CN106251855A - 一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，该系统安装在房间的开口面附近，由控制声源、误差传声器、参考传感器、多个单通道有源控制器和外围电路组成，可控制房间内声源通过开口向外辐射的噪声，且利于自然通风采光。与传统的集中式虚拟声屏障相比，该系统中各个通道独立运行，系统复杂度低，接线简单，便于多通道扩展。

Description

一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障

一、技术领域

本发明涉及一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，在房间开口面附近布放控制声源，在控制声源正前方对应布放误差传声器，降低通过开口向外辐射的变压器噪声且不影响开口的自然通风采光，由于各通道独立运行，馈给每个控制声源的控制信号仅依赖于其对应的误差传感器，系统运算量小，便于多通道扩展。

二、背景技术

虚拟声屏障是一种有源噪声控制系统，通常由误差传声器阵列，控制声源阵列，有源控制器已及外围电路构成。在噪声传播路径上布放虚拟声屏障，通过自适应算法更新产生馈给控制声源的控制信号，控制误差传声器处的声压，从而控制误差传声器包围区域内的声场以及通过误差传声器覆盖面积传播的声能量。

ZL200510094336.X公开了一种由16个控制声源和16个误差传声器组成的虚拟声屏障，误差传声器包围噪声待控制的区域周围，控制声源分布在误差传声器阵列外围，可在人头大小的待保护区域内实现较好的低频降噪效果(700Hz以下)。该系统取所有误差传声器处的声压平方和为代价函数，需要把所有误差传声器测得的信号输入多通道的有源控制器，计算馈给各个控制声源的控制信号。所以系统的运算量随通道数的平方增加，此外所有的线缆都要接入多通道控制器，在多通道扩展时复杂度高，难以实施。

ZL201220251419.0公开了一种多通道有源控制系统，指出该系统可分布在需要对大型设备噪声进行控制的区域内，对于控制声源的馈入信号，仅简单描述为由误差传声器阵列的反馈信号优化控制器输出，使噪声受控区域的降噪效果最优，并未给出实施时控制声源馈入信号的具体获取方式，此外也没有给出控制声源与误差传声器间距的获取方式。

ZL201410277150.7公开了一种用于变压器低频噪声的虚拟声屏障，多通道有源控制器基于误差信号和参考信号进行多通道全耦合计算生成控制信号，并将所述控制信号传输至所述外围电路，控制室内变压器通过开口向外辐射噪声中100Hz和200Hz的单频分量。该虚拟声屏障中控制信号的产生与ZL200510094336.X一致，都是采用了集中式的方式，系统运算量大，接线复杂。

对一个0.432m×0.670m的开口，仿真和实验证明使用6个控制声源和12个误差传声器组成集中式的平面虚拟声屏障，即可实现对500Hz以下噪声的有效控制(S.Wang，J.Tao，X.Qiu，Performance of a planar virtual sound barrier at the baffledopening of a rectangular cavity，Journal of the Acoustical Society of America，138，2836-2847，2015)。与传统声屏障相比，平面虚拟声屏屏障既能有效降低内部声源通过开口向外的声辐射，同时还保留了开口的自然通风采光功能。进一步的研究(J.Tao，S.Wang，X.Qiu，J.Pan，Performance of an independent planar virtual sound barrierat the opening of a rectangular enclosure，Applied Acoustics，105，215-233，2016)表明，非集中式的虚拟声屏障能够进一步减少系统的复杂度且具有更快的收敛速度，但会面临系统稳定性的问题。

电力变压器的噪声主要由低频谐波分量构成，在100Hz及其整数倍频会出现明显的线谱噪声。考虑电力变压器的实际尺寸，即使其位于房间内仅需在房间开口实施虚拟声屏障，往往也需要数以百计的通道数，如果使用集中式系统，由于复杂度和成本的制约难以实际实施。针对变压器噪声的频谱特点，设计控制声源与误差传声器的间距，使用非集中式的虚拟声屏障是一条可行的实施方案。

