CN103217211B - 一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，包括：采用一组相对位置固定的传声器组成的阵列在不同空间位置采样变电站辐射噪声场，同时固定若干参考传声器采样该变电站辐射噪声场，然后利用数据处理方法，通过参考传声器采样的信号将传声器组成的阵列在不同空间位置采样的噪声场合成，从而实现变电站低频噪声源分布的测量。发明基于阵列技术，可以获得较高的角度分辨率，在测量一个声源时，可有效的屏蔽其它声源，测量精度较高。本发明充分利用变电站噪声为稳定的单频信号这一特征，通过引入参考传声器，将不同位置的小孔径阵列合成为虚拟的大孔径阵列，从而有效的解决了低频噪声源测量的问题。

Description

一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布的测量方法，适用于低频稳态噪声源定位问题，属于信号处理和噪声测量领域。

背景技术

随着我国电网建设的快速发展，近几年来输变电站越来越多地进入城市中心，郊区城镇化使越来越多的变电站被居民住宅所包围，噪声问题日益突出。与此同时，社会各界对环保提出的要求越来越高，变电站噪声治理问题已经成为电力行业环保的新热点。变电站设备繁多，变压器主变设备、电抗器以及冷却风扇多种设备组合在一起工作。在正常运作的情况下，各个设备由于工作都会产生不同成份的噪声，甚至同一设备不同的位置也会产生不同成分的噪声。因此，如何在整个设备正常运作的情况下，精确确定噪声的位置及噪声的大小，对于变电站噪声分布情况的研究、变电站噪声治理、变电站设备优化改进都有重大的意义。

迄今变电站噪声测量的方法主要有：

1）主观评价法。这种方法是通过人的听觉系统来区分不同的声音。根据经验主观判断声源的位置和频率。这种方法带有很强的主观性，因人而异，不能够做到精确测量。

2）近场测量法。传声器距声源表面很近，分别靠近各个噪声源进行声压级测量。这种方法适用于各个噪声源距离比较远、且对于中高频噪声的测量效果较好。分析结果对于强噪声的识别效果较好。但是，当多个声源相距较近、频率较低时，这种方法的识别效果就不好，不能用来有效识别次强声源。这就是该方法的缺点。

3）部分运转法。让整套机器的部分器件运转，测量机器噪声的大小，对各个测试点的结果进行分析比较，确定主要噪声源。但是，这种方法只能使用于机器各个部件可以分别运行的情况，对于只能整套设备运行的情况就无能为力。

4）隔声法。在整套机器正常运转的情况下，选择性的对发声系统进行隔离，然后测量其余部分对噪声的贡献量。这种方法可以不要求机器各个部件单独运转，但是仍然不能够将隔离部分对测量噪声的影响减小为零。因此，隔声法测量的噪声并不能够做到精确测量。

5）声强测量法。声强测量法是利用声强探头的方向性特点来进行的。声强测量探头可以区分声波的入射方向，从而确定噪声的位置。这种方法对测量环境没有严格的要求，对单一声源的效果较好，但是对于复杂复合声源，测量效果就不很好。

6）表面振速法。通过测量振动源表面振动速度来反映振幅的强弱，从而得到声源的位置。这种方法是通过振动的强弱来比较和判断的，这种方法不能够直接判断出声源的位置，需要做进一步的分析和判断，因此，该方法精度不高，适用于粗略判断。

7）频谱分析法。机器设备的各个部位的噪声形成机理并不相同，每个声源特点有较大的差别。在了解各组成声源频谱特点的情况下，测量总体噪声的频谱可以分析出各部分噪声的贡献幅度，从而可以找到主要声源。频谱分析法往往和部分运转法或隔声法结合使用。这种方法实验周期长，实验复杂，数据处理工作量大，当遇到同一频率多个声源共同作用的时候，这种方法就难于进行频率估计了。

8）基于阵列技术的常规波束形成方法。采用一组在空间固定位置上分布的传声器组成的阵列对空间声场进行测量，然后采用近场常规阵处理方法，测量声源位置。这种方法要求阵列的孔径和波长相比拟，所以只适合于测量高频信号，并不适于测量低频的变电站噪声。

