CN109185233A - 用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置 - Google Patents

用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置 Download PDF

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Abstract

一种用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其分形结构声学超材料(1)由超材料框架(3)固定并置入超材料支撑支架(4)中。超材料支撑支架(4)放置在变压器通风口前方，与变压器通风口平行。分形结构声学超材料(1)为具有声波波导(2)和底板的长方体结构，空气在分形结构声学超材料(1)中沿声波波导(2)流通。当声波传输至分形结构声学超材料(1)，由于分形结构声学超材料(1)的强反射及等效高折射率的特性，使得目标区域声波幅值大大降低。

Description

用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置
技术领域
本发明涉及一种用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置。
背景技术
变电站是电力系统中承担电力传输转换的重要场所。随着城市的扩张建设以及人们用电需求量的增加，一部分变电站已建立在人口密集区。变电站中变压器的运行噪声给周围居民的生活造成了极大地困扰。因此对变压器噪声的控制已成为亟待解决的问题。
变压器的噪声主要来源于磁致伸缩导致的铁芯振动以及冷却装置运行所产生的噪声。铁芯振动噪声集中在50Hz的偶次谐波频率处。冷却装置即冷却风扇的转动，会产生宽频噪声。
目前针对于变压器的降噪方法主要有：有源降噪及加装减振降噪结构。有源降噪即主动降噪，如中国专利CN 107768119 A《一种特高压电力变压器有源降噪系统》公开的主动降噪装置，一种特高压电力变压器有源降噪系统，其将变压器壳体的振动信号作为参考信号，声压传感器放置在目标降噪区域，音频芯片采集噪声信号并传送给DSP处理器，经过自适应滤波算法处理后将数据传给音频芯片，驱动喇叭产生降噪声音，与变压器噪声相互抵消，实现有源降噪。但此装置需要外接电路且需要外部电源供电，系统复杂程度大大提高。加装减振降噪结构，如中国专利CN 107768081 A《一种变压器减振降噪结构》公开的变压器减振降噪结构，其包括变压器弹性支架和玻璃钢套管，所述变压器弹性支架的内表面镶嵌有玻璃钢套管，且玻璃钢套管的顶端通过橡胶圈与橡胶垫板相连接，利用弹性垫胶以及弹性支架减少振动的产生，使噪声得到控制。但该装置不适用于已建好并投入使用的变压器。
声学超材料具有异于自然界中常见介质的超常物理特性：负折射、强反射、负质量密度、负体积模量等，因此在工程应用领域有极高的发展前景。目前人们将其用于研发超薄声屏障、制作隐声衣、实现亚表面声学成像等领域。而通过合理的参数设计，可以制出适用于不同频段隔声的材料。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，本发明可在开放空间内对变压器冷却风扇的噪声进行有效阻隔。
本发明用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，包括分形结构声学超材料、超材料框架及超材料支撑支架。所述的分形结构声学超材料由超材料框架固定并嵌入超材料支撑支架中。
所述的超材料支撑支架为长方体结构。超材料支撑支架放置在变压器通风口前方，与变压器通风口平行，两者之间有一定距离。超材料支撑支架面向变压器通风口的一面开有n*m个方形通孔，n、m为正整数。方形通孔等距排布，形成阵列。
所述的超材料框架由四块形状、大小均相同的长方形侧板围成，包裹在分形结构声学超材料四周，将多个分形结构声学超材料包裹固定，嵌入超材料支撑支架的方形通孔中。超材料框架的数量与超材料支撑支架方形通孔的数量相等，超材料支撑支架的每个方形通孔中嵌入一个超材料框架。超材料框架的厚度与超材料支撑支架的厚度相等，超材料框架的各边长度与方形通孔的各边长度相等，超材料框架与超材料支撑支架方形通孔配合，使得超材料框架嵌入超材料支撑支架后，超材料框架和超材料支撑支架齐平，超材料支撑支架稳固支撑超材料框架。
所述的分形结构声学超材料为具有声波波导和底板的长方体结构，空气在分形结构声学超材料中沿声波波导流通。所述的底板位于分形结构声学超材料的底部，声波波导固定于底板上。分形结构声学超材料的声波入口与声波出口分别位于长方体结构平行的两个长侧面上，声波入口所在面为声波入口面，声波出口所在面为声波出口面，与声波入口面和声波出口面垂直的面为水平截面。所述声波入口面平行于超材料支撑支架的纵向面，且面向变压器通风口。所述的声波波导的水平截面为具有一定宽度的四阶Hilbert曲线，并且声波波导在各水平截面上的形状相同。
