CN106855540B

CN106855540B - 一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法及系统

Info

Publication number: CN106855540B
Application number: CN201611011647.XA
Authority: CN
Inventors: 倪园; 周兵; 杜杰伟; 张建功
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: CN106855540A

Abstract

本发明公开了一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法及系统，该方法包括：在隔声罩内部主噪声设备的表面和隔声罩外部表面分别设置至少一个测点，并在每个测点位置布置振动加速度传感器；通过振动加速度传感器分别采集所述主噪声设备表面的第一振动加速度信号和隔声罩外部表面的第二振动加速度信号，并将所述第一振动加速度信号和第二振动加速度信号分别转化为第一电荷信号和第二电荷信号；利用数据采集分析系统基于格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场；以及通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量,采用格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场，并且利用数据采集分析系统测试隔声罩隔声量的大小，提高了测试效率。

Description

一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统设备噪声测试技术领域，并且更具体地，涉及一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法及系统。

背景技术

目前，针对变电站中主噪声设备的隔声罩(box-in)隔声量的测试评估，主要在出厂前采用声强法或者声压法测试隔声罩的声传递损失，即内部声源经过隔声罩后，声能量的衰减量，评价指标为入射声功率级L_Wi和出口处的透射声功率级L_Wt之差，可用TL表示为：

TL(dB)＝10lgW_i/W_p＝L_Wi-L_Wt；

也可以采用声压级差来评估隔声量，即隔声罩内的声压级L_p1减去隔声罩外部的声压级L_p2，可用LD表示为：

LD＝L_p1-L_p2＝20lgP₁/P₂，

但两种方法存在一定的缺陷，导致测试精度不高。传统的声强法测试隔声罩的传递损失，采用声强仪扫描设备的表面，受到的影响因素较多，比如测试人员的扫描速度、扫描表面积、扫描角度等均会影响测试精度；传统的声压法在测试声压时受环境的影响因素较大，特别是背景噪声的影响，因为特高压变电站内声源较多，位置分散，且大部分属于工频电压和电流激发的可听噪声，频率成分相关性强。在测试现场，难以区分距离较近的相干声源单独激发的声功率贡献量，声学环境极其复杂，难以准确测量单个噪声源设备隔声罩的内外声压，因此会降低测试精度。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法，所述方法包括：

在隔声罩内部主噪声设备的表面和隔声罩外部表面分别设置至少一个测点，并在每个测点位置布置振动加速度传感器；

利用所述振动加速度传感器分别采集所述主噪声设备表面的第一振动加速度信号和隔声罩外部表面的第二振动加速度信号，并将所述第一振动加速度信号和第二振动加速度信号分别转化为第一电荷信号和第二电荷信号；

利用数据采集分析系统基于格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场；以及

通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量。

优选地，其中所述在隔声罩内部主噪声设备的表面的振动加速度传感器和隔声罩外部表面的振动加速度传感器在同一水平面上，并且同步进行测量。

优选地，其中所述第一振动加速度信号包括：主噪声设备表面的各个测点处的振动加速度信号。

优选地，其中所述第二振动加速度信号包括：隔声罩外部的各个测点处的振动加速度信号。

优选地，其中在计算平均声功率级中设定辐射因数阈值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试系统，所述系统包括：

振动加速度传感器布置单元，在隔声罩内部主噪声设备的表面和隔声罩外部表面分别设置至少一个测点，并在每个测点位置布置振动加速度传感器；

振动加速度信号采集单元，分别采集所述主噪声设备表面的第一振动加速度信号和隔声罩外部表面的第二振动加速度信号，并将所述第一振动加速度信号和第二振动加速度信号分别转化为第一电荷信号和第二电荷信号；

声场重构单元，利用数据采集分析系统基于格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场；

隔声量计算单元，通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量。

优选地，其中所述振动加速度传感器包括：加速度计、电缆和前置放大器，

所述加速度计用于采集高阻抗振动信号；

所述电缆用于将所述高阻抗振动信号传输到所述前置放大器；

所述前置放大器用于将采集的高阻抗振动信号转换成低阻抗振动信号。

优选地，其中所述振动加速度信号采集单元的第一振动加速度信号包括：主噪声设备表面的各个测点处的振动加速度信号。

优选地，其中所述振动加速度信号采集单元的第二振动加速度信号包括：隔声罩外部的各个测点处的振动加速度信号。

本发明的有益效果在于：

1.将振动加速度传感器直接布置在主噪声设备的表面和隔声罩外部表面测试振速级，不受环境因素、人为因素和背景噪声的影响，提高了测试精度。

2.采用格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场，并对辐射因子进行试验测定，分析了其影响程度，得出了辐射因子的取值范围，提高了测试精度。

