[发明专利]一种用于变压器降噪的声学超材料屏障设计方法

权利要求书

1.一种用于变压器降噪的声学超材料屏障设计方法，其特征在于，所述声学超材料屏障设计方法包括以下步骤：

步骤一、将声学超材料屏障(1)的参数等效；

声学超材料屏障(1)由周期性排布的声学超材料单元(2)组成；不考虑声学超材料单元(2)的内部结构和材料的差别，对声学超材料屏障宏观等效为一块单一均匀材料板；等效后的声学超材料屏障称为等效声学超材料屏障(4)；

步骤二、建立变压器降噪模型，进行多物理场耦合计算；

步骤三、进行等效声学超材料屏障参数反演；

步骤四、优化声学超材料单元的参数；

其中，所述的步骤二建立变压器降噪模型，进行多物理场耦合计算的具体方法如下：

首先建立变压器降噪模型；变压器降噪模型包括变压器、等效声学超材料屏障和空气域；空气域用于模拟变压器和等效声学超材料屏障周围的空气；其中，变压器包括铁芯、绕组、变压器油和变压器油箱外壳；等效声学超材料屏障(4)与变压器某一声源面平行，间隔一段距离；空气域选择球体或长方体；空气域包裹变压器和等效声学超材料屏障，且尺寸大于变压器和等效声学超材料屏障；上述变压器降噪模型也即多物理场耦合计算的求解区域；

在变压器降噪模型的基础上进行电磁-结构-声场多物理场耦合计算；在电磁场计算中，对变压器绕组施加电流激励，在铁芯中产生磁场；在电磁场作用下，由铁芯的磁致伸缩作用产生磁致伸缩力，绕组产生电磁力；以计算得到的磁致伸缩力和电磁力为激励，在结构场计算磁致伸缩力和电磁力共同作用下铁芯的振动和产生的位移；振动通过变压器油和变压器箱体传递到变压器外壳，引起变压器油箱外壳振动；在声场计算中以变压器油箱外壳振动作为激励，计算周围空气域产生声压；声波从变压器油箱外壳向外传播过程中遇到等效声学超材料屏障(4)，声波与等效声学超材料屏障(4)作用，通过结构场和声场的耦合计算等效声学超材料屏障对噪声影响；通过电磁-结构-声场多物理场耦合计算，得到空气域任意点的声压；提取等效声学超材料屏障外某区域内多点的声压值，求解这些点声压值的平均值，定义为降噪目标区平均声压；

所述变压器铁芯为铁磁材料，铁磁材料在交变磁场中受力密度之和的数学模型表示为：

其中，f为铁磁材料在交变磁场中的受力密度，J为电流密度，B为磁感应强度，H为磁场强度的模值，μ为介质的磁导率，τ为介质的体积密度，公式中第一项为洛伦兹力，第二项为麦克斯韦力，第三项为磁致伸缩力，为哈密顿算子；

将铁磁材料在交变磁场中的受力作为载荷加入结构场中，计算力的作用引起的变压器铁芯的位移；变压器铁芯的位移还受到声压的影响；结构场满足以下方程：

其中，v为泊松比，u为位移，ρ为质量密度，p为声压，G为剪切模量，n表示法向分量，f为铁磁材料在交变磁场中的受力密度，为哈密顿算子；

变压器周围空气中的声场满足流体声压波动方程：

其中，c为流体中的声波传播速度，p为声压，u为位移，n表示法向分量，为哈密顿算子；

所述步骤三进行等效声学超材料屏障参数反演的方法如下：

给定等效声学超材料屏障(4)的尺寸、质量密度和弹性模量的初始值，以等效声学超材料屏障(4)的弹性模量和质量密度为变量，以降噪目标区的平均声压为目标量，采用步骤二的多物理场耦合方法，根据公式(1)-(3)计算降噪目标区多个点的声压，对这些点的声压值进行平均计算，得到降噪目标区的平均声压；将计算结果与期望值比较，如果降噪目标区平均声压小于给定的期望值，则输出初始给定的质量密度和弹性模量值；如果降噪目标区平均声压大于期望值，调整屏障的弹性模量和质量密度值，重复步骤二的多物理场耦合计算，如此循环，直至降噪目标区平均声压小于期望值。

2.根据权利要求1所述的声学超材料屏障设计方法，其特征在于，所述步骤四对声学超材料单元的参数优化的方法如下：

声学超材料屏障是由m行n列超材料单元组成的阵列结构，m和n为大于等于1的正整数，每个超材料单元的结构、尺寸、质量密度和弹性模量相同；确定声学超材料单元的结构类型，给定声学超材料单元尺寸，材料的质量密度和弹性模量的初始值，采用结构场和声场耦合计算声学超材料单元的质量密度和弹性模量；如果步骤三得到的等效声学超材料屏障的质量密度和弹性模量计算结果达到期望值，则输出超材料单元材料的质量密度、弹性模量

和尺寸；如果步骤三得到的等效声学超材料屏障的质量密度和弹性模量计算结果偏离期望值，

则调整超材料单元材料的弹性模量、质量密度和尺寸，重复步骤二的结构场和声场耦合计算，

如此循环，直至超材料单元的质量密度和弹性模量等于期望值。