阅读说明：本技术 一种变压器油箱内壁约束阻尼复合隔声结构及设计方法 (Transformer oil tank inner wall constrained damping composite sound insulation structure and design method ) 是由 茹传红 钱志杰 王军慧 闵鹤群 曹枚根 王博 沈翀 万建军 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种变压器油箱内壁约束阻尼复合隔声结构及设计方法,其结构包括入射面层、透射面层和位于入射面层和透射面层之间的阻尼层,所述入射面层和透射面层采用不导磁金属材料制成,所述阻尼层为粘弹性材料,所述入射面层和透射面层与阻尼层粘合在一起,形成约束阻尼复合隔声结构。本发明采用金属面板与弹性阻尼层粘合的方式,在中低频的宽频率范围内具有良好隔声效果,该复合板结构稳固性较好,且能够适应防油寖、防磁干扰的变压器减振降噪环境,安装方便,耐久性好。(The invention discloses a constrained damping composite sound insulation structure for an inner wall of a transformer oil tank and a design method thereof. The composite plate has the advantages that the metal panel is bonded with the elastic damping layer, the sound insulation effect is good in a wide frequency range of medium and low frequencies, the structural stability of the composite plate is good, the composite plate can adapt to the vibration and noise reduction environment of the transformer with oil resistance and magnetic interference resistance, the mounting is convenient, and the durability is good.)

一种变压器油箱内壁约束阻尼复合隔声结构及设计方法

技术领域

本发明属于电力变压器领域，具体涉及一种应用于电力变压器油箱内壁的约束阻尼复合隔声结构及其性能预测方法、结构设计方法。

背景技术

变压器噪声来源是内部电磁力引起的铁芯硅钢片磁致伸缩导致的铁芯振动，该振动通过绝缘油传到至油箱壁体，进而通过箱体壁面辐射到周边空气环境。目前，控制变压器油箱噪声辐射的措施可分为油箱结构优化及控制传播途径两方面，比如通过在油箱壁面添加密布的肋来增加油箱强度，降低箱体壁面的振幅；在油箱外增加隔声板，设置隔声罩等措施来控制噪声的传播途径。变压器油箱的辐射噪声是以低频噪声及其谐波为主，现有的降噪措施在应对不同的实际工况时，大多存在适应性较差、控制效果不显著的问题。

约束阻尼复合隔声结构具有厚度小、阻尼比高、***损失大等特性，与其他单层隔声结构相比，对低频噪声具有较好的隔声性能，是隔声材料优化的前沿发展方向之一，具有广阔的应用前景。兰立芳[兰立芳.多层阻尼复合结构振动及声辐射分析[D].湖南大学,2012.]研究了多层复合阻尼板，分析了其声辐射规律，结果表明，外层阻尼材料对结构振动影响很大，当提高外层阻尼材料的弹性模量或者把弹性模量大的阻尼材料布置在外层，结构刚度与系统耗能能力都显著提高。何祚镛[何祚镛.水声作用下矩形弹性-粘弹性复合板的振动和散射声近场(Ⅰ)——矩形复合板的振动分析[J].声学学报,1985(6):344-357.]针对水声作用下的矩形弹性-粘弹性复合板，使用等效刚度、等效质量和等效泊松比法，简化了粘弹性复合板的弯曲振动与边界条件，基于此分析了复合板中材料参数对其振动的影响。然而既有研究较少涉及约束阻尼复合结构中粘弹性材料的声学模型研究，粘弹性材料对约束阻尼复合结构隔声性能的影响及结构的性能预测方法尚不明确。

CN201510137073公开了一种基于再生橡胶基体的复合阻尼板及制作方法，包括底层和阻尼层。阻尼层采用改性再生橡胶，综合利用了钢板的高隔声效果并利用改性再生橡胶材料形成大阻尼约束结构层来抑制钢板易于共振的性能，将透过隔声板的噪声能量降低90％以上。CN201510595697公开了一种粘弹性复合隔声板，包括依次设置的阻尼层、隔声层和吸声层，所述阻尼层的一侧与水下运动体的壳体表面相贴合，阻尼层采用各向同性的聚氨酯或高分子树脂制作，隔声层采用聚烯烃弹性体或玻璃纤维制作，吸声层采用光敏树脂制作，所述吸声层内部阵列设置有封闭式的空腔，整个复合隔声板整体具有一定的力学强度同时调节多层结构在中低频段的隔声能力。CN201710907565公开了一种基于阻尼钢板的低噪声电力电容器，在外层钢板和内层钢板之间设有阻尼材料，形成具有三层的封闭腔体结构，利用由阻尼钢板焊接而成的封闭腔体对噪声主要贡献频率段进行隔声。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种应用于变压器油箱内壁的约束阻尼复合隔声结构，在中低频的宽频率范围内具有良好隔声效果，解决轻薄结构低频隔声性能差的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种应用于变压器油箱内壁的约束阻尼复合隔声结构，安装于变压器油箱内壁，包括入射面层、透射面层和位于入射面层和透射面层之间的阻尼层，所述入射面层和透射面层采用不导磁金属材料制成，所述阻尼层为粘弹性材料，所述入射面层和透射面层与阻尼层粘合在一起，形成约束阻尼复合隔声结构。