本发明针对房间开口面积较大，需要较多通道的应用场合，提出了一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，对室内变压器通过开口向外辐射的噪声进行控制。由于各通道独立运行，系统整体复杂度低，此外无需将所有的线缆都集中连接到控制台(或多通道的有源控制器)，接线简单，便于多通道扩展。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，在开口附近布放控制声源和误差传声器的平面阵列，误差传声器位于控制声源正前方，两者一一对应。通过误差传声器和控制声源的间距优化，实现每个通道的独立稳定运行，降低变压器通过开口向外辐射噪声中100Hz和200Hz附近的线谱分量。该系统复杂度低，接线简单，便于多通道扩展。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

A)测量获取开口的宽度W和高度H；

B)根据开口的宽度W和高度H以及待控频率上限确定控制声源的数目N，原则是相邻控制声源的间隔不超过最高控制频率的1/2波长，确定数目后综合考虑扬声器的尺寸将N个控制声源均匀布放在开口平面上；

C)根据控制源的位置，式(1)已及式(2)，利用自由空间的格林函数生成不同误差传声器和控制声源间隔下的传递函数矩阵Z。

$Z_{ij}=\frac{1}{4{\mathrm{\πr}}_{ij}}{e}^{-{\mathrm{jkr}}_{ij}}---\left(1\right)$

$r_{ij}={\[L_{ij}^2+d^2\]}^{1/2}---\left(2\right)$

式中波数k＝2πf/c，f为频率，c为空气中的声速，r_ij为第i个控制声源到第j个误差传声器的距离，L_ij为第i个控制声源到第j个误差传声器在垂直投影面上的距离，d为控制声源到误差传声器的水平间距离。

计算矩阵(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值实部的最小值，其中β^I为约束控制声源输出的权系数矩阵，Z^I为传递函数矩阵Z的对角元素组成的对角矩阵。根据特征值实部最小值必须大于0的判据以及待控频率，确定系统稳定工作要求的间隔d的取值范围；

D)根据控制声源的数目与位置，确定控制声源与其对应误差传感器的间隔的取值范围，在控制声源前方布放误差传声器；

E)实际测量控制声源到误差传声器的传递函数，检查系统的稳定性，根据稳定性的需要可以逐步减小控制声源与其对应误差传感器的间隔，直至系统在待控的频率处满足稳定性判据；

D)搭建非集中式虚拟声屏障系统，包括控制声源、误差传声器、多个单通道自适应有源控制器和外围电路。误差传声器的输出经外围电路放大后作为控制器的输入信号，用参考传感器(传声器或加速度计)拾取与初级噪声相关的信号作为参考信号，控制器产生的输出信号经外围电路放大后作为控制声源的输入信号控制其发声，系统示意图如图1所示。

本发明的有益效果是：可对开口辐射声进行有效控制且不影响房间的自然通风和采光，系统复杂度低，接线简单，便于多通道扩展。

四、附图说明

图1是本发明所述的非集中式虚拟声屏障示意图。

图2是本发明具体实施例的俯视示意图。

图3是本发明具体实施例中非集中式虚拟声屏障照片。

图4是本发明具体实施例中理论预估特征值实部最小值随控制声源和误差传声器的间隔的变化曲线。

图5是本发明具体实施例中根据实测传递函数计算得到的特征值实部最小值随频率的变化曲线。

图5是本发明具体实施例中评估场点处100Hz降噪量的空间分布。

图5是本发明具体实施例中评估场点处200Hz降噪量的空间分布。

五、具体实施方式

如图2所示，某变电站内有两台变压器分别安置于两个隔绝的房间内，在变压器A的开口处实施非集中式虚拟声屏障，而对变压器B的开口不作任何处理。评估非集中式虚拟声屏障降噪效果的场点设置在变压器开口正前方5.00m范围内，高度取1.20m，共计55个点。如图3所示，变压器A正面开口尺寸为8.30m(W)×6.20m(H)。为了实现100Hz和200Hz附近的噪声峰值，非集中式虚拟声屏障中的控制声源布放在开口面附近。

