相干声场噪声预测理论及其在高压直流输电系统中的应用研究

摘要

高压直流输电因具备超远距离、大容量、低耗送电的特点，在电网系统建设中发展迅速，但因其直流换流站对外环境辐射噪声大，随着近年来国民环保意识的不断增强，噪声影响已经成为直流输电工程建设必须考虑的关键问题。由于已建工程的后期噪声控制成本很高，因此在项目设计阶段就预估噪声水平，准确预测其辐射噪声就显得尤为重要。目前，已有多个国外噪声预测软件用于预测直流输电工程的噪声影响，对建站初期和后期噪声控制效果的评估确实起到了一定的预期效果，但目前所采用的户外噪声预测软件基本上都基于ISO9613-2标准，该标准的前提条件是不考虑声源的相干影响。然而换流站内各主要噪声源设备噪声频谱中优势频率主要集中在中低频，且相同型号设备如变压器、电容器等较多，换流站周边存在大量相干声场，基于能量法的户外噪声预测算法存在不足，对某些区域的噪声预测存在较大偏差。
　　针对以上情况，本论文在深入研究影响高压直流换流站噪声预测精度各因素的基础上，基于几何衍射理论、相干虚源法等理论方法，提出一种适合于工程算法的户外噪声相干预测模型。该相干预测模型不仅能计算声源在经过有限长屏障或多重屏障时，由多条路径衍射声形成的相干声场，还可计算声源在屏障等界面之间经多次反射后，多个反射声形成的相干声场。此外，本文给出了计算衍射声场的通用工程简化算法，该算法避免了衍射声严格理论解的复杂积分计算，使计算效率得以大大提高。将本文提出的户外噪声相干预测模型应用于工业企业如高压直流输电工程中，通过与边界元法模型、ISO9613-2标准模型与实测结果进行对比，结果表明该模型能够较快准确地预测户外相干声场，相比ISO9613-2标准模型预测结果更为准确。
　　本论文的主要研究工作体现在以下几个方面:
　　(1)阐述了目前高压直流输电系统噪声预测的方法与现状，分析了影响高压直流换流站预测精度的因素，并对换流站主要设备噪声辐射特性进行了测试分析与研究，确定了产生相干声场的主要噪声源与主要影响频率。
　　(2)阐述了目前计算屏障衰减时所用的菲涅尔法与几何衍射算法(GTD)，对GTD中针对刚性薄屏障单衍射Hadden-Pierce严格理论解进行了简化处理，提出了一种适合工程计算衍射声场的简化算法，该方法避免了原始方法中复杂的数值计算和奇异积分的处理过程，简化了计算过程，极大减小了计算时间，适应于工程应用。同时该计算方法能确定衍射边附近任意位置或方向的衍射声场，包括屏障的声影边界以及距离衍射边非常近的区域。
　　(3)提出了一种户外半开空间的相干虚源模型，用于计算点声源在由地面、两个或三个有限长垂直屏障组成的半开空间激发的内外声场。通过与已有的噪声预测方法和边界元法进行对比计算，本文提出的相干虚源模型在较宽的频率范围内具有较高的精度和优势，能考虑每次反射时界面阻抗对反射波相位的影响和总场中不同声波间的干涉影响，且计算效率高。相比Lemire相干虚源法中给出的平面波反射系数，本相干虚源模型利用声线束追踪法确定实际传播路径，通过得到每次反射面的实际正入射角而计算出来的反射系数更符合实际声传播。该模型特别适合预测半开空间外部声场预测，同时也可用于具有吸声界面的半开空间声场预测。
　　(4)设计制造了某换流变压器一箱壁的缩尺模型，进行了模态试验，并得到了表面多测点在不同频率正弦信号激励下的振幅相位。试验结果表明:换流变压器的表面振动由于自身结构特点，振动形式复杂，当其振动频率较高，达到7阶频率时，其振动相位与振幅的随机特性均表现明显。因此对于单个单向变压器，可划分为多个等效点声源，各点声源按不相干声源进行计算。但在建立换流变压器组（由3个或6个变压器组成）的声学模型时，对于不同相的变压器，在各个相邻变压器相同位置处的等效点声源相位则相差120°，需按相干声源进行计算。
　　(5)基于户外半开空间相干虚源模型，并结合换流变压器缩尺模型试验结论，建立了某实际换流变压器组噪声预测声学模型，该模型考虑了声源与声传播过程中的相位影响，通过与边界元法建立的模型计算结果和实际测试结果对比，结果表明，该模型对换流变压器周围存在的相干声场能够准确预测，相比基于目前户外噪声预测标准ISO9613-2模型，该模型噪声预测结果更为准确，因考虑了相干声场的干涉效应，可提高户外噪声预测精度，对提高高压直流换流站的噪声预测水平意义较大。
　　(6)总结本文的主要研究成果，指出了需要进一步研究和解决的问题。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 户外噪声预测研究现状和存在问题