所述的分形结构声学超材料采用环氧树脂材料制成。
所述的超材料支撑支架采用表面涂有防腐涂层的不锈钢制作。
所述的分形结构声学超材料装置置于室内变压器通风口外侧或置于室外变压器四周。
分形结构声学超材料装置用于室内变压器降噪时，所述的超材料支撑支架的纵向截面面积与室内变压器通风口的面积之差越大，则超材料支撑支架与室内变压器通风口的水平距离越远。分形结构声学超材料装置用于室外变压器降噪时，所述的超材料支撑支架的纵向截面面积与室外变压器对应面的面积之差越大，则超材料支撑支架与室外变压器的水平距离越远。在同一位置，分形结构声学超材料装置纵向面的面积越大，隔声量越高，但由于空间的限制以及考虑整套装置的造价，应根据实际情况选择合适的水平距离，从而确定分形结构声学超材料装置的具体尺寸。
所述声波波导的宽度与隔声频率密切相关，应根据所需的隔声频率来选择适当的波导宽度。
本发明工作过程为：当声波传输至分形结构声学超材料装置，进入声波波导，由于分形结构声学超材料所具备的强反射特性，大部分声波被反射，在被降噪物与分形结构声学超材料之间发生多次折反射消耗声能量，而同时因其具有的等效高折射率，使得目标降噪区域的声波幅值大量衰减。
本发明分形结构声学超材料装置可置于室内变压器通风口外侧或置于室外变压器四周，由于其独特的隔声特性，能够有效地在传播路径上阻隔变压器噪声，降低环境噪声污染。由于本发明为分形结构声学超材料，相比于传统的声屏障，具有在保证空气流通的前提下达到降噪效果、可自由组合等特点。同时，本发明具有材料单一、结构简单及制造成本低等优点。
附图说明
图1本发明分形结构声学超材料的立体图；
图2本发明分形结构声学超材料的声波波导截面图；
图3本发明具有一定宽度的四阶Hilbert曲线的示意图；
图4本发明由超材料框架固定的分形结构声学超材料的立体图；
图5本发明分形结构声学超材料装置的立体图；
图6本发明分形结构声学超材料装置的正视图；
图中：1分形结构声学超材料，2声波波导，3超材料框架，4超材料支撑支架。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图5所示，本发明包括分形结构声学超材料1、超材料框架3及超材料支撑支架4。分形结构声学超材料1由超材料框架3固定并嵌入超材料支撑支架4中，构成如图6所示的声学超材料装置。
如图1所示，本发明实施例的分形结构声学超材料1为具声波波导2和底板的长方体结构。其中声波波导宽度为2mm，底板厚度为5mm，长方体的尺寸为：65*65*195mm。空气在分形结构声学超材料1中沿声波波导2流通。所述的底板位于分形结构声学超材料1的底部，声波波导2固定于底板上。分形结构声学超材料1的声波入口与声波出口分别位于长方体结构平行的两个长侧面上，规定声波入口所在面为入口面，声波出口所在面为出口面。与入口面和出口面垂直的面为水平截面。所述分形结构声学超材料1的入口面平行于超材料支撑支架的纵向面且面向变压器通风口放置。所述的声波波导2在水平截面上的形状为具有一定宽度的四阶Hilbert曲线，且在各水平截面上的形状相同。
所述的分形结构声学超材料采用环氧树脂材料制成。
如图4所示，本发明实施例的超材料框架3由四个长方形侧板组成，包裹在分形结构声学超材料四周。由四个长方形侧板组成的超材料框架3内边长为195mm*195mm，外边长为205*205mm，厚度为65mm。一个超材料框架3将3个分形结构声学超材料包裹固定，嵌入超材料支撑支架的方形通孔中。超材料框架3的数量与超材料支撑支架4方形通孔的数量相等。
如图5所示，本发明实施例的超材料支撑支架4为1085*1085mm*65mm的长方体，在面向变压器通风口的一面开有方形通孔。超材料支撑支架4放置在变压器通风口前方并间隔一定的水平距离。超材料支撑支架4的一个面积为1085*1085mm的面面向变压器通风口，开有5*5个边长为205*205mm的方形通孔，方形通孔等距排布，形成阵列。每两个方形通孔中心距离为215mm，且每两个方形通孔的相邻两边相距10mm。一个所述的超材料框架3将三个分形结构声学超材料1固定并嵌入超材料支撑支架4的方形通孔中。超材料支撑支架4采用表面涂有防腐涂层的不锈钢制作。
本发明的工作原理和工作过程为：由于分形结构声学超材料所具备的强反射特性，当声波传输至分形结构声学超材料，大部分声波被反射，在被降噪物与分形结构声学超材料之间发生多次折反射消耗声能量，一部分进入声波波导，而同时因其具有的等效高折射率，使得目标降噪区域的声波幅值大量衰减。
本发明用于变压器的隔声降噪，由于本发明使用单一材料、结构简单、可根据噪声频段选择相应的分形结构声学超材料，并且方便拆卸、实用性强，可用于室外复杂环境。