3.利用所述数据采集分析系统能够方便快速的测出隔声罩隔声量的大小，提高了测试效率。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的隔声量测试方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的加速度传感器的等效电路图；

图3为根据本发明实施方式的加速度传感器和电荷放大器简化的等效电路图；

图4为根据本发明实施方式的隔声罩内外测点布置的示意图；

图5为根据本发明实施方式的隔声罩内主噪声设备表面测点布置的示意图；

图6为根据本发明实施方式的信号调理电路的电路图；

图7为根据本发明实施方式的模拟信号转换为数字信号的电路图；

图8为根据本发明实施方式的辐射因数对高抗辐射声功率的影响的结构示意图；

图9为根据本发明实施方式的数据采集分析系统的主界面图；以及

图10为根据本发明实施方式的隔声量测试系统1000的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

基于现有的声强法和声压法测试隔声罩隔声量受外界影响因素较大，影响测试精度的不足，本发明提出了一种基于振速法的变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法，该方法采用振动加速度传感器测试隔声罩内设备的振速级和隔声罩外部的振速级作为边界条件，采用格林函数法重构内部和外部的声场，进而计算出隔声罩内外的声功率级，得到隔声罩的隔声量，从而减少外部因素的影响，提高测试精度。

图1为根据本发明实施方式的隔声量测试方法100的流程图。如图1所示，所述隔声量测试方法100从步骤101处开始，在步骤101在隔声罩内部主噪声设备的表面和隔声罩外部表面分别设置至少一个测点，并在每个测点位置布置振动加速度传感器。将振动加速度传感器分别贴在隔声罩内部主噪声设备的表面和隔声罩的外部表面，振动加速度传感器采集加速度信号，将加速度信号转为电荷信号输出。

图2为根据本发明实施方式的加速度传感器的等效电路图。如图2所示，所述振动加速度传感器包括：加速度计、电缆和前置放大器，所述加速度计用于采集高阻抗振动信号；所述电缆用于将所述高阻抗振动信号传输到所述前置放大器；所述前置放大器用于将采集的高阻抗振动信号转换成低阻抗振动信号。加速度计部分由压电陶瓷和质量块组成，可以拾取振动信号，电缆将信号从加速度计部分传输到前置放大器部分。振动前置放大器的基本作用是把压电加速度计的高阻抗输出转换成低阻抗信号，使信号可以送至测量仪器或分析仪器中。一般来说，加速度计的阻值，前置放大器的输入端阻值，反馈通道的阻值可以维持得很高，因此图2可以简化为图3。图3为根据本发明实施方式的加速度传感器和电荷放大器简化的等效电路图。如图3所示，

C_t＝C_a+C_c+C_p，

其中，C_t为总等效电容；C_a为振动加速度计的电容；C_c为电缆和连接插头的电容；C_p为前置放大器的输入电容；C_f为反馈电容；I为从加速度计流出的总电流；Q_a为压电加速度计产生的电荷；I_i为从C_t流出的电流，I_c为运算放大器反馈回路上的电流。

在等效电路中，输入电压与输出电压之间存在下述等式关系：

V₀＝-AV_i，

因此，

其中，V₀为前置放大器的输出端电压；A为前置放大器增益；V_i为前置放大器的输入端电压；V_c为前置放大器输出端与输入端的电压差。

其中，理想放大器的输入电流为零，由基尔霍夫电流定律可知：

I+I_i+I_c＝0，

由式上述四个公式可得：

其中，

把最初在放大器输出端出现任何直流偏置电压相对应的常数假设为零，上述公式可以解得：

将电荷放大器的放大倍数很大，约为10⁵倍，因此：

由上述公式可知，输出电压与输入电荷成比例。因此，输出电压与加速度计的加速度也成比例，可以用输出电压标定振动加速度值。

图4为根据本发明实施方式的隔声罩内外测点布置的示意图。如图4所示，1为隔声罩外部表面，2为隔声罩内部主噪声设备表面，3为隔声罩外部表面测点位置，4为隔声罩内部主噪声设备表面测点位置，在测试过程中所需的振动加速度传感器至少需要2个，一个布置在隔声罩内部主噪声设备的表面，一个布置在隔声罩外部表面，所述在隔声罩内部主噪声设备的表面的振动加速度传感器和隔声罩外部表面的振动加速度传感器在同一水平面上，并且同步进行测量。需说明的是该方法中需要测试整个表面的振动加速度级，因此需要多次移动传感器进行测量，或者采用多组传感器测量。