可选的，所述入射面层和透射面层为铝板。

可选的，所述阻尼层为丁基橡胶粘弹性胶带。

可选的，所述入射面层厚度为1.0mm，透射面层厚度为1.5mm厚，阻尼层厚度为0.8mm。

可选的，所述入射面层和透射面层之间设有夹心面层，所述夹心面层为铝板，所述夹心面层与入射面层和透射面层之间均设有阻尼层。

可选的，所述入射面层为3mm厚铝板，所述透射面层为6mm厚铝板，所述夹心面层为1mm厚铝板，所述阻尼层为1mm厚丁基橡胶粘弹性胶带。

本发明还提供了一种利用性能预测方法进行约束阻尼复合隔声结构的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，基于变压器近场噪声实测频谱，确定隔声频谱中的目标传声损失TL的数值；

步骤2，基于变压器降噪具体要求，选取面板、阻尼层材料类型及厚度，确定所选材料的各层厚度h_j、剪切模量G_j、泊松比v_j、质量密度ρ_j(j＝1，2，3，4...，n)以及储能模量E′、耗能模量E″、损耗因子η、松弛时间τ的参数取值；

步骤3，基于“粘弹性夹层数量越多，TL频谱谷位置将越向高频移动”的原则方法，设计该约束阻尼复合隔声结构中各复合层的材料、厚度及层数组合选型；

步骤4，基于《GB/Z 22764-2011》中阻抗管测构件传声损失的方法，采取有限元数值仿真模拟与实验室实验结合印证的方式，验证步骤3中提出的约束阻尼复合隔声结构选型的性能；

步骤5，根据步骤4有限元仿真模拟及实验室测试的结果，建立约束阻尼复合隔声结构的TL频谱曲线、入射板和透射板的相对位移幅值曲线及相位曲线，并进行对比分析，如果所对应的有效隔声频率范围的TL数值能够满足目标要求，则进入步骤6；否则，从步骤3开始重复进行；

步骤6，基于约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法，结合具体使用环境的相关要求，最终确定约束阻尼复合隔声结构的材料、厚度及层数组合选型；确定材料的剪切模量G_j、泊松比v_j、质量密度ρ_j以及储能模量E′、耗能模量E″、损耗因子η、松弛时间τ的参数为该结构的最终参数，进入实际的安装应用阶段。

可选的，验证步骤3中提出的约束阻尼复合隔声结构选型的性能具体为：通过四传声器传递矩阵法来测量阻抗管中构件的传声损失；通过动态热机械分析法来测量样品常温下10～8kHz范围内的储能模量和损耗模量，从而获得材料的损耗因子和松弛时间；基于时温等效原理和弹性材料K-V模型的定义，确定松弛时间和损耗因子的关系，在有限元软件Comsol Multiphysics中建立约束阻尼复合结构的有限元模型，进而得到四个位置在两种末端阻抗下声压的线性平均值。

本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：

采用金属面板与弹性阻尼层粘合的方式，在中低频的宽频率范围内具有良好隔声效果，具体解决了以下三点问题：(1)相比单层隔声板结构，增加了粘弹性约束阻尼层，阻尼层类似胶水紧密粘连声入射板与透射板，有效避免了由于质量定律引发的隔声低谷，解决了轻薄结构低频隔声性能差的难题；(2)在选择阻尼层材料时充分考虑其物理性能及价格的合理性，具有较好地大规模推广应用的可行性；(3)该复合板结构稳固性较好，且能够适应防油寖、防磁干扰的变压器减振降噪环境，安装方便，耐久性好。

本发明的又一个有益之处在于提出了一种约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法。本发明提出了结合空气中声场满足的Helmhotz方程，复合板的任一弹性和粘弹性层在声场作用下振动位移u_x、u_z与其胀缩波和剪切波势函数之间的关系满足的Navier方程，用传声损失