9）基于阵列技术的自适应高分辨波束形成方法。采用一组在空间固定位置上分布的传声器组成的阵列对空间声场进行测量，然后采用近场自适应高分辨阵处理方法，例如MVDR、MUSIC方法测量声源位置。但是这种方法对传声器位置和性能等误差敏感，且在近场条件下，无法定位多个相干声源。

上述方法均有其局限性，为了准确测量变电站低频噪声源的分布，必须寻找新的方法和技术途径。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明的目的在于提出一种基于合成孔径原理的噪声源分布的测量方法，用以测量变电站低频噪声源分布。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，包括：采用一组相对位置固定的传声器组成的阵列在不同空间位置采样变电站辐射噪声场，同时固定若干参考传声器采样该变电站辐射噪声场，然后利用数据处理方法，通过参考传声器采样的信号将传声器组成的阵列在不同空间位置采样的噪声场合成，从而实现变电站低频噪声源分布的测量。

本发明进一步的改进在于：具体包括以下步骤：

1）、选定测量噪声场的传声器阵列若干空间位置及参考传声器的位置，在任一空间位置的传声器阵列称其为子阵列；参考传声器固定在靠近子阵列的任意位置；

2）、传声器阵列依次在选定的空间位置采样噪声场1至10秒，同时参考传声器在固定的位置连续采样噪声场；

3）、将采集到的信号通过某一中心频率为ω的窄带滤波器，利用希尔伯特变换，将信号变为复数形式，利用以下公式计算出子阵列之间相位差：

其中，为第k个子阵列与第l个子阵列的相位差，x_k,ref为与第k个子阵列同步的参考传声器信号，x_l,ref为与第l个子阵列同步的参考传声器信号；E(·)为期望算子，arg(·)为求相位角算子；若参考传声器为多个，子阵列之间相位差为单个参考传声器计算结果的均值；

4）、计算出第一个子阵列与其余子阵列的相位差后，利用下述公式将所有子阵列的信号合成：

其中，为第1个子阵列与第l个阵列的相位差，x_l,n(t)为第l个子阵第n个传声器接收的信号，表示该传声器的合成信号,L为子阵列个数,N为传声器个数；虚拟的大孔径阵列第m个传声器的信号为第l个子阵第n个传声器的合成信号，即

$y_m\left(t\right)=x_{l,n}^s\left(t\right),m=N(l-1)+n---\left(3\right)$

5）、利用下述公式求出虚拟阵列的信号协方差矩阵R：

R_p,q=E(y_p(t)*y_q(t))    1≤p≤NL  1≤q≤NL         (4)其中，R_p,q表示信号协方差矩阵R的p行q列元素；设变压器上任一点的位置为r^*，利用下述公式构造导向向量：

$w=\left[\right|r^{*}-r_1|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_1|}{c}},\·\·\·,|r^{*}-r_m|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_m|}{c}},\·\·\·,|r^{*}{-r}_{\mathrm{NL}}|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_{\mathrm{NL}}|}{c}}{]}^T,1\≤m\≤\mathrm{NL}---\left(5\right)$

其中，r_m为第m个阵元的位置，c为空气中的声速，(·)^T表示转置；利用公式

P=w^HRw            (6)

计算得到该测量点处的波束输出；遍历变压器上的可能噪声点，即得到变压器的噪声点分布。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中子阵列位置的选取应使信号的传播方向与传声器平面垂直。

本发明进一步的改进在于：所述传声器阵列由63阵元组成的7臂螺旋阵，每臂上设置9个阵元；阵列孔径为2m。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中选定的传声器阵列的空间位置个数为6，相邻子阵列错位1m。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中参考传声器个数为1，固定在子阵列位置连线中心，高度1.4m。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1)与传统噪声源识别方法相比采用本发明可产生显著的效果。采用传统噪声源识别方法，例如近场测量法、声强测量法和频谱分析法等，一般仅适用于高频或单个声源的测量，容易受其它声源的影响，测量精度有限。而变压器噪声来源有多个方面，硅钢片的磁致伸缩和器体上的电磁力可产生几百赫兹的低频稳态噪声，此外泵与风机也会产生低沉的噪声。所以，传统的噪声源识别方法无法适用。而本发明基于阵列技术，可以获得较高的角度分辨率，在测量一个声源时，可有效的屏蔽其它声源，测量精度较高。

