第 1 章 緒論

1.1 課題的研究背景與意義
在經濟快速發(fā)展的今天，越來越多的人生活在快節(jié)奏、低質量、高污染的復雜環(huán)境中。在污染方面，人們往往在意空氣污染、食品污染或者水質污染，雖然方方面面都與我們的生活息息相關，但其實我們還應該關注噪音污染或者尋找降低生活環(huán)境噪音大小的方法，給我們的工作、生活、學習提供一個低噪音的環(huán)境。也許在有些人看來，噪音對我們不會產生很大的影響，其實它和空氣、水質及食品一樣影響我們身體的健康。比如說當人們長期處理聲音嘈雜的環(huán)境中，它可能引起一些慢性疾病、器質性病變及神經等系統(tǒng)的損害，并且可能留下長期的遺留性。所以說噪音關乎身心健康，這是本文研究的首要背景。噪音不但影響著人們的健康，而且噪音的種類很多，這是本文研究背景的第二點。1）交通運輸噪音；不論陸地、海洋還是領空，人們使用各種各樣的交通工具，每一種工具所產生的噪音都是巨大的。2）生產噪音；本文所說的生產噪音主要是指一些大型工業(yè)企業(yè)[1]。廠家在設備運行時，會產生巨大的噪音值，對工作人員有很大的損害，甚至有些企業(yè)員工因為噪音的原因直接導致耳聾。3）日常生活的噪音，雖然噪音的分貝值低，但是噪音的種類很多，比如說喇叭聲音、家用電器的聲音、生活娛樂噪音等等。在如此復雜的背景下，應該尋找降低電氣設備噪音的方式，保證各行各業(yè)的電氣設備滿足國家噪音標準后出廠。本文以大型整流變壓器中自飽和電抗器為例，重點闡述自飽和電抗器噪音來源問題，為電氣設備從源頭上降噪提供一定的理論基礎，也為電氣設備生產廠家降噪提供一些實際辦法，最終爭取把電氣設備噪音估算方法納入電氣設備設計標準之中。
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1.2 國內外研究現(xiàn)狀
目前，一批又一批的科研工作人員投身于電氣設備振動噪音研究，也取得了大量的研究成果。1930 年前后，歐美國家對電氣設備振動噪音進行了初步的研究。通過大量的試驗和經驗總結，分析了電氣設備振動機理、噪聲的輻射特性和聲學特征，并在噪聲治理方面進行了研究[6-8]。1980年，美國 BBN 科研人員應用遠場噪音輻射聲測量法測量電氣設備的噪音水平[9]。1991年比利時 Ronnie J.M.Belmans 發(fā)現(xiàn)共振對電氣設備噪音的影響，即在電磁力的頻率與定子固有頻率相同時，會造成很高的噪音值[10]。1993 年英國謝菲爾德大學的諸自強教授通過計算直流電動機的磁路的方式，測量了直流電機在運行時電磁輻射的噪音大小[11-12]。1995 年法國 S.Chenet等學者發(fā)現(xiàn)經向振動與電力設備三相輸入電壓不對稱的對應關系[13]。1997 年，日本 M.Mizokami 研究學者提出來電氣設備運行時其諧波對振動噪音的影響，得出了不同的振動模型，首次從基礎上解釋振動噪音的來源。2000 年前后，德國Tranc.AG 公司，通過實驗測量、軟件仿真得出磁致伸縮噪音與硅鋼片的淬火溫度、機械應力、靜壓力及疊片等因素有關[14]。2004 年，比利時K.U.Leuen研究人員發(fā)現(xiàn)鐵芯結構對變壓器鐵芯振動噪音的影響。2006 年，西班牙工作者在考慮溫度的情況下，測量了電氣設備的振動噪音水平。2007年，德國在仿真軟件研究的情況下，研究了電磁場與結構力場的耦合計算。2008年，David Snell結合實驗的研究，尋找了一種隔音材料，提出了一種有效的無源降噪的方式。西班牙 Hooratio Lamela提出了一種基于光纖干涉儀直接測量鐵芯振動表面的振動位移的方法。為噪音方案設計做基礎。2009年，日本學者 YanhuiGao 等一些日本專家研究表明，硅鋼片的磁致伸縮力、電磁力是導致單相電抗器產生振動噪音主要因素。他們采用一種使用節(jié)點力等效替代磁致伸縮力的方法，磁場力通過電磁場理論推導計算得到。
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第 2 章 自飽和電抗器振動噪音特性研究