表征约束阻尼复合隔声结构的隔声性能。并基于《GB/Z 22764-2011》中阻抗管测构件的传声损失的方法，采取有限元数值仿真模拟与实验室实验对结果进行互相验证，该预测方法系统性强，可在设计阶段避免大量的数值仿真和实验样品制作与测量，以节约设计成本、缩短设计周期。

本发明的再一个有益之处在于为约束阻尼复合隔声结构提供了一种设计方法，该设计方法从待解决的实际问题出发，选取面板、阻尼层材料类型及厚度，并确定材料的剪切模量G_j、泊松比ν_j、质量密度ρ_j以及储能模量E^'、耗能模量E^”、损耗因子η、松弛时间τ等物理参数；然后基于上述约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法，以“粘弹性材料类似胶水紧密粘连声入射板与透射板，使入射板与透射板同相位振动，避免了由每层板的振动模态引起的隔声低谷；粘弹性材料对约束阻尼复合结构TL的影响不遵循质量定律；粘弹性夹层数量越多，TL频谱谷位置将越向高频移动”的基本原则，确定面层与阻尼层的厚度及层数组合选型，设计出满足目标隔声频率范围内TL数值的约束阻尼复合隔声结构。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的

具体实施方式

中进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例一中的约束阻尼复合隔声结构示意图；

图2是本发明所述的一种约束阻尼复合隔声结构选型的阻尼层采用3M-830型胶带的储能模量与损耗模量随频率变化曲线图；

图3是本发明所述一种约束阻尼复合隔声结构选型的阻尼层采用丁基橡胶粘弹性胶带的储能模量、损耗模量及损耗因子曲线图；

图4是本发明所述约束阻尼复合隔声结构基于阻抗管法进行有限元仿真模拟的二维模型示意图；

图5是本发明所述约束阻尼复合隔声结构选型Ⅰ的TL曲线、入射板与透射板RDA曲线的对比图；

图6是本发明所述约束阻尼复合隔声结构选型Ⅰ的入射板和透射板位移相位的对比图；

图7是本发明所述约束阻尼复合隔声结构选型Ⅱ的TL曲线、入射板与透射板RDA曲线的对比图；

图8是本发明所述约束阻尼复合隔声结构选型Ⅱ的入射板和透射板位移相位的对比图；

图9是本发明实施例一中的约束阻尼复合隔声结构示意图；

图10是本发明所述约束阻尼复合隔声结构选型Ⅱ的隔声量实验测量与数值模拟对比图；

图11是本发明所述约束阻尼复合隔声结构的一种设计实例在0～1000Hz的TL曲线图。

具体实施方式

下面对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

变压器油箱减振降噪的现有技术和设计，尚未发现有基于粘弹性材料的本构关系及其隔声特性的约束阻尼隔声复合结构应用于变压器油箱内壁的报道。

因此，参考图1所示，本发明提出一种基于粘弹性材料的本构关系及其隔声特性的约束阻尼隔声复合结构，安装于变压器油箱内壁，包括入射面层1、透射面层3和位于入射面层和透射面层之间的阻尼层2，所述入射面层和透射面层采用不导磁金属材料制成，所述阻尼层为粘弹性材料，所述入射面层和透射面层与阻尼层与粘合在一起，形成约束阻尼复合隔声结构。

本发明还提出一种约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法，所述性能由传声损失TL表征，其特征在于，所述传声损失TL由公式1得到，

式中：τ表示复合板的声能透射系数(τ＝|Δ|²)；Δ表示透射声声压系数C与入射声声压系数A的比值，即Δ＝C/A；

本发明所述的一种约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法，其特征在于，所述入射声声压系数A、反射声声压系数B和透射声声压系数C由公式2得到，

式中：k_x、k_z分别声波波矢在x和z方向的分量，基于复合板在平面直角坐标系xy方向上为无限大，两侧空间均为空气介质，入射声波为平面简谐波，波前垂线在xz平面，并与z轴夹角为θ_n+1的假设，有k_x＝k₀sinθ_n+1、k_z＝k₀cosθ_n+1；ω为入射声波的圆频率；c₀为空气中的声速；i为虚数单位；H为复合板总厚度

h_j表示各层厚度；

是声场的速度势函数，在空气声场中满足Helmhotz方程：

若将空气质点速度记作

声压记作p，那么

和p与

的关系为：

若将入射管和透射管空气质点速度与声压分别以下标为in、tr区分，把公式2-1代入公式4可得到入射声声压系数A、反射声声压系数B和透射声声压系数C与

p关系的公式2-2：

本发明所述的一种约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法，其特征在于，所述复合板各层应力与位移分布的递推关系由公式5得到，