2)与固定阵列常规波束方法相比采用本发明可产生显著的效果。采用固定阵列常规波束形成方法，需要阵列孔径与信号波长相比拟，而变电站噪声一般为50赫兹至几百赫兹范围，需要的阵列孔径大，操作困难。而本发明充分利用变电站噪声为稳定的单频信号这一特征，通过引入参考传声器，将不同位置的小孔径阵列合成为虚拟的大孔径阵列，从而有效的解决了低频噪声源测量的问题。

与基于阵列技术的自适应高分辨波束形成方法采用本发明可产生显著的效果。由于变电站噪声源复杂，一般无法满足点声源假设，且变电站环境复杂，信号传播路径多样，因此假设点声源球面扩展模型与实际声场误差较大，另外传声器位置和性能等也存在一定误差，因此对误差敏感的自适应高分辨波束形成方法不适用于变压器噪声定位。此外在近场条件下，自适应高分辨波束形成方法一般无法定位多个相干声源，而变压器噪声场一般是由多个相干声源叠加形成的，这更说明了自适应高分辨方法的局限性。而本方法基于常规波束形成方法，稳健性好，对误差不敏感，且可分辨相干信号，适用于变压器噪声测量。同时，本方法通过引入参考传声器，将不同位置的小孔径阵列合成为虚拟的大孔径阵列，提高了角度分辨率。

附图说明

图1：传声器阵列结构示意图；

图2：合成孔径测量方法实施方案图；

图3：实验室测量300Hz单频声源，常规波束形成方法定位结果图；

图4：实验室测量300Hz单频声源，高分辨波束形成方法mvdr定位结果图；

图5：实验室测量300Hz单频声源，合成孔径方法定位结果图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是传声器阵列示意图，该阵列是由63阵元组成的7臂螺旋阵，阵列孔径为2m。图2说明了本发明的实施方法；传声器平面距离变压器前表面5.7m，本实施例选取6个子阵列位置如图2中圆圈所示，子阵列位置连线平行于变压器前表面，相邻子阵列错位1m。参考传声器个数为1，固定在子阵列位置连线中心，高度1.4m。

本发明一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，采用一组相对位置固定的传声器组成的阵列在不同空间位置采样变电站辐射噪声场，同时固定若干参考传声器采样该变电站辐射噪声场，然后利用数据处理方法，通过参考传声器采样的信号将传声器组成的阵列在不同空间位置采样的噪声场合成，从而实现变电站低频噪声源分布的测量，其过程具体包括以下步骤：

1、选定测量噪声场的传声器阵列若干空间位置及参考传声器的位置，在任一空间位置的传声器阵列称其为子阵列。其中，子阵列位置的选取应使信号的传播方向与传声器平面垂直，这样可以最大化阵列空间采样信息。参考传声器固定在靠近子阵列的任意位置。

2、传声器阵列依次在选定的空间位置采样噪声场1至10秒，同时参考传声器在固定的位置连续采样噪声场。

3、将采集到的信号通过某一中心频率为ω的窄带滤波器，利用希尔伯特变换，将信号变为复数形式，利用以下公式计算出子阵列之间相位差：

其中，为第k个子阵列与第l个子阵列的相位差，x_k,ref为与第k个子阵列同步的参考传声器信号，x_l,ref为与第l个子阵列同步的参考传声器信号。E(·)为期望算子，arg(·)为求相位角算子。若参考传声器为多个，子阵列之间相位差为单个参考传声器计算结果的均值。

4、计算出第一个子阵列与其余子阵列的相位差后，可以利用下述公式将所有子阵列的信号合成：

其中，为第1个子阵列与第l个阵列的相位差，x_l,n(t)为第l个子阵第n个传声器接收的信号，表示该传声器的合成信号,L为子阵列个数,N为传声器个数。定义虚拟的大孔径阵列第m个传声器的信号为第l个子阵第n个传声器的合成信号，即

$y_m\left(t\right)=x_{l,n}^s\left(t\right),m=N(l-1)+n---\left(3\right)$

5、利用下述公式求出虚拟阵列的信号协方差矩阵R：

R_p,q=E(y_p(t)*y_q(t))   1≤p≤NL   1≤q≤NL         (4)其中，R_p,q表示信号协方差矩阵R的p行q列元素。设变压器上任一点的位置为r^*，利用下述公式构造导向向量：