Claims (7)

1.一种用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的装置包括分形结构声学超材料(1)、超材料框架(3)及超材料支撑支架(4)；所述的分形结构声学超材料(1)由超材料框架(3)固定并嵌入超材料支撑支架(4)中；所述的超材料支撑支架(4)放置在变压器通风口前方，与变压器通风口平行，两者之间有一定距离。
2.根据权利要求1所述的用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的超材料支撑支架(4)为长方体结构；超材料支撑支架(4)面向变压器通风口的一面开有n*m个方形通孔，n、m为正整数；方形通孔等距排布，形成阵列。
3.根据权利要求1所述的用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的超材料框架(3)由四块形状、大小均相同的长方形侧板围成，包裹在分形结构声学超材料四周，将多个分形结构声学超材料包裹固定，嵌入超材料支撑支架(4)的方形通孔中；超材料框架(3)的数量与超材料支撑支架(4)方形通孔的数量相等，超材料支撑支架(4)的每个方形通孔中嵌入一个超材料框架(3)。
4.根据权利要求3所述的用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的超材料框架(3)厚度与超材料支撑支架(4)的厚度相等，超材料框架(3)的各边长度与超材料支撑支架(4)方形通孔的各边长度相等，超材料框架(3)与超材料支撑支架(4)的方形通孔配合，使得超材料框架(3)嵌入超材料支撑支架(4)后，超材料框架(3)和超材料支撑支架(4)齐平，超材料支撑支架(4)稳固支撑超材料框架(3)。
5.根据权利要求1所述的用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的分形结构声学超材料(1)为具有声波波导(2)和底板的长方体结构，空气在分形结构声学超材料(1)中沿声波波导(2)流通；所述的底板位于分形结构声学超材料(1)的底部，声波波导(2)固定于底板上；分形结构声学超材料(1)的声波入口与声波出口分别位于长方体结构平行的两个长侧面上，声波入口所在面为声波入口面，声波出口所在面为声波出口面，与声波入口面和声波出口面垂直的面为水平截面；所述声波入口面平行于超材料支撑支架(4)的纵向面，且面向变压器通风口；所述的声波波导(2)的水平截面的形状为具有四阶Hilbert曲线，声波波导在各水平截面上的形状相同。
6.根据权利要求1所述的用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的分形结构声学超材料(1)采用环氧树脂材料制成。
7.根据权利要求1所述的用于变压器降噪的分形结构声学超材料装置，其特征在于：所述的超材料支撑支架(4)采用表面涂有防腐涂层的不锈钢制作。
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