1．2．1 基于声场波动性的预测

1．2．2 几何声学预测模型

1．2．3 试验和半经验法预测模型

1．2．4 户外噪声预测存在问题

1．3 课题来源及研究的意义

1．3．1 课题的来源

1．3．2 课题的研究意义

1．4 本文的主要工作与全文安排

第二章 户外噪声预测精度及其相干声场的影响分析

2．1 噪声预测的环境影响

2．1．1 背景噪声的影响

2．1．2 地形条件的影响

2．1．3 气象条件的影响

2．1．4 环境因素对噪声预测影响

2．2 声学模型与预测软件的影响

2．3 相干声场对噪声预测影响

2．4 减小户外噪声预测误差应对策略

2．5 本章小结

第三章 考虑相位的薄屏障工程算法研究

3．1 声屏障基本声学知识

3．1．1 声屏障衰减声学原理

3．1．2 声屏障衰减的空间区域划分

3．2 声屏障衰减理论及计算方法

3．2．1 声屏障的波动与几何声学理论

3．2．2 声屏障的试验和半经验法

3．2．3 声屏障边界元法

3．3 基于Hadden-Pierce严格理论解的简化算法

3．3．1 点声源辐射声压

3．3．2 Hadden-Pierce严格理论解

3．3．3 衍射声场工程简化算法

3．3．4 基于工程简化算法下声影区边界衍射声计算

3．3．5 奇异性问题与编程策略

3．3．6 多重衍射问题

3．4 算例比较与分析

3．4．1 有限长三维声屏障算例

3．4．2 单个厚屏障双重衍射算例

3．5 本章小结

第四章 半开空间声场相干虚源模型研究

4．1 引言

4．2 研究现状和存在的问题

4．2．1 基于ISO9613-2的不相干虚源法

4．2．2 声学边界元法

4．2．3 Lemire相干虚源法

4．3 基于相干虚源法的半开空间声场研究

4．3．1 户外Ⅰ型半开空间相干虚源模型

4．3．2 户外Ⅱ型半开空间相干虚源模型

4．3．3 声线束追踪法确定反射系数

4．4 数值分析

4．4．1 刚性阻抗边界的半开空间声场算例

4．4．2 吸声阻抗边界的半开空间声场算例

4．4．3 收敛性分析

4．4．4 结论分析

4．5 本章小结

第五章 相干声场预测理论在高压直流换流站中的应用研究

5．1 电力变压器噪声研究现状与存在问题

5．1．1 国内外对电力变压器噪声的研究简况

5．1．2 电力变压器户外噪声研究进展

5．1．3 目前存在的问题

5．2 变压器噪声机理与振速法下声功率级测量研究

5．2．1 换流变压器噪声发生机理分析

5．2．2 振速法在换流变压器声功率测量中的应用研究

5．3 换流变压器户外噪声预测研究

5．3．1 换流变箱壁缩尺模型的相位试验研究

5．3．2 考虑相位的换流变组声传播模型

5．3．3 某换流变组辐射声场数值仿真

5．4 结论

第六章 全文总结及展望

6．1 全文总结

6．2 论文主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况