[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

说明书

一种用于变压器降噪的声学超材料屏障设计方法，首先将声学超材料屏障(1)的参数等效为一块单一均匀材料板，然后建立变压器降噪模型，进行多物理场耦合计算，以降噪目标区的平均声压为目标量，反演等效声学超材料屏障的质量密度和弹性模量，最后优化声学超材料单元的参数：声学超材料单元的尺寸以及材料的质量密度和弹性模量。

技术领域

本发明涉及一种变压器降噪的方法，具体涉及一种声学超材料屏障的设计方法。

背景技术

随着经济的发展，城市电力负荷增加，大量的110kV、220kV变电站越来越接近中心城区。电力变压器是电力系统的重要设备之一。虽然变压器设计制造过程中已采取相应的减振隔声措施，控制噪声在国家标准规定的范围内，但是实际运行中的变压器，噪声传播环境越来越复杂，声波的干涉、衍射等作用导致变压器噪声问题日益突出，不可避免的对站内工作人员和附近居民产生影响。因此，如何在传播途径控制变压器噪声，已经成为环保部门和电力部门亟待解决的重要问题。

变压器噪声为宽频噪声，通常在100Hz-1kHz之间。其中，变压器本体噪声主要来源于硅钢片磁致伸缩引起的铁芯振动以及电磁力产生的振动，主要包含100Hz的倍频，低频线谱特征明显。目前常用的在噪声传播路径降噪的方法包括有源降噪和无源降噪。无源降噪方法可以在传播路径上放置降噪材料，即建立声屏障，达到降噪目的。

由于常规降噪材料的降噪性能受波长限制，低频时体积庞大，不适于现场应用。声学超材料是一种特殊的复合结构，具有负质量密度、负弹性模量等超出传统或自然材料具备的物理特性，能够抑制特定频率范围的弹性波传播。声学超材料单元特性就能够代表声学超材料的特性。声学超材料一个显著的优点是采用较小的尺寸，可以实现大波长声波的控制，这为解决低频噪声抑制问题开辟了一条新的途径，在变压器降噪领域有巨大的应用前景。

中国发明专利CN 102194027A“变电站噪声控制优化分析方法及系统”考虑噪声传播过程中的衰减因素，将建筑物、噪声源设备，其他电力设备、围墙、声屏障等统一建模，提出了一种变电站噪声优化分析方法，步骤包括：收集基础数据、构建物理模型、接收点噪声值计算、限值判断、优化分析。该方法考虑了环境对噪声的影响，能够考虑屏障的加入对空间声场分布的影响，但是未给出声屏障具体参数的设计方法。而对于超材料屏障来说，超材料单元的结构参数决定其降噪特性，所以超材料屏障的参数的设计是非常重要的。在实际建摸过程中，如果准确建立超材料单元的结构，由于超材料单元和电力设备、建筑物等存在巨大的尺度差异，计算难度非常大。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明提出一种用于变压器降噪的声学超材料屏障设计方法。

所述的声学超材料屏障用于在变压器噪声的传播路径上降低噪声，达到降噪目标区噪声降低的目的。声学超材料屏障置于变压器四周。变压器除了顶面和底面有四个外轮廓面。四个外轮廓面均称为变压器声源面。声学超材料屏障与变压器声源面平行布置，并且有一定距离。

所述的声学超材料屏障设计方法的主要步骤为：

步骤一、将声学超材料屏障参数等效

声学超材料屏障由周期性排布的声学超材料单元组成。声学超材料单元具有一定的结构，可由不同的材料组成，多数的组成材料并非均匀材料。本步骤不考虑声学超材料单元的内部结构和材料的差异，将声学超材料屏障宏观等效为单一均匀材料板，等效后的声学超材料屏障称为等效声学超材料屏障，用质量密度和弹性模量表征其力学特性：质量密度和弹性模量。

步骤二、进行多物理场耦合计算