Линии электропередачи 345 кВ и выше - Акустический шум

ГЛАВА 4
АКУСТИЧЕСКИЙ ШУМ
КОМБЕР, ЗАФАНЕЛЛА

1. ВВЕДЕНИЕ

На проблему шума обращается повышенное внимание в современном обществе вследствие значительного увеличения числа автомобилей, самолетов, заводов и других источников шума. Энергосистемы по сравнению с другими источниками производят меньше шума.
Раньше шум трансформаторов был причиной жалоб, чего нельзя сказать о трансформаторах современных конструкций. С появлением линии электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН) появился новый источник шума — коронный разряд. При низких рабочих напряжениях этой проблеме уделялось мало внимания, поскольку уровень шума был низким. Однако весьма вероятно, что в США акустический шум станет фактором, определяющим конструкцию линий электропередачи ультравысокого напряжения (УВН)
Шум от линий электропередачи возникает главным образом в плохую погоду, так как усиливается коронирование проводов. При мокрых проводах капли воды, объединяясь, становятся областью возникновения большого числа коронирующих разрядов, каждый из которых является источником шума.
В этой главе описываются природа шума, техника его измерения и способы оценки акустических шумов с помощью уравнений и графиков для любых конструкций ВЛ. Критерий оценки неприятных ощущений еще не выработан — даются предложения по расчетным значениям его. Обсуждаются также различные методы уменьшения акустических шумов и корреляция радиопомех и акустических шумов.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ

Рис. 4.2.1. Осциллограмма акустического шума от коронирующего провода (деление равно 2 мс).
Случайный шум и чистые тона. Акустический шум от ВЛ имеет две характерные составляющие: широкополосную, многократно описанную, которая воспринимается как потрескивание, и составляющую чистого тона с частотами 120 Гц и кратными ей. Чистый тон накладывается на широкополосный шум.
Рис. 4.2.2. Спектральная плотность уровня звукового давления (относительно 0,0002 мкбар, 1/10 октавы).
Большего внимания заслуживает рассмотрение составляющей шума с частотой 120 Гц (воспринимаемая «как шипение).
На рис. 4.2.1 показана осциллограмма уровня звукового давления от времени, измеренная однодюймовым микрофоном, па рис. 4.2.2- его зависимость от частоты. Таким образом, на ВЛ зарегистрированы обе составляющие шума.
Широкополосный шум вызывается случайными последовательными пульсациями, создаваемыми частичными разрядами (корона) около поверхности провода. Акустический шум генерируется стримерами короны положительной полярности. Они возникают при положительной полярности напряжения в каждый период, и соответственно в частотном спектре могут быть гармоники 60 Гц и более высокие. Они имеют в основном малую амплитуду и составляют часть общего акустического шума.
В каждой точке, где создается стример, появляется точечный источник звуковых колебаний, распространяющихся в пространстве. Эти волны возникают вдоль провода в разное время. Значения акустической мощности носят статистический характер. Частотный спектр распространяется за звуковой диапазон.
Отдельно рассматриваются обе составляющие, хотя они и накладываются друг на друга, поскольку они имеют особенности с точки зрения генерации шума, измерений и оценки неприятных ощущений.
«Шипение» вызывается движением объемного заряда, окружающего провод, которое обусловливает изменение давления воздуха дважды за каждый полупериод из-за движения положительных и отрицательных ионов от провода и обратно. Объемный заряд создается частичными разрядами при ионизации воздуха, вызывая широкополосный шум (потрескивание).
Однако при разных видах короны возникает разное соотношение между значениями этих составляющих. Как упоминалось, случайный шум генерируется стримерами положительной полярности, тогда как пульсации Тричела могут создавать интенсивную ионизацию и соответственно сильное «шипение» с минимальным уровнем случайного шума.
Таким образом, при разных погодных условиях соотношения значений составляющих широкополосной и 120 Гц могут быть различными. Например, в отличие от дождя очень сильное «шипение» возникает при гололедообразовании, тогда как уровень случайного шума в этих условиях относительно мал.
Уровень звукового давления. При оценке акустического шума пользуются величиной среднеквадратичного звукового давления. Уровни звукового давления обычно берутся относительно 0,00022Па (22 -10~5 Н/м2)—минимального уровня, в среднем различаемого человеком при 1000 Гц.
Как показано в табл. 4.2.1, соотношение минимального и максимального значений уровней звукового давления, воспринимаемых человеком, составляет примерно 1:10°. Поэтому удобно использовать логарифмический масштаб для звукового давления и выражать его в децибелах (дБ). Децибел определяется как десятикратный логарифм отношения двух значений акустической мощности. Поскольку акустическая мощность пропорциональна квадрату звукового давления, уровень звукового давления, дБ, равен:
(4.2.1)
где р — измеренное звуковое давление; Ро — звуковое давление по отношению к 0,00002 Па.
Таблица 4.2.1

