CN111368479B - 一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法 - Google Patents
一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，根据变电站噪声频谱特性，基于“局域共振性能释放”概念的轻量化设计方法，设计了一种轻质复合声子晶体薄板。此板不仅在带隙上匹配变电站噪声频谱特性，而且在重量及尺寸上相比其他局域共振型声子晶体大大降低。为今后变电站的噪声控制提供了一种优质的降噪超材料,与现有降噪材料相比，厚度、质量均减少明显，使变电站低频噪声可以通过一种轻量化的复合声子晶体薄板解决。
Description
技术领域
本发明涉及声子晶体设计方法领域，特别是涉及一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法。
背景技术
随着社会发展，社会用电量逐年递增，相应的变电站建设随之增多。由此带来的噪声污染已经对变电站附近居民产生了极大影响，同时，这也会对电网的建设产生一定的影响。
变电站的噪声由于其频谱具有低频且峰值稳定的特性，导致常规材料对其噪声进行控制时，或特别笨重或无法对其有效降噪。例如现有应用于变电站降噪的技术手段基本上采用BOX-IN的方法，其基体充斥着很厚的钢板，导致安装十分繁琐费力，且对低频噪声的隔声效果一般。另一种针对变电站降噪的常用结构为微穿孔板，虽然重量较轻，但需要很厚的空腔才能发挥其性能，因此也需要占用大量空间。而声子晶体不仅可以根据所需调控其带隙，并且可通过局域共振使带隙突破质量定则。因此，使用声子晶体这种新型人工超材料对变电站噪声进行控制具有很强的针对性及适用性。
声子晶体是作为光子晶体这一概念的类比而提出的。1992年，M.M.Sigalas和E.N.Economou等人首次在理论上证实了将球形材料埋入某一基体材料后形成的周期性点阵结构具有带隙特性，并在金、铅球与铝或者硅基体所形成的复合材料结构中同样证实了带隙的存在。1993年，M.S.Kushwaha等人通过采用平面波方法对镍柱在铝合金基体中形成的复合结构进行计算，获得了声波带隙，并进一步明确提出了“声子晶体”的概念——它是由两种或两种以上的弹性介质材料周期性排列成的能够展示出声学带隙或禁带的人工复合型结构。在声子晶体中，根据散射体维度，可以分为一维声子晶体、二维声子晶体和三维声子晶体。
声子晶体带隙产生的机理源于布拉格散射机理和局域共振机理。在基于布拉格散射的声子晶体结构中，声波被周期性排列的散射体所散射，使得在某段特定入射频率的声波经散射后产生相位相消，最终导致该频率范围内的声波或弹性波无法透过该声子晶体，这个范围就叫做带隙。在这类结构中，仅当散射体间距与波长的关系满足布拉格条件时才产生带隙，因此带隙一般出现于波长与晶格常数相当的频率区域。由于其色散关系对散射体的间距非常敏感，因此，可在周期结构的基础上通过移除一个或一排散射体来获得点缺陷或线缺陷，从而实现共振微腔及波导结构。而在局域共振型结构中，带隙可以出现于波长远大于晶格常数的频率区域，在一定的条件下(如深度亚波长条件下)其带隙的位置更敏感于振子的共振性质而不是具体的晶格结构，也就是说我们可以通过采用改变共振体性质而非晶格尺寸的方法来实现带隙。基于这些现象，局域带隙通常被理解为能级排斥或Fano干涉的结果，也就是说带隙的打开完全源于共振子个体而非集体相互作用。
可是常规局域共振型声子晶体由于基于能带理论和局域共振理论，在带隙频率降低的过程中，散射体的尺寸也相应增大，使常规声子晶体隔声板在控制变电站等低频噪声时，没有体现出应有的质量更轻、隔声效率更高等优势，给其工程应用及发展带来诸多限制与困扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，包括如下步骤：
步骤1，对变压器类设备进行声压级测量，并通过傅里叶变换得到频谱图；
步骤2，建立有限元计算模型；
步骤3，确定声子晶体薄板的材料组成；
步骤4，在能带计算模型中，计算局域共振性能释放充分的物理参数；
步骤5，计算声子晶体薄板局域共振性能释放充分的振子频率为50Hz的结构参数；
步骤6，计算声子晶体薄板局域共振性能释放充分的振子频率为100Hz的结构参数；
