值为4260、β值为1.471的衰减规律公式，作为该抽水蓄能电站推荐的低频振动噪声1/3倍频程振动加速度级a与距离R的衰减规律计算式，即a＝4260R–1.471。

综合上述2个步骤的逻辑推理，最后判定该抽水蓄能电站机组运行所产生的低频振动是引起山顶居民区和野外地面散点处主要噪声源的正确判断(详见实例分析说明“4.主要噪声源研究与判断”)。

本发明中判断主要噪声源的逻辑推理与流程见图1。

实例分析说明

1.观测点位选择和主要观测参数

在电站地下厂房、水轮机层、交通洞、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。主要观测参数包括A声级、倍频带声压级Lp和1/3倍频程振动加速度级La。

2.噪声频谱特性及主要噪声源初步分析

地下厂房区域(测点编号C01～C15)声环境质量频谱特性测试结果见表1：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和交通洞内厂房西170m测点的声环境质量主要呈低频(LF)特性(倍频程中心频率为125Hz～250Hz)，且峰值声压级差大于5dB，主要噪声源来自机组系统；个别较远处测点(如交通洞内厂房西380m远的C05)的声环境质量主要呈高频(HF)特性，且峰值声压级差小于5dB，主要噪声源为自然环境噪声，与机组系统运行基本无关；在机组发电运行时，影响水轮机层内两测点的声环境质量主要呈LF和宽带(BB)特性,峰值声压级差大于5dB，主要噪声源来自机组系统。

表1地下厂房声环境质量频谱特性结果统计表

部分典型山顶民居室内(测点编号J01～J24)和野外地面散点(测点编号S04～S09、S12～S15、S23～S32)声环境质量频谱特性测试结果见表2：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，与厂房测试结果比较一致，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，与机组系统运行基本无关；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，包括流道上方及附近测点的声环境质量主要呈高频特性，判断其噪声主要为自然环境噪声。

初步分析判断，机组运行应是山顶野外地面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有限。

表2部分民居室内和野外散点声环境质量频谱特性结果统计表

3.低频噪声振动测量与衰减规律

厂房及进厂交通洞内测点C01～C05是以机组轴心为起点0m，距离R分别为20m、50m、100m、200m和400m的标准测点，机组满负荷抽水运行前、后实测的1/3倍频程振动加速度级La观测成果比较见图2(a)和图2(b)：背景值的振动频率基本无规律，振动加速度级一般为10dB～60dB；当机组抽水时所测噪声值增大较明显，一般为20dB～90dB，最大分频振动加速度的主频在80Hz～100Hz左右，其振动加速度级增大显著，增大的幅度在40dB左右。在40Hz内La整体变化较小，为12dB～43dB，且La随频程增加和距离增大而减小；在40Hz～100Hz内La变化较大，为20dB～93dB，且La随频程增加和距离减小而增大；在125Hz～250Hz内La变化相对减弱，为39dB～84dB，且La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La会衰减，高频成分也会被吸收，因此判断,振动信号传播是遵循某一衰减规律的。

地下厂房区其它测点(C06～C15)、山顶民居室内测点和山顶地面野外散点1/3倍频程振动加速度级La的背景值和噪声值测量结果比较见图3(a)～图3(f)。

由图3可以看出：①图3中各背景值与图2的背景值形状十分相似，其特征是振动频率杂乱、基本无规律，振动幅度较小，一般为10dB～50dB。②当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20dB～100dB，特别是在80Hz～100Hz频段，振动加速度级增大尤为显著，增大幅度可达30dB～50dB；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。③振动加速度级La随频程增加和距离的减小而增大。

对比、分析说明，机组抽水运行时噪声振动的主频在80Hz～100Hz频带范围内，呈低频特性；振动加速度级La随距离增大而衰减，而低频成份的衰减相对较慢；机组抽水运行时的低频振动确实已传导到山顶民居室内、外地面。