Примечания: 1. Болевой порог 140 дБ. 2. Порог слышимости 0—10 дБ.
Измерители акустического шума, микрофоны-фильтры. Оборудование для измерения акустического шума от ВЛ в основном включает измеритель уровня звука, микрофон, частотный анализатор и регистратор [4.2].
Измеритель уровня звука должен соответствовать американскому стандарту S 1.4-1971 [4.3]. Рекомендован инерционный индикатор измерителя. Микрофон должен удовлетворять требованиям ANSI S1.4-1971
(часть 4). Обычно применяются микрофоны диаметром 25 мм [4]. Чувствительность такого микрофона зависит от частоты, а в том случае, когда длина волны становится такого же порядка, как и размеры микрофона, то и от угла расположения оси его по отношению к направлению распространения звуковых волн. На рис. 4.2.3 показана чувствительность двух микрофонов, расположенных перпендикулярно направлению движения волн и по касательной к нему.
Восприятие шума человеком во многом зависит от частоты звуковых колебаний, поэтому наиболее полезно измерять те составляющие шума, которые считаются наиболее нежелательными. Поэтому измерители уровня звукового давления снабжаются дополнительно частотными фильтрами, обозначаемыми А, В и С. Кривые затухания шума в таких фильтрах показаны на рис. 4.2.4.
При применении фильтра А измеряемые значения давления довольно точно соответствуют значениям, воспринимаемым человеком при средней чувствительности слуха к чистым тонам, и имеют явно выраженную частотную зависимость при частотах ниже 1000 Гц.
Звуковое давление, измеренное при использовании фильтра типа А, записывается как дБ (А). Хотя реакция человека на шум очень сложна и выразить ее одним числом недостаточно, такие измерения широко применяются. Их затухание А таково, что составляющие частоты 120 Гц («шипение») измеряются с большой погрешностью. Поэтому схема с фильтром типа А позволяет измерять только случайный шум от ВЛ.
Чувствительность микрофонов с фильтром типа А для разных измерителей различна (рис. 4.2.3). Например, однодюймовые керамические микрофоны General Radio имеют чувствительность в среднем на 1 —1,5 дБ выше, чем однодюймовый микрофон Bruel and Kjaer.
Для более подробного анализа шума необходимо полное определение частотного спектра с помощью частотного анализатора. Для полевых измерений часто применяется октавный фильтр. Для лучшего определения применяется также узкополосный частотный анализатор с полосой 1/3 или 1/10 октавного фильтра.
Одна октава определяется как ширина полосы, для которой отношение верхней и нижней частот равно 2.
Для полос в 1/3 и 1/10 октавы отношения равныи
соответственно,
Распространение, затухание, отражение и наложение звуковых колебаний. Распространение звуковых колебаний от проводов в окружающем пространстве определяется законами акустики. В этом разделе они рассматриваются применительно к особенности природы акустических шумов от ВЛ.
При рассмотрении распространения случайного шума предполагается однородное распределение вдоль про122
Рис. 4.2.4. Затухание шума в различных фильтрах при измерениях.
1 — восприятие звука человеком при минимальной чувствительности слуха.