步骤7，将50Hz与100Hz的声子晶体结构进行复合。
优选地，在所述步骤2中，在有限元仿真软件中建立声子晶体能带计算模型与声子晶体隔声薄板隔声量仿真模型。
优选地，在所述步骤3中，材料包括基体环氧树脂、包覆层硅橡胶和散射体钨。
优选地，在所述步骤4中，通过模态理论结合等效物理参数方法，建立系统的运动微分矩阵，定义局域共振性能释放概念，计算振子固有频率与激励频率取值最小同时比值为1时局域共振性能释放充分的包覆层半径与散射体半径之比。
优选地，在所述步骤5中，保持元胞尺寸a，板厚h不变，对r1、r2进行参数化计算，保持r2/r1＝p，0<p<1,以0.01mm为步长，令r1从30mm到2mm进行参数化计算其隔声量，得到当r1、r2。
优选地，在所述步骤6中，保持元胞尺寸a，板厚h不变，对r3、r4进行参数化计算，保持r2/r1＝p，0<p<1,以0.01mm为步长，令r3从30mm到2mm进行参数化计算其隔声量，得到r3、r4。
优选地，在所述步骤7中，通过类脑算法数值优化计算调整复合结构带来的模态变化，得到当50Hz模块与100Hz模块以共价八元环型超胞复合，得到用于变电站降噪的轻量化声子晶体薄板。
本发明公开了以下技术效果：本发明根据变电站噪声频谱特性，公开了一种轻质复合声子晶体薄板制备方法。此板不仅在带隙上匹配变电站噪声频谱特性，而且在重量及尺寸上相比其他局域共振型声子晶体大大降低。为今后变电站的噪声控制提供了一种优质的降噪超材料。与现有降噪材料相比，厚度、质量均减少明显，使变电站低频噪声可以通过一种轻量化的复合声子晶体薄板解决。
具体表现在以下几个方面：
1、材料组成简单，易于制备；
2、隔声效果明显，在50Hz的隔声量为38.5dB；
3、隔声效果明显，在100Hz的隔声量为60dB；
4、采用基于“局域共振性能释放”概念的轻量化设计方法，使声子晶体板在很轻的质量下，依然保持较大的降噪性能；
5、采用单层板复合方式，使声子晶体板在很薄的厚度下，依然保持较大的降噪性能。
6、本发明提供的复合声子晶体薄板，由于其带隙特性可调，可通过调整材料参数、结构工艺等参数实现不同的噪声频段的抑制，以满足不同的噪声源频谱特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的仿真模型；
图3为本发明仿真计算隔声量图；
图4为本发明的声压级测量频谱图；
其中，1为完美吸收域，2为激励源，3为入射声压计算面，4为轻量化复合声子晶体薄板，5为出射声压计算面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本发明公开了一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板，包括：步骤1，对变压器类设备进行声压级测量，并通过傅里叶变换得到其频谱图，通过频谱图可看到峰值主要集中在50Hz、100Hz、200Hz和400Hz，由于频率越低波长越长，其衰减更小、危害更大，因此选择50Hz和100Hz作为声子晶体的设计频率。
步骤2，在有限元仿真软件中建立声子晶体能带计算模型与声子晶体隔声薄板隔声量仿真模型。
步骤3，确定声子晶体薄板的材料组成：所述轻量化复合声子晶体薄板由基体环氧树脂1、两种不同外径的包覆层硅橡胶2及两种不同半径的散射体钨3组成的共价八元环型超胞构成。使得所述声子晶体薄板的厚度h＝5mm。
步骤4，在能带计算模型中，基于“局域共振性能释放”概念，计算该结构下，通过模态理论结合等效物理参数方法，建立系统的运动微分矩阵，定义局域共振性能释放概念，计算振子固有频率与激励频率取值最小同时比值为1时局域共振性能释放充分的包覆层半径与散射体半径之比。
步骤5，计算声子晶体薄板局域共振性能释放充分的振子频率为50Hz的结构参数
所述隔声频率为50Hz元胞基于“局域共振性能释放”概念的轻量化设计方法，并通过数值计算调整复合结构带来的模态变化，具体为：保持元胞尺寸a，板厚h不变，对r1、r2进行参数化计算。保持r2/r1＝0.53，以0.01mm为步长，令r1从30mm到2mm进行参数化计算其隔声量，得到当r1＝15.60mm，r2＝8.268mm时，在50Hz出现隔声峰。