噪声也是一种振动传播的形式，振动在传播过程中具有衰减特性。引入爆破质点振动的衰减公式

v＝k(Q^1/3/R)^-β

式中：

v—最大的质点振动速度值，m/s；

k—场地系数(待求出)；

Q—为单响最大爆破炸药量，kg；

R—为测点到爆源的空间距离，m；

β—衰减系数(待求出)。

这里，Q可表示为振动的总能量，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(单位：m/s²)代替，因此a仅与R有关，上述公式可简化为

a＝kR^-β

并称该公式为相关分析模型。

以典型标准测点C1～C5的观测数据为样本，建立如图4中所示的相关分析模型，相关计算表明，图4中相关分析模型的相关系数达0.979，说明所测5个样本对应的5组数据的相关程度非常高。

在图2～图4中所标示的距离均指机组中心至观测点的空间距离。

4.主要噪声源研究与判断

前面分析表明，低频噪声源与机组的运行有关。分析噪声来源有3种可能情形：第一是机组运行本身产生振动引起；第二是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；第三是前两者的综合反映。

假设属于第一种情形，完全可以把机组的轴心或重心处假定为声源位置；对于第二种情形，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。上述2种情形，距离R是完全可以确定的。对于第三种情形，因为是前二者的综合反映，显然想要确认声源的“准确”位置是无所适从的，也就是说无法确认或者计算出观测点到“声源”的空间距离R，故谈不上振动的衰减，即相关分析模型不可能成立。但从观测数据分析来看，a与R是具有相关性的，这无疑存在矛盾，因此可否决第三种情形。

现分别假设以机组和流道作为振源，以所测1/3倍频程最大分频加速度值为样本重构相关分析模型，对应关系曲线和关系式见图5(a)～图5(d)中的式(2)～式(5)。该图中，(a)和(c)是假设机组作振源、(b)和(d)是假设流道作振源；(a)和(b)中选择了全部的59个样本数据，而(c)和(d)中已去除了4个明显不合理的观测数据值，所选样本数据为55个。

各关系式中的参数对比见表3。相关计算表明: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，其相关程度比式(4)要低。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，可推荐为本发明的振动衰减规律计算式。

表3相关分析模型关系式各项参数对比表

通过上述对振动衰减规律的综合对比、分析，可以认定机组抽水运行时地面的振动是基本遵循衰减规律的，尤以式(4)的相关分析模型代表性较好，结合地下厂房噪声声环境质量及民居室内地面振动频率的一致性等特征，综合分析认为引起山顶地面低频噪声的主要声源是来自机组运行时产生的低频振动，经山体岩石结构传声引起，而流道影响是次要的。

Claims (3)

1.一种抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测抽水蓄能电站所有可能噪声源的频谱特性和实际噪声影响地段噪声的频谱特性，比较所有可能噪声源的频谱特性和实际噪声影响地段噪声的频谱特性，将与所述实际噪声影响地段噪声的频谱特性处于同一频段的可能噪声源作为待判断噪声源；

2)在实际噪声影响地段内选定多个测点，检测每个测点的1/3倍频程振动加速度级，判断每个测点的1/3倍频程振动加速度级是否满足振动衰减规律公式，去除不满足振动衰减规律公式的1/3倍频程振动加速度级对应的测点；

3)经步骤2)处理后剩余的测点的1/3倍频程振动加速度级构成振动加速度矩阵；计算每一个待判断噪声源与所有剩余的测点之间的空间距离，每一个待判断噪声源对应一个距离矩阵；

4)计算振动加速度矩阵与每一个距离矩阵之间对应所述振动衰减公式的相关系数，将相关系数大于0.8的距离矩阵对应的待判断噪声源认定为可能的实际噪声源；

5)比较所有的可能的实际噪声源对应的相关系数，最大相关系数对应的可能的实际噪声源即为主要噪声源。

2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站地面低频振动主要噪声源判断方法，其特征在于，所述步骤2)中，振动衰减规律公式如下：a＝k·R^-β；其中，k为场地系数，β为衰减系数，a为1/3倍频程振动加速度级，R为测点与某一可能的噪声源之间的空间距离；k和β通过相关分析计算确定。

3.根据权利要求2所述的抽水蓄能电站地面噪声源判断方法，其特征在于，k值为4260、β值为1.471。