Рис. 4.2.3. Чувствительность микрофонов.
1 — однодюймовый микрофон; 2 — конденсаторный микрофон; 1 — ориентация микрофона перпендикулярно звуковому давлению; II — ориентация вдоль.
Измеренный уровень давления случайного шума пропорционален квадратному корню из ширины полосы, тогда как уровень шума чистых тонов, например при 120 Гц, не зависит от ширины полосы.
вода источников шума, генерирующих сферические звуковые волны, не скоррелированные между собой.
Для оценки распространения шума частотой 120 Гц («шипения») провод рассматривается как вибрирующий цилиндр, поскольку колебания, генерированные от различных частей, имеют одинаковую фазу.
В отдаленной области (на расстоянии наибольшего числа длин волны от источника) уравнение распространения для сферической волны имеет вид:
(4.2.2)
где /р — плотность мощности, Вт/м2, на расстоянии Rv от источника; Ар — мощность источника, Вт.
Интегрируя по длине провода, получаем:
(4.2.3)
где Аг — мощность на единицу длины (генерируемая плотность мощности) для случайного шума; R — расстояние от провода до места измерения; х — расстояние вдоль провода.
Интеграл должен быть взят по всей длине провода L.
Шум измеряется в центре активной длины, уравнение (4.2.3) приобретает вид:
(4.2.4)
где
(4.2.5)
Если длина L очень велика, то h=1 (бесконечно длинный провод).
Приведенные выше уравнения справедливы для каждой частоты (за исключением 120 Гц) и любого их сочетания. Например, можно было бы характеризовать сложный акустический шум генерированной мощности для фильтра А. Плотность мощности и уровень звукового давления, измеренный измерителем уровня звукового давления, согласно [4.2] связаны уравнением
(4.2.6)
где 6 — плотность воздуха; с — скорость распространения звуковых волн.
При нормальных атмосферных условиях звуковое давление, Н/м2,
(4.2.7;
Плотность мощности, создаваемой давлением волны от вибрирующего цилиндра,
(4.2.8)
где R — расстояние от провода до рассматриваемой точки, м; Ah — акустическая мощность на единицу длины. Вт/м.
Уравнения (4.2.4) для случайного шума и (4.2.8) для «шипения» показывают, что плотность мощности изменяется обратно пропорционально расстоянию. Следовательно, уровень звукового давления изменяется обратно пропорционально квадратному корню из расстояния от провода (уменьшается на 3 дБ при удвоении расстояния). Это справедливо для идеальных условии, когда в воздухе нет поглощения и если нет отражения.
Затухание звука в воздухе зависит от относительной влажности и частоты [4.5]. Наибольшее затухание происходит при (критической относительной влажности, которая сравнительно невелика (5—20%); при влажности, большей критической, затухание уменьшается. На рис. 4.2.5 показано затухание в зависимости от частоты при различной влажности.
Из рис. 4.2.5 видно, что низкочастотные составляющие шума (например, 120 Гц) практически не затухают. Заметное затухание происходит при частотах более 1000 Гц, поэтому целесообразно использовать фильтры типа А. Затухание шума от ВЛ мало вблизи нее и может быть значительным на большом расстоянии.
При тумане [4.6] затухание может еще более увеличиться (рис. 4.2.5). Этот эффект существен при частотах ниже 5000 Гц, тогда как при больших частотах влияние тумана незначительно.
Затухание акустического шума, дБ (А), при удалении от провода зависит также от положения микрофона. Как показано на рис. 4.2.3, оно существенно при частотах более 1000 Гц. Здесь шум будет уменьшаться с увеличением расстояния быстрее, чем это следует из уравнений (4.2.4) — (4.2.8).
Для практических расчетов шумов в плохую погоду при расстоянии до 100 м от проводов совместное затухание звука в воздухе из-за несовпадения направлений распространения звука и оси микрофона можно принять равным 1 дБ на 30 м по характеристике дБ (А). Однако не должно учитываться затухание шипения при 120 Гц.

Рис. 4.2.5. Затухание звука в воздухе при различных частотах.

Рис. 4.2.6. Путь прямого и отраженного шума для одиночного провода.
Практически затухание значительно возрастает при прохождении звуковых волн через строительные конструкции, например стены.
Измененные затухания для различных конструкций и частот [4.7] показаны в табл. 4.2.2.
Влияние массы 1 м2 конструкции (G) и частоты / на затухание, дБ, определяется уравнением
(4.2.9)
Как видно из табл. 4.2.2 и (4.2.9), для 120 Гц затухание меньше, чем для больших частот. Шум от ВЛ, который проник в здание, имеет иной частотный спектр, чем снаружи, поэтому шум при 120 Гц (шипение) может иметь преобладающее воздействие.
Отражение от объектов, близких к точке измерения, может быть существенным, особенно отражение от земли. Для случайного шума уравнение (4.2.4) принимает вид:
где L — расстояние от точки измерения до зеркального отображения провода (рис. 4.2.6); k — коэффициент отражения (отношение плотностей мощности отраженной и падающей волн).
Коэффициент k для частот более 1000 Гц очень мал. В сочетании с положением микрофона влияние отражения оказывается незначительным, даже если точка измерения находится вблизи земли (L=R).

