相干聲場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)理論及其在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、高壓直流輸電因具備超遠(yuǎn)距離、大容量、低耗送電的特點(diǎn)，在電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)展迅速，但因其直流換流站對(duì)外環(huán)境輻射噪聲大，隨著近年來(lái)國(guó)民環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，噪聲影響已經(jīng)成為直流輸電工程建設(shè)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。由于已建工程的后期噪聲控制成本很高，因此在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段就預(yù)估噪聲水平，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其輻射噪聲就顯得尤為重要。目前，已有多個(gè)國(guó)外噪聲預(yù)測(cè)軟件用于預(yù)測(cè)直流輸電工程的噪聲影響，對(duì)建站初期和后期噪聲控制效果的評(píng)估確實(shí)起到了一定的預(yù)期效果，但目前所采用的

2、戶外噪聲預(yù)測(cè)軟件基本上都基于ISO9613-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的前提條件是不考慮聲源的相干影響。然而換流站內(nèi)各主要噪聲源設(shè)備噪聲頻譜中優(yōu)勢(shì)頻率主要集中在中低頻，且相同型號(hào)設(shè)備如變壓器、電容器等較多，換流站周邊存在大量相干聲場(chǎng)，基于能量法的戶外噪聲預(yù)測(cè)算法存在不足，對(duì)某些區(qū)域的噪聲預(yù)測(cè)存在較大偏差。
　　針對(duì)以上情況，本論文在深入研究影響高壓直流換流站噪聲預(yù)測(cè)精度各因素的基礎(chǔ)上，基于幾何衍射理論、相干虛源法等理論方法，提出一種適合于工程

3、算法的戶外噪聲相干預(yù)測(cè)模型。該相干預(yù)測(cè)模型不僅能計(jì)算聲源在經(jīng)過(guò)有限長(zhǎng)屏障或多重屏障時(shí)，由多條路徑衍射聲形成的相干聲場(chǎng)，還可計(jì)算聲源在屏障等界面之間經(jīng)多次反射后，多個(gè)反射聲形成的相干聲場(chǎng)。此外，本文給出了計(jì)算衍射聲場(chǎng)的通用工程簡(jiǎn)化算法，該算法避免了衍射聲嚴(yán)格理論解的復(fù)雜積分計(jì)算，使計(jì)算效率得以大大提高。將本文提出的戶外噪聲相干預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)如高壓直流輸電工程中，通過(guò)與邊界元法模型、ISO9613-2標(biāo)準(zhǔn)模型與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果

4、表明該模型能夠較快準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)戶外相干聲場(chǎng)，相比ISO9613-2標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。
　　本論文的主要研究工作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　(1)闡述了目前高壓直流輸電系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)的方法與現(xiàn)狀，分析了影響高壓直流換流站預(yù)測(cè)精度的因素，并對(duì)換流站主要設(shè)備噪聲輻射特性進(jìn)行了測(cè)試分析與研究，確定了產(chǎn)生相干聲場(chǎng)的主要噪聲源與主要影響頻率。
　　(2)闡述了目前計(jì)算屏障衰減時(shí)所用的菲涅爾法與幾何衍射算法(GTD)，對(duì)GTD中針

5、對(duì)剛性薄屏障單衍射Hadden-Pierce嚴(yán)格理論解進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，提出了一種適合工程計(jì)算衍射聲場(chǎng)的簡(jiǎn)化算法，該方法避免了原始方法中復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算和奇異積分的處理過(guò)程，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，極大減小了計(jì)算時(shí)間，適應(yīng)于工程應(yīng)用。同時(shí)該計(jì)算方法能確定衍射邊附近任意位置或方向的衍射聲場(chǎng)，包括屏障的聲影邊界以及距離衍射邊非常近的區(qū)域。
　　(3)提出了一種戶外半開(kāi)空間的相干虛源模型，用于計(jì)算點(diǎn)聲源在由地面、兩個(gè)或三個(gè)有限長(zhǎng)垂直屏障組成的半開(kāi)空

6、間激發(fā)的內(nèi)外聲場(chǎng)。通過(guò)與已有的噪聲預(yù)測(cè)方法和邊界元法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，本文提出的相干虛源模型在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較高的精度和優(yōu)勢(shì)，能考慮每次反射時(shí)界面阻抗對(duì)反射波相位的影響和總場(chǎng)中不同聲波間的干涉影響，且計(jì)算效率高。相比Lemire相干虛源法中給出的平面波反射系數(shù)，本相干虛源模型利用聲線束追蹤法確定實(shí)際傳播路徑，通過(guò)得到每次反射面的實(shí)際正入射角而計(jì)算出來(lái)的反射系數(shù)更符合實(shí)際聲傳播。該模型特別適合預(yù)測(cè)半開(kāi)空間外部聲場(chǎng)預(yù)測(cè)，同時(shí)也可用于具有吸

7、聲界面的半開(kāi)空間聲場(chǎng)預(yù)測(cè)。
　　(4)設(shè)計(jì)制造了某換流變壓器一箱壁的縮尺模型，進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，并得到了表面多測(cè)點(diǎn)在不同頻率正弦信號(hào)激勵(lì)下的振幅相位。試驗(yàn)結(jié)果表明:換流變壓器的表面振動(dòng)由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，振動(dòng)形式復(fù)雜，當(dāng)其振動(dòng)頻率較高，達(dá)到7階頻率時(shí)，其振動(dòng)相位與振幅的隨機(jī)特性均表現(xiàn)明顯。因此對(duì)于單個(gè)單向變壓器，可劃分為多個(gè)等效點(diǎn)聲源，各點(diǎn)聲源按不相干聲源進(jìn)行計(jì)算。但在建立換流變壓器組（由3個(gè)或6個(gè)變壓器組成）的聲學(xué)模型時(shí)，對(duì)于不同相

8、的變壓器，在各個(gè)相鄰變壓器相同位置處的等效點(diǎn)聲源相位則相差120°，需按相干聲源進(jìn)行計(jì)算。
　　(5)基于戶外半開(kāi)空間相干虛源模型，并結(jié)合換流變壓器縮尺模型試驗(yàn)結(jié)論，建立了某實(shí)際換流變壓器組噪聲預(yù)測(cè)聲學(xué)模型，該模型考慮了聲源與聲傳播過(guò)程中的相位影響，通過(guò)與邊界元法建立的模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，該模型對(duì)換流變壓器周?chē)嬖诘南喔陕晥?chǎng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，相比基于目前戶外噪聲預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)ISO9613-2模型，該模型噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果更