HAL Id: jpa-00230677
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00230677
Submitted on 1 Jan 1990
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
SIMULATIONS NUMÉRIQUES DE LA MESURE DE PUISSANCE ACOUSTIQUE DE
TRANSFORMATEURS ÉLECTRIQUES
J. Fanton, A. Adobes
To cite this version:
J. Fanton, A. Adobes. SIMULATIONS NUMÉRIQUES DE LA MESURE DE PUISSANCE ACOUS-
TIQUE DE TRANSFORMATEURS ÉLECTRIQUES. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2),
pp.C2-233-C2-236. �10.1051/jphyscol:1990256�. �jpa-00230677�
Colloque C2, supplément au n°2, Tome 51, Février 1990 C2-233
1er Congrès Français d'Acoustique 1990
SIMULATIONS NUMÉRIQUES DE LA MESURE DE PUISSANCE ACOUSTIQUE DE TRANSFORMATEURS ÉLECTRIQUES
J.P. FANTON et A. ADOBES
Electricité de F r a n c e , Direction des Etudes et Recherches, Département Acoustique et Mécanique Vibratoire, 1 Avenue du Général de Gaulle,
F-92141 Clamart, France
Résumé : On présente l'application de méthodes de simulation numérique d'acoustique intérieure , au problème de la détermination expérimentale de la puissance acoustique de transformateurs électriques . La technique métrologique qui est simulée est l'intensimétrie aérienne . On rappelle les avantages de cette technique , et les précautions d'emploi qu'elle nécessite ; si les premiers sont bien connus , les secondes sont également importantes, et la simulation permet de bien les mettre en évidence . Les perspectives ouvertes , à plus long terme , par une bonne maîtrise simultanée des techniques de mesure et de simulation en vue de la réduction du bruit des transformateurs, sont indiquées .
Abstract : We present the application of numerical methods for indoor acoustics used to simulate the experimental determination of the acoustic power of electrical transformers . The simulated technique is the acoustic intensimetry . The advantages of this technique are recalled, but also the precautions that it requires. The first ones are already well-known , the second ones are also important , and the simulation allows a good demonstration of it . The perspectives opened , in a further long-term , through a good mastery of measurement and simulation techniques at the same time in the purpose of transformers noise abatement , are indicated
1 - INTRODUCTION
Un aspect du problème du bruit des transformateurs électriques est celui de sa mesure , et de l'expression à donner à cette mesure ; idéalement , le bruit de ces appareils devrait pouvoir être défini de façon intrinsèque , comme le sont en général leurs caractéristiques fonctionnelles . Ce problème est en fait commun à de nombreux matériels industriels , notamment électriques (climatisateurs , pompes , moteurs ...) .
La technique de l'intensimétrie acoustique a permis d'avancer dans la direction souhaitée . Elle apporte une immunité importante au bruit de fond , surtout si celui-ci est de caractère aléatoire . Néanmoins, elle ne permet pas pour autant de réaliser une mesure "idéale" . Les raisons en sont facilement explicables sur un plan théorique;
l'information supplémentaire qu'apporte ici la simulation numérique est la quantification des effets observés dans diverses situations choisies pour représenter des configurations de mesure proches de la réalité industrielle . L'approche numérique offre ici l'avantage que les conditions peuvent être plus facilement idéalisées qu' au laboratoire ou in-situ , et que les phénomènes peuvent donc y être mieux reproduits dans leur principe . L'analyse de travaux expérimentaux existants [1] montre une bonne concordance avec les résultats numériques . 2- MOTIVATION DE L'ETUDE
L'intensimétrie acoustique est aujourd'hui largement utilisée. Au delà du laboratoire , on y fait appel dans l'industrie , pour des études à caractère de diagnostic et d'analyse , par exemple pour l'amélioration de la conception acoustique. Sa mise en oeuvre a fait l'objet de multiples études , dont récemment [2]. Son emploi a été validé dans le cas particulier des transformateurs [3] . Elle fait son apparition dans les cahiers des charges des matériels. Des projets de norme basés sur son emploi sont à l'étude , dont l'un en particulier porte sur les transformateurs électriques ( modification de la CEI 551) .