Рис. 4.2.7. Влияние высоты расположения прибора над землей на измерение шума на ВЛ УВН при дожде (на расстоянии 30 м от провода).
1 — измерение; 2 — расчет.
Влияние же отражения колебаний при частоте 1200 Гц, наоборот, велико. Это объясняется большим коэффициентом k≈1 и определенным фазовым соотношением прямой и отраженной волн. Значительная разница в уровнях давления может иметь место на уровне земли и в нескольких футах от нее (рис. 4.2.7).
При возникновении шумов другого вида должны быть применены различные правила, зависящие от того, являются ли шумы случайными или нет. Для случайных шумов плотности их мощности складываются линейно и, следовательно, уровни давления равны корню квадратному из суммы квадратов уровней давления отдельных шумов.

Чистые тона объединяются в зависимости от их фаз. Если два колебания находятся в фазе, то уровни давлений складываются, если в противофазе, то вычитаются.

Рис. 4.2.8. Типичный горизонтальный профиль акустического шума ВЛ. 1 — расстояние от средней фазы.
Таким образом, шумы от трех фаз ВЛ складываются соответственно различно (для случайных шумов и для шипения). Это видно из рис. 4.2.8 [4.8], причем результаты измерения на частоте 120 Гц существенно зависят от положения микрофона. В результате получаются  очень большие значения, когда колебания всех трех фаз в точке измерения имеют малый фазовый сдвиг.
Способы измерения шума от ВЛ. Стандартная методика предложена комитетом по радиопомехам Института инженеров-электриков США.
Горизонтальный профиль акустических шумов предпочтительно измерять от середины пролета в направлении, перпендикулярном к оси ВЛ на уровне земли.
Поскольку погода изменчива, нецелесообразно проводить измерения со всеми фильтрами. Считается, что при минимальном числе измерений в каждом месте используются фильтры типов А и С и октавные полосные фильтры на 63, 125, 250, 1000 и 8000 Гц или на дискретные составляющие частот (60, 120, 240, 1000 и 8000 Гц).
Положение микрофонов должно соответствовать целям и условиям каждого измерения. Оптимальный выбор будет зависеть от места, в котором имеются жалобы на помехи, наличия препятствий и отражающих поверхностей и возможности иметь защиту измерителей от электростатических полей ВЛ. При отсутствии этих ограничений используются рекомендации о горизонтальных расстояниях от крайней фазы (15, 30 м и т. д.); измерения проводятся в середине пролета. Микрофоны должны быть установлены на высоте 1,5 м от земли и ориентированы перпендикулярно оси линии.
Результаты измерения отдельных частот спектра могут зависеть даже от небольших изменений положения микрофонов. Это особенно относится к шуму на частоте 120 Гц, показания могут измениться на 20 дБ при смещении микрофона на несколько метров, как это видно из рис. 4.2.8 для бокового профиля.
Расстояние между микрофоном и оператором также влияет на показания прибора. Оно должно быть не менее 60 см. Если микрофон и измеритель смонтированы в одном корпусе, то оператор должен держать их на вытянутых руках. До и после измерений уровня звукового давления необходимо пользоваться акустическим калибратором [4.10]. Резиновые покрытия против влияния ветра сравнительно дешевы и незначительно воздействуют на точность измерения. Фирмы-производители обычно прилагают кривые частотной чувствительности. Для однодюймовых микрофонов защита от дождя в основном отсутствует. Однако при кратковременных измерениях резиновое покрытие обычно достаточно для защиты микрофона от дождя. Со временем вода будет впитываться, и в течение измерений лучше периодически заменять микрофон сухим. Предпочтительно, чтобы

Рис. 4.2.9. Поправка на уровень звукового давления окружающей среды.
на всех частотах уровень звукового давления окружающей среды был бы на 10 дБ ниже уровня звукового давления от шума ВЛ в месте измерения. В этих условиях измеренный уровень звукового давления неотъемлем от шума ВЛ. Если различие составляет 3 дБ или менее, то уровень звукового давления от ВЛ становится равным или меньше уровня звукового давления от шума окружающей среды и их невозможно разделить.
Если разница между уровнями звукового давления от шума ВЛ и окружающей среды находится в пределах от 4 до 10 дБ, то шум от ВЛ возможно аппроксимировать посредством корреляции (рис. 4.2.9).