CN115655448A - 一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于配电网及户外变电站巡检技术领域，特别是一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，包括至少一个声压传感单元、多路音频采集卡、混音单元、能量谱估计单元、数字信号处理控制单元、预警模块、按键输入模块及显示模块；把变电站等作业场所的噪声定位，实现从“听”到“看”的突破，既监测到异常噪声后以更加直观的图像方式呈现给值班人员；实现嘈杂环境下无人现场的智能化、可视化声源定位。
Description
技术领域
本发明属于配电网及户外变电站巡检技术领域，特别是一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统。
背景技术
变电站是一个存在多种噪声的环境。当设备出现某些故障时，也会发出一些非正常的声响，这些非正常的声响就混杂在环境噪声中。如果能够对这些非正常声响精确定位，就能准确判断故障设备，从而排除故障，减少设备故障对变电站带来的损失。
变电站同时是一个环境比较特殊的场所，在变电站运行状态下是不允许人靠近带电设备的，这就给噪声源定位带来了困难。因此，象变电站这类危险场所，特别需要无需人在现场的智能化声源定位系统。目前，变电站的异常噪声源的查找方法智能化程度很低，无法快速准确的查找噪声源、解决问题。因此研究在嘈杂环境下声源定位就显得尤为重要，并且在其他行业也极具应用价值。
为实现变电站运行的智能化，提高运行的安全保障系数，运用目前最先进的噪声成像技术，开发一套高智能化的、准确性高、查找快捷的噪音源定位侦测系统是一个有很高价值的课题。
目前，变电站广泛使用的噪声定位仪器，采用一维线性阵列或二维阵列采集噪声，一维阵列对声场方向信息拾取局限性较大，精度也比较低；二维阵列受入射方向影响在测量距离时误差较大；存在传声器的灵敏度低、系统运行速度慢、效率低下等因素，无法满足实际工作中的要求，给维护工作带来很大的困扰。而目前市场上又没有更先机的相关替代产品，为解决这一问题，急需研发一套更先进、更准确、更高效的基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，可以对噪音进行精准的定位。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，实现变电站运行的智能化，提高运行的安全保障系数。
本发明的技术方案是：
一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，包括至少一个声压传感单元、多路音频采集卡、混音单元、能量谱估计单元、数字信号处理控制单元、预警模块、按键输入模块及显示模块；
所述的多路音频采集卡分别连接各所述的声压传感单元，用于对声压传感单元的音频信号的同步采集；
所述的混音单元将所有的声压传感单元传输的音频文件及音频信号混音后合成单独的音频文件；
所述的能量谱估计单元对混音后的单独音频文件及多路音频采集卡采集的信号进行能量功率的估算并确定声源发出的位置；
所述的数字信号处理控制单元针对估算确定的生源发出的位置信息进行信号转换处理进行绘制噪声图像，所述的数字信号处理控制单元还分别与用户操作终端、所述显示模块和所述的预警模块连接，用于输出监测结果至用户操作终端和显示模块，以及在所述音频信号声压值大于预设阈值时输出预警指令至所述预警模块。
具体的，每个所述的声压传感单元至少包括四个声压传感器，所述的声压传感器包括电容式驻极体话筒。。
具体的，所述的能量谱估计单元确定声源发出位置的方法包括如下步骤：
假定四个传感器的空间位置为0,其中i＝0表示主传感器，i＝1,2,3表示辅传感器，目标的空间位置为(x,y,z)T，ri表示声源与第i传感器之间的距离，Δri表示声源到第i传感器与声源到(x0,y0,z0)T传感器之间的距离差，用方程表示为
对上式整理化简得：
由上式表示的方程构成了一个非线性方程组，为了求解这个方程组，首先将r0看作是一已知量，因此可以得到以下矩阵表达式：
X＝[x y z]T
对于四个传感器的时差定位，如果rank(A)＝3，则声源位置估计值为：
由上式可得目标位置的估计值为：
具体的，所述的数字信号处理控制单元包括STM32f103RC单片机和TMS320C6748单片机。
具体的，所述的预警模块包括扬声器和警示灯，所述的数字信号处理控制单元分别连接所述的扬声器和所述警示灯。
具体的，还包括按键输入模块，所述数字信号处理控制单元与按键输入模块连接。
具体的，所述的数字信号处理控制模块通过RS232串口或者自适应LAN连接用户终端。
在国内，近年来在声源定位方面也进行了大量深入的研究，受到科技重点实验室基金和国家自然科学基金的支持，并取得了一定的成果。南京理工大学、西北工业大学、解放军信息工程大学、西北核技术研究所对该项目进行了较深入的研究。
国外对声学定位系统研究较早。迄今为止，大多先进国家装备使用大多数是五六十年代研制和改进的产品。八十年代出现了以英国的帕尔斯(PALS)被动声测系统，瑞典的索拉斯-6(SORAS-6)声测系统和以色列的SAR-2声测站为代表的新一代声测站系统。
目前，在电力行业中噪声定位仪器也已在变电站等作业面被广泛使用，但目前使用噪声定位仪，多采用一维线性阵列或二维阵列采集噪声，一维阵列对声场方向信息拾取局限性较大，精度也比较低；二维阵列受入射方向影响在测量距离时误差较大；存在传声器的灵敏度低、系统运行速度慢、效率低下等因素。
本发明的有益效果是：把变电站等作业场所的噪声定位，实现从“听”到“看”的突破，既监测到异常噪声后以更加直观的图像方式呈现给值班人员；实现嘈杂环境下无人现场的智能化、可视化声源定位；监测到异常噪声后可以自动以声音或者其他方式实现远程预警；噪声准确检测定位，精度达到20-30厘米。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的描述。