EDF se trouve pour sa part fortement impliquée dans le développement de son emploi , dans ses propres études en laboratoire , et surtout par sa volonté d'introduire , dans les clauses de ses propres contrats relatifs à la fourniture des matériels des centrales nucléaires et hydrauliques , la notion de puissance acoustique .
3 - PRESENTATION DES TECHNIQUES DE SIMULATION EMPLOYEES
EDF dispose d'un ensemble d'outils numériques recouvrant assez largement l'ensemble des problèmes vibratoires et acoustiques pouvant être rencontrés industriellement . Le bruit d'un transformateur rayonnant dans un local est caractérisé par un spectre de raies pures dominantes dans le domaine des basses fréquences . Le code BASFRE en particulier s'avère bien adapté à l'étude de ce problème . Ce code résout en effet l'équation de Helmholtz pour un espace borné au moyen d'une formulation par différences finies. La propagation acoustique à la pulsation ttJ dans un domaine fermé _ n . d e frontière "bSL peut en effet être représentée par (1) :
( A + k* ) p = 0 (1)
où p(M) est le champ scalaire de pression au point M associé aux champs vectoriels de vitesse v(M) et d'intensité T(M) tels que (2) : , . . „
I = p .y* (2) et où k est le nombre d'onde .
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990256
C2-234 COLLOQUE DE PHYSIQUE
Les conditions aux limites possibles sont du type impédance , à réaction locale (sans couplage vibratoire) et sont donc exprimées par (3) :
avec Tr f(M) = lim f(Q) Tr : trace de ...
Q d M
6 ; . a
6-n.
L'équation (1) est discrétisée par différences finies sous la forme (4) :
où h, , h,
,
et h, représentent respectivement les pas de maillage dans les directions Ox, Oy, Oz.
Cette discrétisation permet finalement de résoudre sous forme du système matriciel (5) :où
A
est une matrice heptadiagonale symétrique.
Cette méthode est présentée plus complètement dans [4]
.
BASFRE permet donc de modéliser en stationnaire et en fréquence pure le problème du rayonnement d'une structure vibrante placée dans une enceinte. La discrétisation par différences finies impose une simplification relative des formes de l'appareil et du local
.
La représentation du problème peut être bi- ou tri- dimensionnelle.Les limites d'emploi en fréquence résultent de la comparaison à la longueur d'onde des dimensions caractéristiques des obstacles dans le domaine et de la taille de celui-ci ; cette taille n'est pas pénalisante ici (quelques mètres pour des fréquences de 100 Hertz à 500 Hertz environ)
.
Par contre , la diffraction en champ proche à ces fréquences,
due au profil complexe des parois (ailetages de ventilation ) ne peut pas être prise en compte . Ce problème fait actuellement l'objet d'une approche théorique , par développement d'un modèle analytique spécialisé , dans le cadre d'une collaboration entre EDF et des constructeurs.
4- NATURE DES SIMULATIONS ET RESULTATS
Les simulations reprennent pour hypothèse une configuration ayant fait l'objet des travaux expérimentaux [Il
.
Un transformateur est placé dans un local parallélépipédique
,
A proximité de 2 des parois ; les impédances acoustiques de chacune des 6 parois sont définies indépendamment et au besoin par fraction de paroi si des matériaux différents sont employés.
Ses 4 faces latérales sont des surfaces vibrantes,
définies à la fois par des vitesses vibratoires et par des impédances acoustiques.
La vitesse des faces est prise ici uniforme,
ce qui est une approximation acceptable dans le cadre d'une première étude.
Si une description plus précise de la directivité est recherchée,
un maillage de mesures vibratoires adapté aux modes mécaniques existants peut aisément être introduit .4.1 Evolution de la ouissance mesurée en fonction de l'environnement
Dans cette étude on fait varier la distance de l'appareil à deux des parois supposées parfaitement réfléchissantes ; on évalue alors l'écart entre la puissance vraie rayonnée et la puissance estimée au moyen d'une méthode de mesure intensimétrique en cours de normalisation (addition à la CE1 551)
,
qui fait appel & un nombre limité de points fixes, ici 64.