图5为根据本发明实施方式的隔声罩内主噪声设备表面测点布置的示意图。如图5所示，以隔声罩内主噪声设备为高抗作为测试案例，对其表面进行测试，此时，测点分布分别为前、后、左、右四个表面，相邻两侧点之间的距离一般在0.3—0.5m之间，测点数目根据设备的长度、宽度、高度而定，类似的隔声罩外部表面也为相同的测点布置。

优选地，在步骤102分别采集所述主噪声设备表面的第一振动加速度信号和隔声罩外部表面的第二振动加速度信号，并将所述第一振动加速度信号和第二振动加速度信号分别转化为第一电荷信号和第二电荷信号。优选地，优选地，其中所述第一振动加速度信号包括：主噪声设备表面的各个测点处的振动加速度信号。优选地，其中所述第二振动加速度信号包括：隔声罩外部的各个测点处的振动加速度信号。

由于压电元件的特性，一般情况下输出的电荷信号非常微弱。该信号不能直接送入到显示、记录、分析仪器中。需要将加速度计采集到的电荷信号输送到信号调理器，信号调理电路会对输入的电荷信号进行放大或衰减，并滤除噪声，再进行后续分析。图6为根据本发明实施方式的信号调理电路的电路图。如图6所示，所示信号调理电路能够实现电荷的放大，增益的调节和滤波，利用信号调理器分别将所述第一电荷信号和第二电荷信号进行放大。

数据采集板卡的核心是模数转换，从信号调理器输入的信号是一个模拟电压信号或电流信号，而计算机能处理的信号必须是数字信号。数据采集卡的主要作用就是将调理器输出的模拟信号转换成计算机能处理的数字信号。图7为根据本发明实施方式的模拟信号转换为数字信号的电路图，如图7所示，利用数据采集卡分别将所述放大后的第一电荷信号和第二电荷信号转换为第一数字信号和第二数字信号。电路中“Sensor_V”为传感器经信号调理后的电压；“OUT”为MCU的一个I/O口，由此输出高低电平的方波，此方波与传感器的电压大小有关；“IN_PORT”是A/D转换的输出，也输出一个随传感器电压变化的方波，此信号输入到MCU的一个I/O口。最后通过USB接口或者网络传输将数字信号传输给计算机进行处理。

优选地，在步骤103利用数据采集分析系统基于格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场。LabVIEW数据采集分析系统，是完成振动信号的处理，并将格林函数法编写到程序中完成声场的重建，进而计算出隔声罩内外的平均声功率级即隔声量的大小。编程的原理是将采集到的振动信号作为边界条件，基于格林函数法进行声场重构。格林函数又称为点源函数，表示一个点源在一定的边界条件下所产生的场或影响，其定义为设在Ω内有Δu＝0,Δv＝0，u,v在Ω+Γ上有一阶的连续偏导数，则由格林第二公式：

可得到：

将上述两个公式相加得：

选择调和函数v满足公式：

于是有：

记

则有：

其中，G(M,M₀)称为拉普拉斯方程的格林函数。

由于任意分布的源所产生的场均可看成许许多多的点源所产生的场的叠加，因此格林函数一旦求出，便可算出任意源的场。

基于格林函数法重构隔声罩内外的声场，前提是测得内外的振动加速度级，实验测得的设备和隔声罩外部的平均振动速度级的计算公式为：

其中，

L_vi为振动速度级；V₀为参考振动加速度,V₀＝5×10^-8m/s。

优选地，在步骤104通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量。

声功率级的计算公式为：

其中，S_a为相应测量面的面积；σ为辐射因数，辐射因数阈值为0.3；ρc为空气特性阻抗；S₀＝1m²；(ρc)₀＝400N·s/m，即空气在20摄氏度，气压105Pa时的阻抗。

计算公式中辐射因子σ往往是比较难确定的，对于不同的设备，其值的大小是不同的，本发明中的主噪声设备主要指的是特高压变压器和高抗，为准确得到辐射因子对于计算结果的影响，对某一特高压变电站内的高抗隔声罩的声功率级进行了测定。图8为根据本发明实施方式的辐射因数对高抗辐射声功率的影响的结构示意图，如图8所示，只要高抗辐射因数不低于0.3，其对声功率的最大影响，将不超过3dB。

