相干聲場噪聲預測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距離、大容量、低耗送電的特點，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外環(huán)境輻射噪聲大，隨著近年來國民環(huán)保意識的不斷增強，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)鍵問題。由于已建工程的后期噪聲控制成本很高，因此在項目設(shè)計階段就預估噪聲水平，準確預測其輻射噪聲就顯得尤為重要。目前，已有多個國外噪聲預測軟件用于預測直流輸電工程的噪聲影響，對建站初期和后期噪聲控制效果的評估確實起到了一定的預期效果，但目前所采用的

2、戶外噪聲預測軟件基本上都基于ISO9613-2標準，該標準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)勢頻率主要集中在中低頻，且相同型號設(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，基于能量法的戶外噪聲預測算法存在不足，對某些區(qū)域的噪聲預測存在較大偏差。
　　針對以上情況，本論文在深入研究影響高壓直流換流站噪聲預測精度各因素的基礎(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測模型。該相干預測模型不僅能計算聲源在經(jīng)過有限長屏障或多重屏障時，由多條路徑衍射聲形成的相干聲場，還可計算聲源在屏障等界面之間經(jīng)多次反射后，多個反射聲形成的相干聲場。此外，本文給出了計算衍射聲場的通用工程簡化算法，該算法避免了衍射聲嚴格理論解的復雜積分計算，使計算效率得以大大提高。將本文提出的戶外噪聲相干預測模型應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)如高壓直流輸電工程中，通過與邊界元法模型、ISO9613-2標準模型與實測結(jié)果進行對比，結(jié)果

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

5、對剛性薄屏障單衍射Hadden-Pierce嚴格理論解進行了簡化處理，提出了一種適合工程計算衍射聲場的簡化算法，該方法避免了原始方法中復雜的數(shù)值計算和奇異積分的處理過程，簡化了計算過程，極大減小了計算時間，適應(yīng)于工程應(yīng)用。同時該計算方法能確定衍射邊附近任意位置或方向的衍射聲場，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空間的相干虛源模型，用于計算點聲源在由地面、兩個或三個有限長垂直屏障組成的半開空

6、間激發(fā)的內(nèi)外聲場。通過與已有的噪聲預測方法和邊界元法進行對比計算，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，能考慮每次反射時界面阻抗對反射波相位的影響和總場中不同聲波間的干涉影響，且計算效率高。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際傳播路徑，通過得到每次反射面的實際正入射角而計算出來的反射系數(shù)更符合實際聲傳播。該模型特別適合預測半開空間外部聲場預測，同時也可用于具有吸

7、聲界面的半開空間聲場預測。
　　(4)設(shè)計制造了某換流變壓器一箱壁的縮尺模型，進行了模態(tài)試驗，并得到了表面多測點在不同頻率正弦信號激勵下的振幅相位。試驗結(jié)果表明:換流變壓器的表面振動由于自身結(jié)構(gòu)特點，振動形式復雜，當其振動頻率較高，達到7階頻率時，其振動相位與振幅的隨機特性均表現(xiàn)明顯。因此對于單個單向變壓器，可劃分為多個等效點聲源，各點聲源按不相干聲源進行計算。但在建立換流變壓器組（由3個或6個變壓器組成）的聲學模型時，對于不同相

8、的變壓器，在各個相鄰變壓器相同位置處的等效點聲源相位則相差120°，需按相干聲源進行計算。
　　(5)基于戶外半開空間相干虛源模型，并結(jié)合換流變壓器縮尺模型試驗結(jié)論，建立了某實際換流變壓器組噪聲預測聲學模型，該模型考慮了聲源與聲傳播過程中的相位影響，通過與邊界元法建立的模型計算結(jié)果和實際測試結(jié)果對比，結(jié)果表明，該模型對換流變壓器周圍存在的相干聲場能夠準確預測，相比基于目前戶外噪聲預測標準ISO9613-2模型，該模型噪聲預測結(jié)果更