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一种电容器底部隔声腔尺寸优化方法

随着人口的增多以及用地量越来越少, 换流站常常建立在靠近居民的区域。因此, 在高直流输电过程中, 换流站中的电容器装置所辐射出来的噪声对周边的居民生活和健康都会产生不利的影响[1–4]。对单个电容器进行降噪是整个换流站中的电容器装置降噪的基础。所以, 有必要对电容器的降噪措施进行研究, 减少换流站噪声对周边居民的影响。

为了提高电容器底部隔声腔的设计效率和质量, 本文对电容器底部隔声腔尺寸优化方法进行研究。首先进行电容器隔声腔原理和设计理论分析, 通过电容器噪声实验确定其底部噪声的主要贡献频率, 并建立隔声腔有限元模型。然后, 基于LMS Virtual Lab Optimization模块对隔声腔结构参数进行优化。设计噪声对比实验, 验证模型的准确性和方法的正确性。

1.1 电容器底部隔声腔的隔声原理

图1 声能在隔声腔中的传递
由于空气层具有弹性、减振的作用, 部分声能得到损失, 当空气声碰到第二块钢板时, 一部分声能Er2声能被反射掉, 而还有一部分Ei2要继续激起隔声腔第二块钢板的振动, 向着隔声腔第二块钢板外辐射声音ET2, 由于两块钢板的不连续性, 使得声音得到降低[9]。我们可以把电容器底部隔声腔等效成为一个“质量-弹簧-质量”振动模型。

目前电容器厂使用的电容器都是单底面结构, 推导出从内部油到外部空气的电容器底部声压透射系数tp1为[10]

推导出电容器底部隔声腔声压透射系数tp2表达式为[11–12]

电容器单底面和电容器底部隔声腔的隔声量L可以表示为

2 电容器底部隔声腔隔声仿真及优化分析

单台电容器底部噪声主要贡献频率一般是通过噪声测试得到的, 图2为电容器振动与噪声测试方案图, 施加的电流激励为:基频电流I1=45 A, 谐波电流为I2=18 A、I5=8 A和I11=3 A。其中, 测试设备为北京东方研究所开发的振动噪声测试与分析系统。在本次振动与噪声实验中, 振动信号通道为2;同时噪声信号通道为5。将图2中两个类型的传感器采集得到的振动加速度和噪声声压时域信号导入DASP中进行分析, 可以得到电容器底部噪声频谱图, 如图3所示。

2.2 电容器底部隔声腔隔声仿真分析

电容器底部隔声腔结构的材料属性如表1所示。电容器底部隔声腔主要由六块薄钢板和空气层组成。在有限元计算中, 为了保证数值计算结果的准确性和精度, 有必要对隔声腔有限元网格按照有限元划分要求进行划分, 如表2所示, 隔声腔结构网格和声学网格如图4所示。

下载原表

表2 隔声腔网格划分要求   

图4 隔声腔有限元网格   下载原图

从图5可知, 隔声腔在中高频的隔声量比低频范围的隔声量要高, 并且隔声腔的隔声量在噪声贡献频率为630 Hz处有一个峰值。

由式 (3) 可知, 隔声腔尺寸D对于隔声量有较大的影响, 因此, 有必要对隔声腔尺寸D进行优化, 找到一种满足工程应用要求的最优隔声腔尺寸。本文在2.2.2所建立的有限元模型基础上, 将隔声腔有限元仿真模型导入到LMS Virtual Lab Optimization模块中进行优化分析, 将隔声腔尺寸D作为其优化目标, 利用DOE技术对其进行优化分析[13], 得到隔声腔尺寸D优化结果。

(1) 确定好隔声腔尺寸D、噪声频率f和面板质量M三个设计变量, 采用间接法进行DOE分析;

(3) 建立目标函数, 确定隔声腔尺寸D最优方案。

3 电容器底部隔声腔噪声实验对比

以某型号电容器为实验测试对象, 其实际加工的底部隔声腔长宽尺寸为383 mm×197 mm, 隔声腔尺寸D为35 mm, 钢板厚度为2 mm, 测试标准按照GB/T32524.1-2016进行。电容器噪声场点布置为:同时将五个声压传感器布置在距离电容器各面1 m左右, 如图7所示。

在半消声室内施加电流激励, 激励参数为基波I1=79 A, 谐波为I5=1 A, I7=2 A, I11=31 A, I13=22 A, 采用北京东方研究所开发的振动与噪声测试与分析系统进行测试, 半消声室内背景噪声值为20 d B。

对比图5和图8可知, 本文所建立的隔声腔有限元仿真模型的隔声腔隔声量与噪声频率之间的特性曲线与实测特性曲线变化趋势保持一致, 而且均在630 Hz处达到隔声量峰值。具体对比值见下表3, 仿真值与实测值均不超过2 d B, 在允许的误差范围内, 验证了仿真模型的准确性。

下载原表

通过对隔声腔尺寸D进行隔声量测试, 其底部隔声腔长宽尺寸为383 mm×197 mm, 隔声腔尺寸D取值范围为13.5 mm~48 mm, 钢板厚度为2 mm。实验条件同3.1节, 实验分析得到实测隔声腔尺寸与隔声量之间特性曲线, 如图9所示。

对比图6和图9可知, 仿真优化和实测的隔声腔尺寸与隔声量特性曲线在噪声频率为630 Hz处变化趋势基本一致。仿真峰值与实测峰值均不超过1d B, 误差在允许的范围内, 验证了本文提出的隔声腔优化方法的正确性。

本文首先对电容器底部隔声腔隔声机理和设计理论进行分析;然后建立了隔声腔有限元仿真模型, 并在LMS Virtual Lab Acoustics中使用直接有限元法对隔声腔进行隔声量计算;最后在LMS Virtual Lab Optimization模块中采用DOE技术对隔声腔尺寸D进行优化。可以得出以下结论:

(2) 提出LMS Virtual Lab优化模块在产品设计中的应用, 并通过优化设计得出了隔声腔的最优尺寸, 与实验数据进行对比分析可知:优化后的隔声腔能够有效地降低电容器的辐射噪声, 该应用对于隔声腔尺寸优化设计具有一定的参考价值。

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