La figure (1) ci-dessous visualise les mesures simulées,
et le tableau (1) résume les écarts observés pour 3 valeurs de distance entre appareil et paroi.
FRONTIERES DU DOMRINE DE PROPRGATION NOMBRE DE POINTS DE MRILLRGE
-
5.7750~10'Tableau 1: diffhrencea observees entre lea 2 mhthodea de mesure
en fonction de l'éloignement à la paroi
,
et qu'il ne pourrait donc pas 6tre apprécié forfaitairement par une formule de correction.
Cette étude a permis de motiver les positions prises par EDF dans le cadre de sa participation à l'élaboration du projet de norme [5]
,
[6].
4.2 variation de la ouissance vraie en fonction de l'environnement
Une autre propriété
,
intéressante à mettre en évidence,
est que la puissance vraie,
émise par un appareil,
est loin d'être constante ; elle est fonction :-
des conditions de l'environnement "passif",
c'est à dire des impédances des obstacles proches (parois ou autres appareils à l'arrêt).
-
également de l'environnement "actif",
c'est à dire de l'existence d'autres sources sonores rayonnant sur la même fréquence,
voire de façon synchrone,
ce qui peut être particulibrement vrai dans le cas de postes de transformation comportant plusieurs appareils ; ceci est du reste conforme au principe mis en oeuvre en anti- bruit actif. Dans un tel cas,
on doit avoir recours à des techniques particulières de synchronisation pour que le niveau de bruit parasite tolérable pour la mesure retrouve une valeur suffisante [7].
On reprend ici une nouvelle fois les hypothbses de [l]
.
On simule l'interposition,
réalisable in-situ si nécessaire.d'un matériau absorbant entre l'appareil et une paroi
.
Cette approche est qualitative puisque l'on fait ici varier uniformément l'impédance locale Zs de toute cette paroi (n06).
Pour les autres parois.
on définit 6 cas (dénommés: "O" à "5") correspondant respectivement à 0,1,...
5 parois absorbantes, d'impédance complexe : (1,O).Tous ces cas peuvent se rencontrer dans la pratique industrielle, à des niveaux de puissance électrique éventuellement différents toutefois.
Dans chaque cas
,
on a calculé :1) la puissance active dite vraie du transformateur par sommation à sa surface des produits pression x vitesse vibratoire sur un maillage fin ( 0.15 x 0,15 x 0,15 m soit 23 points par longueur d'onde à 100 Hertz )
.
2) la puissance active mesurée par intensimétrie acoustique sur un maillage M de m6me finesse
,
situé à 1 noeud de l'appareil (voir figure 4) :In
.
dsW =
L
3) la puissance active déterminée à partir des valeurs de pression sur le même maillage
,
en prenant :In =
3.
C o c
4) la puissance active déterminée selon un maillage de mesure conforme à la CE1 551
,
B partir de l'intensité en ces points d'une part,
et de la pression d'autre part5) enfin
,
suivant ces différentes méthodes,
la puissance réactiveDans le cas décrit
,
le calcul 2) conduit à une mesure sur 2031 surfaces de maille.
Cette mesure n'est pas envisageable par un opérateur ; par contre elle l'est par un automate de mesure.
Le systbme de laboratoire ASTRO développé par EDF répondrait en particulier à un tel besoin.
La figure 5 donne une représentation graphique globale des simulations effectuées.
L'évolution de la puissance rayonnée avec l'absorption du local était un résultat attendu
.
Elle doit s'interpréter en toute rigueur en fonction du coefficient de réflexion moyend
du local défini au moyen des surfaces Si des coefficients d'absorptiono(
respectifs des parois,
et de facteurs de forme Qi tenant compte de la déformation spatiale du champ acoustique.