式中：[T]_j为第j层弹性层或粘弹性层几何和物理参数决定的系数矩阵，对粘弹性层，T_ij为复数；分别表示复合板第j层沿x和z方向的位移分量；

分别表示复合板第j层的正向应力和xy平面的剪应力；

同时，复合板任一弹性和粘弹性层在声场作用下的振动位移u_x，u_z与其胀缩波和剪切波势函数之间的关系可用Navier方程来描述：

式中：

和ψ分别表示胀缩波和剪切波势函数，它们满足波动方程：

式中：c_Lj为材料纵波波速度，c_Lj ²＝2(1-v_j)G_j/((1-2v_j)ρ_j)；c_Tj为材料横波波速度，c_Tj ²＝G_j/ρ_j；G_j为剪切模量，对于粘弹性材料层，剪切模量是复模量G_j＝G′_j+iG″_j＝G′_j(1+iη_j)，其中η_j为损耗因子；v_j为泊松比；ρ_j(j＝1，2，3，4...，n)为质量密度；

根据声场声压和质点速度的表达式(公式4)，连续应用公式5，同时消去入射声场反射声声压系数B，即可得到透射声声压系数C与入射声声压系数A之间的关系，进而可得到公式1，即表征约束阻尼复合隔声结构的隔声性能的物理量——传声损失TL。

本预测方法会使用到的常数如表1所示：

表1预测方法所需常数表

本发明还提供一种利用性能预测方法进行约束阻尼复合隔声结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，基于变压器近场噪声实测频谱，确定取得所述隔声频谱中的目标传声损失TL的数值；

步骤2，基于变压器的具体要求，选取面板、阻尼层材料类型及厚度，确定所选材料的各层厚度h_j、剪切模量G_j(粘弹性材料层的剪切模量是复模量G_j＝G′_j+iG″_j＝G′_j(1+iη_j))、泊松比v_j、质量密度ρ_j(j＝1，2，3，4...，n)以及储能模量E′、耗能模量E″、损耗因子η、松弛时间τ等相关物理参数取值；

步骤3，基于“粘弹性夹层数量越多，TL频谱谷位置将越向高频移动”的原则方法，设计该约束阻尼复合隔声结构中各复合层的材料、厚度及层数组合选型；

步骤4，基于《GB/Z 22764-2011》中阻抗管测构件传声损失的方法，采取有限元数值仿真模拟与实验室实验结合印证的方式，验证步骤3中提出的约束阻尼复合隔声结构选型的性能，具体为：通过四传声器传递矩阵法来测量阻抗管中构件的传声损失；通过动态热机械分析法(简称DMA)来测量样品常温下10～8kHz范围内的储能模量和损耗模量，从而获得材料的损耗因子和松弛时间；基于时温等效原理和弹性材料K-V模型的定义，确定松弛时间和损耗因子的关系(η＝τ/ω，式中η为损耗因子，τ为松弛时间，ω为角频率)，在有限元软件Comsol Multiphysics中建立约束阻尼复合结构的有限元模型，进而得到四个位置在两种末端阻抗下声压的线性平均值；

步骤5，根据步骤4有限元仿真模拟及实验室测试的结果，建立约束阻尼复合隔声结构的TL频谱曲线、入射板和透射板的相对位移幅值(RDA)曲线及相位曲线，并进行对比分析。如果所对应的有效隔声频率范围的TL数值能够满足目标要求，则进入步骤6；否则，从步骤3开始重复进行；

步骤6，基于约束阻尼复合隔声结构的性能预测方法，结合具体使用环境的相关要求，最终确定约束阻尼复合隔声结构的材料、厚度及层数组合选型；确定材料的剪切模量G_j、泊松比v_j、质量密度ρ_j以及储能模量E′、耗能模量E″、损耗因子η、松弛时间τ等物理参数为该结构的最终参数，进入实际的安装应用阶段。

实施例一

依据本发明提出的约束阻尼复合隔声结构的预测方法和设计方法，结合该结构的具体使用环境，首先明确了以下3点要求：①应用环境为变压器油箱内壁的减振降噪设计，所述约束阻尼复合隔声结构应具有防油寖、防磁干扰、抗压等；②目标隔声范围主要为小于1000Hz的低频噪声；③能够以螺栓连接等方式固定于变压器油箱内壁。