如图1所示为本发明提供的一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统的原理结构示意图，包括至少一个声压传感单元、多路音频采集卡、混音单元、能量谱估计单元、数字信号处理控制单元、预警模块、按键输入模块及显示模块；
所述的多路音频采集卡分别连接各所述的声压传感单元，用于对声压传感单元的音频信号的同步采集；
所述的混音单元将所有的声压传感单元传输的音频文件及音频信号混音后合成单独的音频文件；
所述的能量谱估计单元对混音后的单独音频文件及多路音频采集卡采集的信号进行能量功率的估算并确定声源发出的位置；
所述的数字信号处理控制单元针对估算确定的生源发出的位置信息进行信号转换处理进行绘制噪声图像，主要完成噪声源定位算法和噪声成像，所述的数字信号处理控制单元还分别与用户操作终端、所述显示模块和所述的预警模块连接，用于输出监测结果至用户操作终端和显示模块，以及在所述音频信号声压值大于预设阈值时输出预警指令至所述预警模块。
本发明中作为一个实施例每个所述的声压传感单元至少包括四个声压传感器，所述的声压传感器包括电容式驻极体话筒。
所述的能量谱估计单元确定声源发出位置的方法包括如下步骤：从理论上分析，传感器不少于3个就可以对声音源进行目标定位，我们首先将问题简化为在二维平面内对声音源的定位，在此基础上，再把算法推广到三维空间情形。在三维空间中，由于两个传感器确定一对双曲面，所以作为本发明的一个实施例至少需要四个传感器才能对目标进行定位。
假定四个传感器的空间位置为0,其中i＝0表示主传感器，i＝1,2,3表示辅传感器，目标的空间位置为(x,y,z)T，ri表示声源与第i传感器之间的距离，Δri表示声源到第i传感器与声源到(x0,y0,z0)T传感器之间的距离差，用方程表示为
对上式整理化简得：
由上式表示的方程构成了一个非线性方程组，为了求解这个方程组，首先将r0看作是一已知量，因此可以得到以下矩阵表达式：
X＝[x y z]T
对于四个传感器的时差定位，如果rank(A)＝3，则声源位置估计值为：
由上式可得目标位置的估计值为：
所述的数字信号处理控制单元包括STM32f103RC单片机和TMS320C6748单片机。所述的预警模块包括扬声器和警示灯，所述的数字信号处理控制单元分别连接所述的扬声器和所述警示灯。可以智能监测环境中突然出现的异常声音，并自动声光报警，提醒值守人员注意。同时，可以调用声音定位系统对新出现的异常声音进行定位，以判断异常设备。
还包括按键输入模块，所述数字信号处理控制单元与按键输入模块连接。所述的数字信号处理控制模块通过RS232串口或者自适应LAN连接用户终端。
使用本发明提供的系统，可以实现1.噪声准确检测定位，测试环境在封闭的室内，精度达到20～30厘米；2.噪声预警：监测到异常噪声后可以自动以声音或者其他方式报警，便于值班人员及时处置；3.噪声成像：监测到异常噪声后以更加直观的图像方式呈现给值班人员；4.设备安装方便，声压传感器可以以阵列形式在现场以一定的几何方位安装，处理平台和用户操作终端PC机位于值班机房。设备操作简便，易于维护。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，
包括至少一个声压传感单元、多路音频采集卡、混音单元、能量谱估计单元、数字信号处理控制单元、预警模块、按键输入模块及显示模块；
所述的多路音频采集卡分别连接各所述的声压传感单元，用于对声压传感单元的音频信号的同步采集；
所述的混音单元将所有的声压传感单元传输的音频文件及音频信号混音后合成单独的音频文件；
所述的能量谱估计单元对混音后的单独音频文件及多路音频采集卡采集的信号进行能量功率的估算并确定声源发出的位置；
所述的数字信号处理控制单元针对估算确定的生源发出的位置信息进行信号转换处理进行绘制噪声图像，所述的数字信号处理控制单元还分别与用户操作终端、所述显示模块和所述的预警模块连接，用于输出监测结果至用户操作终端和显示模块，以及在所述音频信号声压值大于预设阈值时输出预警指令至所述预警模块。
2.根据权利要求1所述基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，每个所述的声压传感单元至少包括四个声压传感器，所述的声压传感器包括电容式驻极体话筒。
3.根据权利要求2所述基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，所述的能量谱估计单元确定声源发出位置的方法包括如下步骤：
假定四个传感器的空间位置为0,其中i＝0表示主传感器，i＝1,2,3表示辅传感器，目标的空间位置为(x,y,z)T，ri表示声源与第i传感器之间的距离，Δri表示声源到第i传感器与声源到(x0,y0,z0)T传感器之间的距离差，用方程表示为
对上式整理化简得：
由上式表示的方程构成了一个非线性方程组，为了求解这个方程组，首先将r0看作是一已知量，因此可以得到以下矩阵表达式：
X＝[x y z]T
对于四个传感器的时差定位，如果rank(A)＝3，则声源位置估计值为：
由上式可得目标位置的估计值为：
4.根据权利要求1所述基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，所述的数字信号处理控制单元包括STM32f103RC单片机和TMS320C6748单片机。
5.根据权利要求1所述基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，所述的预警模块包括扬声器和警示灯，所述的数字信号处理控制单元分别连接所述的扬声器和所述警示灯。
6.根据权利要求1所述基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，还包括按键输入模块，所述数字信号处理控制单元与按键输入模块连接。
7.根据权利要求1所述基于声压传感器阵列的电气设备监测系统，其特征在于，所述的数字信号处理控制模块通过RS232串口或者自适应LAN连接用户终端。
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