Ce que l'on obtient essentiellement ici.
ce sont des ordres de grcndeur-
de variation pour des configurations réalistes.
ZE-20 4 PRROIS RBS.
INIENSITE RCWSTIWE RCTIVE 25-a0,+ nff0lS m., L7-B
Ficures 2 et S : exemples de cartographies d'intensit6 et de pression pour Le cas Btudi6
C2-236 COLLOQUE DE PHYSIQUE
FRWIFXES OU üûiWINE Dt PROPRCRTION NOrmRE OE POINTS OE nAlLLROE
-
5.7750~10'., -
S
N
8 '
9
* "
"
- -
O
RXE DES X
Sur un autre plan
,
k comparaison entre les deux valeurs de puissance (puissance vraie et puissance par intensimétrie) montre une très grande concordance au moins dans les cas peu réfléchissants (à 3.43 parois absorbantes) ; par contre dans les cas fortement réfléchissants, les deux valeurs déterminées divergent parfois ; Dans le meme temps,
Sévolution de la puissance avec l'impédance de la paroi témoin est importante et non monotone ; la modification de la paroi agit alors non seulement sur l'absorption,
mais aussi sur la configuration du champ acoustique et l'"efficacitéw globale du local.
Le dépouillement en cours d'une campagne de mesures réalisée chez un constructeur avec son assistance et comportant des relevés de déformées vibratoires, devrait conduire à retrouver et à compléter ces résultats
.
La simulation de l'effet d'une autre source proche sur la puissance propre de l'appareil de référence n'a pas été effectuée ici, mais reste envisageable
.
6
-
PERSPECTIVESLa maitrise d'outils de simulation numérique des champs acoustiques stationnaires et des différentes grandeurs associées : pression et intensité, permet d'envisager des actions concrètes dans les domaines de la lutte contre le bruit excessif (diagnostic) et de la réduction systématique du bruit à la conception
.
Cette maitrise est utilisée par EDF
,
dans le domaine des transformateurs, pour la résolution des problèmes ponctuels qui sont rencontrés, et la mise au point, à titre préventif, de techniques d'insonorisation.
Ainsi,
les diverses techniques de résonateurs acoustiques (résonateurs à plaque et résonateurs à col) font-ils l'objet de développement de modèles spécifiques [8] ; leur expérimentation prochaine, en vraie grandeur dans un poste de transformation, fera également appel aux méthodes de simulation décrites, pour la détermination de leur efficacité à titre prévisionnel.
Enfin, au niveau de la conception industrielle, ces techniques pourront intervenir comme aide aux constructeurs, dont certains sont déjà conscients de l'intérêt de la réduction du bruit à la source, et qui travaillent dans ce sens en coopération avec EDF
.
7
-
REFERENCES[Il Hüttner
-
Sound intensity Measurement according to Draft 2 Appendix B to IECSSl in reflective environment-
Cigré SC12-12 ne 14-89[2] Tandon N.
-
The effect of sound intensity measurement parameters on sound power determination-
Journal of Sound and Vibration 1989 na 132[3] Nicolas J.,Champoux Y.,Gosselin B.
-
Application o f the intensity technique to the characterization of transformer noise-
IEEE Winter meeting PES 1998[4] Luzzato E.
-
Analyse comparative des résultats d e modèles d'acoustique prévisionnelle : Rayon et Basfre-
Rapport EDF ne HE22/4850
-
juin 1986[SI Fanton J.P.,Lebailly P.,Feuermann M.
-
Transformers noise : a study of a new normalised power measurement technique-
mai 1989,
Cigré SC 12-12[6] Adobes A.
-
A comparison using a numerical simulation beetween the pressure method and the intensity method to measure the sound power level o f a transformer in the vicinity o f reflecting surfaces-
rapport EDF no HP55/89068[7] Reiplinger E.
,
Buckow E.-
Meoverfahren für Transformatorengerdusche bei hohem Umgebungspegel-
Elektrizitfîtswirtschaft 1988 Heft 8
[8] Adobes A.,Audonnet I.,Luzzato E.