2.1 自飽和電抗器簡介
自飽和電抗器的基本工作原理是用直流繞組電流的大小來改變交流電路的電抗[21]。它作為非線性電抗器件，通過改變鐵芯磁通從而改變磁導率調節(jié)電抗器的電感量[22]。在鋁電解整流變壓器中得到廣泛的應用，以起到調節(jié)電壓、穩(wěn)定直流電流波動等作用。圖 2.2 中，右邊為工作繞組，一般提供交流勵磁。左邊為控制繞組，一般為直流勵磁。有些情況下，自飽和電抗器還可能含有位移繞組[24]。因為直流勵磁靠外界開關電源提供，所以其大小可以相應的改變，當改變直流值時，鐵芯飽和程度發(fā)生變化。由于鐵磁物質的磁導率不是常數(shù)，在正常工作情況下，磁導率隨鐵芯的飽和而下降[25]，所以鐵芯的導磁系數(shù)也相應的變化（導磁系數(shù)μ=B/H）。由于直流勵磁是無級調節(jié)，所以 Z 也能實現(xiàn)無級調節(jié)，從而達到平穩(wěn)調節(jié)電流的目的。所以，自飽和電抗器也可以認為是同時具有交、直流兩種勵磁電流的平滑可調的交流電阻器。這樣的工作模式正好適用于電解鋁行業(yè)，在電解金屬的時候，在金屬表面上會有很多氣泡，由于氣泡的作用，使得金屬的電阻變大，但是在電解行業(yè)電解的過程中電流應該保持不變，要在電阻變高的情況下，保持電流不變，勢必要增大輸入電壓，自飽和電抗器的負載側的電壓正好滿足電解輸入電壓的要求。
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2.2 振動噪音基礎知識
物體振動是產生聲音的根源。弦樂是弦振動發(fā)聲，管樂是空氣振動發(fā)聲，打擊樂是打擊對象表面振動發(fā)聲[26]。如果仔細觀察日常生活中所接觸到的各種發(fā)聲物體，就會發(fā)現(xiàn)聲音來源于物體的振動，本文把能夠發(fā)聲的物體叫做聲源。由此可見，振動是產生噪音的主要來源，所以首先介紹振動基本知識。要了解振動，本文從最簡單的自由振動開始，人們也常常稱之為簡諧振動，它表示物體在某一點附近來回周期性的運動模式，而且初始情況下，一定要有外力的作用。最簡單的例子是小球在彈簧彈力作用下的質點振動系統(tǒng)。根據(jù)胡克定律可知，在彈簧韌性容許的情況下，彈簧的彈力 F 與來回振動位移量的大小 x 成正比，即位移量值越大其彈力越大。假定力的方向為唯一方向，根據(jù)力學知識可得到彈力運算公式為：簡諧振動是現(xiàn)實生活中一種理想的工作狀態(tài)，日常生活中不可能在真空中運行，必定會有阻力的存在，在最初施加的力的作用下，其能量會慢慢消耗，幅值慢慢降低，這一種因為阻力的存在而使能量消耗、幅值降低的現(xiàn)象稱為阻尼振動或者說減幅振動[26]。通常阻力有兩種來源，一種是因為摩擦力的作用消耗能量。另一種是因為質點的運動輻射向外，，變?yōu)椴▌拥哪芰俊?br /> ........