设定待控频率上限200Hz，取空气中声速340m/s，确定相邻控制声源的间隔不大于0.85m。根据开口的宽度8.30m和高度6.20m，兼顾控制声源的实际尺寸(0.25m×0.25m)，确定在开口宽度方向上按0.80m的间隔均匀布放11个控制声源，在高度方向上按0.70m的间隔均匀布放4个控制声源，共计44个。

频率选取为100Hz和200Hz，根据上文中式(1)和式(2)生成不同误差传声器和控制声源间隔下的传递函数矩阵Z。计算矩阵(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值实部的最小值(其中β^I取0)，结果如附图4所示。由附图4可发现间距d小于0.4m时，特征值实部均大于0，此时非集中式系统能实现稳定控制。

考虑支架的制作，实际实施时控制声源和误差传声器的间隔取0.2m，安装44个误差传声器，现场测量低于500Hz的传递函数矩阵Z，并再次计算矩阵(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值实部的最小值，结果如附图5所示。由附图5可看出在100Hz和200Hz处特征值实部最小值大于0，系统满足稳定要求。

将固定好的控制声源和误差传声器通过外围电路连接至44个单通道的自适应控制器，参考信号为控制器内部生成的100Hz和200Hz的单频信号，控制器运行Filterd-x LMS算法，采样率设为1000Hz，滤波器系数为88阶，整个系统运行前后100Hz和200Hz的声压级及降噪量分别见附图6和附图7。如附图6所示，100Hz时非集中式虚拟声屏障的最大/最小降噪量分别为23.8dB和-10.1dB，大部分场点的降噪量为正值，出现负降噪量的原因在于变压器B的开口未作任何处理。如附图7所示，200Hz时降噪量为正值的场点数目变少，系统的最大降噪量为18.8dB。

本发明通过在开口面布放非集中式虚拟声屏障，对位于开口空间内部的变压器经开口向外辐射的100Hz和200Hz的噪声分量实现了有效控制，且不影响光线和空气的流通，该系统复杂度低，接线简单，便于多通道扩展。

Claims (5)

1.一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，其特征在于：该系统位于房间的开口附近，由控制声源(1)、误差传声器(2)、多个单通道控制器(3)、外围电路(4)组成，各个控制声源(1)的控制信号仅根据其对应的误差传声器(2)拾取的信号获得，能有效抑制室内声源通过开口向外辐射的噪声。

2.如权利要求1所述的一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，其中控制声源(1)和误差传声器(2)数目相同，一一对应，误差传声器(2)布放在其对应的控制声源(1)正前方。

3.如权利要求1所述的一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，馈给控制声源(1)的控制信号仅根据其对应的误差传声器(2)拾取的误差信号获得，与其它误差传声器(2)拾取的信号无关。

4.如权利要求1所述的一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，其中确定控制声源(1)和其对应的误差传声器(2)的间距d的方法是先根据公式(1)和公式(2)生成不同间隔d时的传递函数矩阵Z，

$Z_{ij}=\frac{1}{4{\mathrm{\πr}}_{ij}}{e}^{-{\mathrm{jkr}}_{ij}}---\left(1\right)$

$r_{ij}={\[L_{ij}^2+d^2\]}^{1/2}---\left(2\right)$

式中波数k＝2πf/c，f为频率，c为空气中的声速，r_ij为第i个控制声源到第j个误差传声器的距离，L_ij为第i个控制声源到第j个误差传声器在垂直投影面上的距离，d为控制声源到误差传声器的水平间距离，计算矩阵(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值实部的最小值，其中β^I为约束控制声源输出的权系数矩阵，Z^I为传递函数矩阵Z的对角元素组成的对角矩阵，根据特征值实部最小值必须大于0的判据以及待控频率，确定系统稳定工作所要求的间隔d的取值范围。

5.如权利要求1所述的一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障，其中确定控制声源(1)和其对应的误差传声器(2)的间距d取值范围后，需要在控制声源前方布放误差传声器，实际测量控制声源到误差传声器的传递函数，检查系统的稳定性，根据稳定性的需要可以逐步减小间隔d，直至系统在待控制的频率处满足稳定性判据。