步骤6，计算声子晶体薄板局域共振性能释放充分的振子频率为100Hz的结构参数
并通过数值计算调整复合结构带来的模态变化，具体为：保持元胞尺寸a，板厚h不变，对r3、r4进行参数化计算。保持r2/r1＝0.53，以0.01mm为步长，令r3从30mm到2mm进行参数化计算其隔声量，得到当r3＝7.72mm，r4＝4.092mm时，在100Hz出现隔声峰。
步骤7，将50Hz与100Hz的声子晶体结构进行复合
通过类脑算法数值优化，通过优化计算调整复合结构带来的模态变化，得到当50Hz模块与100Hz模块以共价八元环型超胞复合，同时使间距l＝33mm，r1＝15.6mm、r2＝8.268mm、r3＝7.85mm、r4＝4.16mm时，得到一种用于变电站降噪的轻量化声子晶体薄板，同时在50Hz及100Hz具有隔声峰，隔声量分别为38.5dB及60dB。
如图2所示，基于能带理论、Bloch定理及周期性边界条件，通过使波失K在倒空间G中对声子晶体的不可约布里渊区进行高对称点围绕而成的边界进行扫略，得到能带计算模型。基于驻波管法，通过使驻波管俩侧建立PML完美匹配层，得到隔声模型。再对轻量化复合声子晶体薄板进行隔声仿真计算，得出的轻量声子晶体比常规的更加轻薄，计算过程如下：
通过声压传输损失公式
计算隔声量，其中P1为入射压力场，P2为出射压力场。结果如图3所示，可看到轻量化声子晶体薄板在5mm的板厚度下，隔声量在50Hz及100Hz均有较大隔声量，隔声量分别为38.5dB及60dB。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对变压器类设备进行声压级测量，并通过傅里叶变换得到频谱图；
步骤2，建立有限元计算模型，所述有限元计算模型包括：声子晶体能带计算模型与声子晶体隔声薄板隔声量仿真模型；
步骤3，确定声子晶体薄板的材料组成，所述材料为：基体环氧树脂、两种不同外径的包覆层硅橡胶及两种不同半径的散射体钨；
步骤4，在能带计算模型中，计算局域共振性能释放充分的物理参数，所述物理参数为：振子固有频率与激励频率取值最小同时比值为1时局域共振性能释放充分的包覆层半径与散射体半径之比；
步骤5，计算声子晶体薄板局域共振性能释放充分的振子频率为50Hz的结构参数；
步骤6，计算声子晶体薄板局域共振性能释放充分的振子频率为100Hz的结构参数；
步骤7，将50Hz与100Hz的声子晶体结构进行复合。
2.根据权利要求1所述的用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，其特征在于：在所述步骤4中，通过模态理论结合等效物理参数方法，建立系统的运动微分矩阵，定义局域共振性能释放概念，计算振子固有频率与激励频率取值最小同时比值为1时局域共振性能释放充分的包覆层半径与散射体半径之比。
3.根据权利要求1所述的用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，保持元胞尺寸a，板厚h不变，对r1、r2进行参数化计算，保持r2/r1=u，0<u<1以0.01mm为步长，令r1从30mm到2mm进行参数化计算其隔声量，得到当r1’、r2’在50Hz出现隔声峰。
4.根据权利要求1所述的用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，其特征在于：在所述步骤6中，保持元胞尺寸a，板厚h不变，对r3、r4进行参数化计算，保持r2/r1=u，0<u<1,以0.01mm为步长，令r3从30mm到2mm进行参数化计算其隔声量，得到r3’、r4’在100Hz出现隔声峰。
5.根据权利要求1所述的用于变电站降噪的轻量化复合声子晶体薄板制备方法，其特征在于：在所述步骤7中，通过类脑算法数值优化计算调整复合结构带来的模态变化，得到当50Hz模块与100Hz模块以共价八元环型超胞复合，得到用于变电站降噪的轻量化声子晶体薄板。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| CN111368479A (zh) | 2020-07-03 |
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