第 3 章 自飽和電抗器振動數(shù)值仿真及試驗研究.......34
3.1 自飽和電抗器振動噪音仿真基礎.......34
3.2 硅鋼片鐵芯振動測量......39
3.3 自飽和電抗器噪音測量.........42
3.3.1 投入運行設備 ......42
3.3.2 擬采用的設備 ......43
3.4 理論計算與實驗測量的比較分析.......44
第 4 章 壓電材料吸音降噪理論演算......45
4.1 基礎知識.....45
4.2 壓電材料吸音原理..........48
4.3 實例仿真.....51
第 5 章 課題總結與展望.....54
5.1 總結......54
5.2 展望......55

第 4 章 壓電材料吸音降噪理論演算

4.1 基礎知識
基于壓電材料的吸音降噪的理論基礎來源于主動吸音系統(tǒng)，其主要組成部分有聲場發(fā)生器的揚聲器、聲波中所假設的質點（質量塊）及彈簧[41-42]，圖 4.1為吸音系統(tǒng)示意圖。本文假設 m 表示質量塊的總質量，K 表示彈簧的彈性系數(shù)，  表示入射聲波頻率，質量塊與揚聲器之間的距離用 l代表。借助物理知識知道，當一個小球彈向墻壁時，如墻壁不動，那么小球將會反彈，如墻壁以和小球彈向墻壁的速度相等的速度移動，那么小球將不會反彈[43-44]。將其應用到該物理模型，即只要質量塊的振動速度與聲波達到質量塊時速度相同，質量塊就不會反彈，即不會有反射波，沒有聲音的輻射，達到主動吸音的效果。經過理論計算與圖像呈現(xiàn)，本文得出在減小反射聲壓的情況下，彈簧的彈性系數(shù)隨入射聲波頻率的關系。主要概況如下：隨著入射聲波頻率的增大，其彈性系數(shù)也增大。聯(lián)系實際情況[47-49]，可以得出如下結論，要想保持反射聲音的減小，即要想降低電氣設備噪音，可以通過控制預緊力的大小，保證預緊力的大小與入射聲波的頻率符合圖像所示規(guī)律。上述表達也可以認為是本章所建立的一種模型，它是用圖像所表達的一般規(guī)律。

總結

雖然自飽和電抗器的基本理論及其應用研究過去多年，但是從振動噪音的角度研究自飽和電抗器確是創(chuàng)新之處。國內外很多科研工作者研究過自飽和電抗器平波穩(wěn)流、無功補償?shù)纫幌盗袃?yōu)良的性質，也為生產廠家提供了寶貴的意見，但是整流變壓器中自飽和電抗器的應用研究也屬少見，本文立足于自飽和電抗器在整流變壓器中的應用，研究其工作過程中由于電磁振動所產生的噪音及其降噪措施。本文重點闡述了自飽和電抗器的振動來源及降噪措施。首先是振動噪音來源研究，通過理論計算與實驗仿真，得出振動噪音的主要來源是電磁噪音，而且計算了在某一范圍內電磁噪音的輻射大小。其次通過對壓電材料的研究，演算出基于壓電材料吸音降噪的工作模式。大體內容如下：
（1）介紹電氣設備振動噪音的研究意義及背景，并且闡述電氣設備振動噪音在國內外的研究現(xiàn)狀。得出電氣設備振動噪音的研究主要工作在于研究機械結構噪音來源研究和隔音、吸音及減振等無源降噪措施提出。
（2）自飽和電抗器振動噪音來源分析，從振動力學與聲音傳播學的角度出發(fā)，計算振動噪音的大小，得出電磁噪音是其主要源頭。通過理論計算、軟件仿真及實驗研究得出噪音主要來源是電磁噪音。
（3）自飽和電抗器振動噪音實驗研究，從實驗的角度解決激勵源與振動所致噪音之間的對應關系。得出整流變壓器中自飽和電抗器噪音大小分析圖，從分析圖得出噪音到達一定值后可以趨于穩(wěn)定。
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參考文獻（略）