$w=\left[\right|r^{*}-r_1|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_1|}{c}},\·\·\·,|r^{*}-r_m|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_m|}{c}},\·\·\·,|r^{*}{-r}_{\mathrm{NL}}|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_{\mathrm{NL}}|}{c}}{]}^T,1\≤m\≤\mathrm{NL}---\left(5\right)$

其中，r_m为第m个阵元的位置，c为空气中的声速，(·)^T表示转置。利用公式

P=w^HRw         (6)

计算得到该测量点处的波束输出。遍历变压器上的可能噪声点，即可得到变压器的噪声点分布。

实验验证是通过噪声源建模、声信道建模、子阵列及参考传声器信号测量以及基于合成孔径原理的噪声源分布测量方法进行的。

噪声源建模：设变压器的噪声源为多个点源，并以球面波的形式向外传播至子阵列。如果变压器噪声源为面源，则也可近似为多个点源的叠加。

声信道建模：声信道近似为自由空间。由于变压器周围较空旷，而地面反射信号可以等效为与实际声源关于地面对称的虚源所产生的信号，因此可以将声信道近似为自由空间。

1)子阵列及参考传声器信号测量：利用图1所示的传声器阵列，按照例图2所示的实施方法，采样噪声场。

2)基于合成孔径原理的噪声源分布的测量方法：假设有Q个频率相同的声源，则第l个子阵列上第n个传声器接收到的信号x_l,n(t)如下式所示，

其中，A_q为声源幅度，ω为信号频率，k为波数，r_l,n为第l个子阵列上第n阵元的位置，而r_o,q为第q个声源的位置，为第q个声源的初相位，w_l,n(t)为该传声器的噪声；N为传声器个数，L为子阵列个数。A_l,n、分别为该传声器求和后的幅度和相位。假设第l子阵列开始采样的时间为t_l，则第l个子阵列的初始相位为ωt_l。由于参考传声器的位置固定，即参考传声器接收到的信号仅相位变化，所以可以利用与子阵列同步采样的参考传声器信号，计算得到不同子阵之间相位差，公式如下，

其中，为第k个子阵列与第l个子阵列的相位差。x_k,ref为与第k个子阵列同步的参考传声器信号，x_l,ref为与第l个子阵列同步的参考传声器信号。然后利用下述公式，可以将其余子阵列接收的信号等效为与第1个子阵列同步采用的信号：

其中，x_l，n(t)为第l个子阵第n个传声器接收的信号，表示该传声器的合成信号。定义虚拟的大孔径阵列第m个传声器的信号为第l个子阵第n个传声器的合成信号，即

$y_m\left(t\right)=x_{l,n}^s\left(t\right),m=N(l-1)+n$

利用下述公式求出虚拟阵列的信号协方差矩阵R：

R_p,q=E(y_p(t)*y_q(t))   1≤p≤NL   1≤q≤NL

设变压器上任一点的位置为r^*，利用下述公式构造导向向量：

$w=\left[\right|r^{*}-r_1|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_1|}{c}},\·\·\·,|r^{*}-r_m|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_m|}{c}},\·\·\·,|r^{*}{-r}_{\mathrm{NL}}|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_{\mathrm{NL}}|}{c}}{]}^T,1\≤m\≤\mathrm{NL}$

其中，r_m为第m个阵元的位置，(·)^T表示转置。利用公式

P=w^HRw

计算得到该测量点处的波束输出。遍历变压器上的可能噪声点，即可得到变压器的噪声点分布。

实验室测量结果：在空旷房间中，放置噪声源距阵列平面2.28m，噪声源发射300Hz的单频信号。固定一个阵列位置，则以该子阵列中心为坐标原点的坐标系平面中，噪声源的位置为（2，-0.4）。图3给出了利用常规波束形成方法的定位结果，可以发现在坐标点(1,3)和(1,-0.4)波束输出最大，但这两处均不是正确的噪声源位置，并且定位结果的主瓣较宽，定位精度差。图4给出了采用高分辨mvdr方法的定位结果，可以发现高分辨方法无法准确定位噪声源，且主瓣较宽。以上述阵列位置作为初始位置，然后将阵列沿水平方向移动4次，获得5组数据，利用本发明定位噪声源的结果如图5所示。可以发现在坐标点（2，-0.4）波束输出最大，与噪声源真实位置吻合。定位结果显示虚拟阵列在水平方向的分辨率高于其在垂直方向的分辨率，这是因为本实验中子阵列仅在水平方向移动而未在垂直方向移动，因此仅增加了阵列在水平方向的孔径。