对于重构声场的计算，其边界每个节点的振动速度均为实际测量的结果。在各边界节点处，已知节点的振动速度，根据如下公式可以计算其声压，

A{p_i}＝jρ₀ωB{v_ni}，

其中，A和B为系数矩阵，ρ₀是介质密度，ω为角频率。

在已知边界Ω_a上的声压{p_i}和法向振动速度{v_ni}后，场辐射声场V中不在直接边界元Ω_a上任意一点r处的声压p(r)，计算公式为：

其中，系数矩阵向量{C_i}^T和{D_i}^T的元素分别为：

其中，G(r,r_a)是格林函数，满足公式：

▽²G(r,r_a)+k²G(r,r_a)＝0。

图9为根据本发明实施方式的数据采集分析系统的主界面图。如图9所示，为依据上述原理，采用虚拟仪器LabVIEW编写的测试主界面，该程序能够实现振动信号的测量，根据声场重构算法计算出隔声罩的隔声量，以及辐射因数的选择对隔声量计算的影响。

图10为根据本发明实施方式的隔声量测试系统1000的结构示意图。如图10所示，所述隔声量测试系统包括：振动加速度传感器布置单元1001、振动加速度信号采集单元1002、声场重构单元1003和隔声量计算单元1004，在振动加速度传感器布置单元1001在隔声罩内部主噪声设备的表面和隔声罩外部表面分别设置至少一个测点，并在每个测点位置布置振动加速度传感器。优选地，其中所述振动加速度传感器包括：加速度计、电缆和前置放大器，所述加速度计用于采集高阻抗振动信号；所述电缆用于将所述高阻抗振动信号传输到所述前置放大器；所述前置放大器用于将采集的高阻抗振动信号转换成低阻抗振动信号。优选地，其中所述在隔声罩内部主噪声设备的表面的振动加速度传感器和隔声罩外部表面的振动加速度传感器在同一水平面上，并且同步进行测量。

优选地，在振动加速度信号采集单元1002分别采集所述主噪声设备表面的第一振动加速度信号和隔声罩外部表面的第二振动加速度信号，并将所述第一振动加速度信号和第二振动加速度信号分别转化为第一电荷信号和第二电荷信号。优选地，其中所述振动加速度信号采集单元的第一振动加速度信号包括：主噪声设备表面的各个测点处的振动加速度信号。优选地，其中所述振动加速度信号采集单元的第二振动加速度信号包括：隔声罩外部的各个测点处的振动加速度信号。

优选地，在声场重构单元1003利用数据采集分析系统基于格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场，

优选地，在隔声量计算单元1004通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量。优选地，其中在隔声量计算单元中辐射因数阈值为0.3。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims

1.一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试方法，其特征在于，所述方法包括：

通过所述振动加速度传感器分别采集所述主噪声设备表面的第一振动加速度信号和隔声罩外部表面的第二振动加速度信号，并将所述第一振动加速度信号和第二振动加速度信号分别转化为第一电荷信号和第二电荷信号；

通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在隔声罩内部主噪声设备的表面的振动加速度传感器和隔声罩外部表面的振动加速度传感器在同一水平面上，并且同步进行测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一振动加速度信号包括：主噪声设备表面的各个测点处的振动加速度信号。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二振动加速度信号包括：隔声罩外部的各个测点处的振动加速度信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述计算隔声罩内部和外部的平均声功率级，包括：

利用如下方式计算隔声罩内部的声功率级和隔声罩外部的声功率级：

其中，L_w为声功率级；

为主噪声设备和隔声罩外部的平均振动速度级；S_a为相应测量面的面积；σ为辐射因数，辐射因数值为0.3；ρc为空气特性阻抗；S₀＝1m²；(ρc)₀＝400N·s/m，即空气在20摄氏度，气压105Pa时的阻抗；

根据隔声罩内部的声功率级和隔声罩外部的声功率级计算平均声功率级。

6.一种变电站主噪声设备隔声罩隔声量测试系统,其特征在于，所述系统包括：

信号放大单元，利用信号调理器分别将所述第一电荷信号和第二电荷信号进行放大；

信号转换单元，利用数据采集卡分别将所述放大后的第一电荷信号和第二电荷信号转换为第一数字信号和第二数字信号；以及

隔声量计算单元，利用数据采集分析系统基于格林函数法重构隔声罩内部和外部的声场，并通过计算隔声罩内部和外部的平均声功率级得到隔声量。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述振动加速度传感器包括：加速度计、电缆和前置放大器，

所述加速度计用于采集高阻抗振动信号；

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述在隔声罩内部主噪声设备的表面的振动加速度传感器和隔声罩外部表面的振动加速度传感器在同一水平面上，并且同步进行测量。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述振动加速度信号采集单元的第一振动加速度信号包括：主噪声设备表面的各个测点处的振动加速度信号。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述振动加速度信号采集单元的第二振动加速度信号包括：隔声罩外部的各个测点处的振动加速度信号。