根据以上要求，初步选择了面层的材料为铝板，阻尼层为3M-830型粘弹性胶带、丁基橡胶粘弹性胶带，分别用选型Ⅰ、选型Ⅱ表示，设计了入射面层为1.0mm厚，透射面层为1.5mm厚，阻尼夹层为0.8mm厚约束阻尼复合隔声结构的两种选型。根据3M官网所示的830型粘弹性胶带具体性能参数，拟合得到20℃下储能模量、损耗模量与频率的曲线(图2)；依据时温等效原理，采用旋转流变仪(简称DHR)测量了丁基橡胶粘弹性胶带的性能参数，拟合得到其储能模量、损耗模量、损耗因子、松弛时间与频率的曲线(图3)。

基于有限元数值仿真模拟的方法，对100mm×100mm的选型Ⅰ测试样品建立了阻抗管测试的二维模型(设定x轴平行于管方向，y轴垂直于管方向，结构边界条件设为x轴向自由、y轴向静定，声场辐射条件是平面波辐射，管壁均为刚性面，声压大小设为1Pa)，对比分析该约束阻尼复合隔声结构选型的TL曲线与RDA曲线的关系(图4)。模拟结果如图5、图6所示，结果表明：在0～1000Hz范围内，入射面层与透射面层的振幅相差较小，同时RDA随着频率提高而增大，RDA从15dB增大到45dB，TL从1dB增大到32dB。粘弹性夹层类似入射板与透射板的粘合剂，使选型Ⅰ的入射板和透射板相位一致，入射板与透射板是同相位振动。同样也对选型Ⅱ进行有限元数值仿真模拟，边界条件设定与上述选型Ⅰ相同。模拟结果如图7、图8所示，结果表明：DJD的TL曲线整体比较平滑，在360Hz处有一个很大的隔声低谷，360Hz以后DJD的TL曲线与质量定律曲线有相同趋势，TL随着频率提高而增大，360Hz之前选型Ⅱ的TL值远大于质量定律的TL值，选型Ⅱ的隔声性能比传统的提高构件面密度或者厚度的方法要好；在小于500Hz的低频段，选型Ⅱ的粘弹性夹层损耗因子很大，有很好的阻尼效果，选型Ⅱ的隔声量却远大于质量定律下的隔声量。

基于《GB/Z 22764-2011》阻抗管法对100mm×100mm的选型Ⅱ测试样品进行实验室验证，并与数值模拟结果对比，结果表明：在300Hz～400Hz之间数值模拟结果与实验测量结果都存在一个低谷，两个谷的位置有微小差别，数值模拟的谷在360Hz处，实验结果的谷在380Hz处，二者偏差在合理范围之内。数值模拟的隔声低谷约26dB，实验测量的隔声低谷约20dB，在隔声低谷处数值模拟下的隔声量要大6dB。但在300Hz以下，即离开隔声谷的频段，实验测量的隔声量比数值模拟的隔声量要大；而在700Hz以上，数值模拟的隔声量比实验测量的隔声量要大(图10)。

通过对约束阻尼复合隔声结构的两种选型进行有限元数值仿真和实验测量结果的交互验证，结果表明：本例所述的丁基橡胶粘弹性阻尼复合隔声结构在0～1000Hz低频范围内隔声性能优越，能够满足目标的有效隔声频谱范围，可以进行实际的安装测试与应用。

实施例二

依据本发明提出的约束阻尼复合隔声结构的预测方法和设计方法，提出了一种由3层铝板、2层丁基橡胶粘弹性阻尼层粘合的复合板选型。

参考图10所示，所述入射面层和透射面层之间设有夹心面层4，所述夹心面层与入射面层和透射面层之间均设有阻尼层。

其中入射面层为3mm厚铝板，透射面层为6mm厚铝板，夹心面层为1mm厚铝板，阻尼层为1mm厚丁基橡胶粘弹性胶带。

基于声学有限元——边界元(FEM-BEM)耦合的数值模拟方法，建立上述约束粘弹性阻尼结构选型固接于变压器油箱壳体四周壁面的仿真模型，基于GB/T 1094.10-2003《电力变压器第10部分声级测定》、GB/T 1094.101-2008《电力变压器第10.1部分:声级测定应用导则》中提出的声压级测定要求，比较应用该结构前后距离变压器油箱壳体***中部0.3m的声压级均值，在400Hz频率的仿真模拟的结果云图，将0～1000Hz频率范围内的结果拟合表明(图11)：在低频范围内，应用该约束阻尼复合隔声结构前后，在电力变压器的主要噪声频段(50-1000Hz)，变压器油箱隔声性能TL平均提升约20dB，将具有极大的实际应用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。