在实际使用中，由于测量对象和频率范围的不同，传声器阵列的孔径，以及多个子阵列位置的确定，可以根据波束形成的基本原理以及本发明提出的基本方法进行优化选择。

本发明在典型实施例中取得了明显的实施效果，与现有技术相比其优越性在于：本发明基于阵列技术，可以获得较高的角度分辨率，在测量一个声源时，可有效的屏蔽其它声源，测量精度较高。本发明充分利用变电站噪声为稳定的单频信号这一特征，通过引入参考传声器，将不同位置的小孔径阵列合成为虚拟的大孔径阵列，从而有效的解决了低频噪声源测量的问题。

Claims (5)

1.一种基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，其特征在于，包括：采用一组相对位置固定的传声器组成的阵列在不同空间位置采样变电站辐射噪声场，同时固定若干参考传声器采样该变电站辐射噪声场，然后利用数据处理方法，通过参考传声器采样的信号将传声器组成的阵列在不同空间位置采样的噪声场合成，从而实现变电站低频噪声源分布的测量；

具体包括以下步骤：

1)、选定测量噪声场的传声器阵列若干空间位置及参考传声器的位置，在任一空间位置的传声器阵列称其为子阵列；参考传声器固定在靠近子阵列的任意位置；

2)、传声器阵列依次在选定的空间位置采样噪声场1至10秒，同时参考传声器在固定的位置连续采样噪声场；

3)、将采集到的信号通过某一中心频率为ω的窄带滤波器，利用希尔伯特变换，将信号变为复数形式，利用以下公式计算出子阵列之间相位差：

其中，为第k个子阵列与第l个子阵列的相位差，x_k,ref为与第k个子阵列同步的参考传声器信号，x_l,ref为与第l个子阵列同步的参考传声器信号；E(·)为期望算子，arg(·)为求相位角算子；若参考传声器为多个，子阵列之间相位差为单个参考传声器计算结果的均值；

4)、计算出第一个子阵列与其余子阵列的相位差后，利用下述公式将所有子阵列的信号合成：

其中，为第1个子阵列与第l个阵列的相位差，x_l,n(t)为第l个子阵第n个传声器接收的信号，表示该传声器的合成信号,L为子阵列个数,N为传声器个数；虚拟的大孔径阵列第m个传声器的信号为第l个子阵第n个传声器的合成信号，即

$\begin{array}{cc}{y}_m\left(t\right)=x_{l,n}^s\left(t\right)& m=N(l-1)+n---\left(3\right)\end{array}$

5)、利用下述公式求出虚拟阵列的信号协方差矩阵R：

R_p,q＝E(y_p(t)*y_q(t))  1≤p≤NL  1≤q≤NL    (4)

其中，R_p,q表示信号协方差矩阵R的p行q列元素；设变压器上任一点的位置为r^*，利用下述公式构造导向向量：

$w=\left[\right|r^{*}-r_1|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_1|}{c}},...,|r^{*}-r_m|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_m|}{c}},...|r^{*}-r_{\mathrm{NL}}|e^{-\mathrm{i\ω}\frac{|r^{*}-r_{\mathrm{NL}}|}{c}}{]}^T,1\≤m\≤\mathrm{NL}---\left(5\right)$

其中，r_m为第m个阵元的位置，c为空气中的声速，(·)^T表示转置；利用公式

P＝w^HRw    (6)

计算得到r^*处的波束输出；遍历变压器上的可能噪声点，即得到变压器的噪声点分布；

其中，(·)^H表示共轭转置。

2.根据权利要求1所述的基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，其特征在于，步骤1)中子阵列位置的选取应使信号的传播方向与传声器平面垂直。

3.根据权利要求1所述的基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，其特征在于，所述传声器阵列由63阵元组成的7臂螺旋阵，每臂上设置9个阵元；阵列孔径为2m。

4.根据权利要求1所述的基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，其特征在于，步骤1)中选定的传声器阵列的空间位置个数为6，相邻子阵列错位1m。

5.根据权利要求1所述的基于合成孔径原理的变电站噪声源分布测量方法，其特征在于，步骤1)中参考传声器个数为1，固定在子阵列位置连线中心，高度1.4m。