東方智測ANC噪聲主動控制
一,、引言
電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，噪聲問題也是日益凸顯出來,。隨著城市用電量逐年增加,，許多高電壓、大容量的大型變壓器的安裝地點(diǎn)正逐漸靠近甚至進(jìn)入到市內(nèi),。特別是近來,，由于城區(qū)的不斷擴(kuò)大以及城市電網(wǎng)改造的需要，一些變電站有時(shí)要建在靠近居民區(qū)處,，實(shí)測數(shù)據(jù)表明,，大容量變壓器連續(xù)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的噪聲高達(dá)80~100分貝，這對人們的正常生活和工作產(chǎn)生了極為嚴(yán)重的影響,，變壓器噪聲的控制已是刻不容緩,。
國外一些大型電力變壓器制造公司如西屋公司和通用電氣公司以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)早在20世紀(jì)30年代就開始對變壓器噪聲問題進(jìn)行了研究，工作涉及變壓器振動和噪聲機(jī)理,、聲學(xué)特性,、降噪措施等諸多方面，研究成果大多來自試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),。國內(nèi)對變壓器振動和噪聲的試驗(yàn)研究工作要比歐美一些發(fā)達(dá)國家晚得多,，直到1980年前后，國內(nèi)一些電力研究院所和變壓器制造公司才陸續(xù)開展這方面的工作,。就研究內(nèi)容而言,，大多數(shù)工作集中在引進(jìn)和消化國外的技術(shù)，具有原創(chuàng)性的成果極少,，更深層次的基礎(chǔ)理論研究尚屬空白,。
有源噪聲控制(Active Noise Control, ANC)，也稱有源降噪、有源消聲,，是指使用人為地,、有目的地產(chǎn)生的次級聲信號去控制原有噪聲的概念方法。有源消聲這一概念最早由美國Paul Lueg提出,，并在1934年申請專利,，他根據(jù)Yong氏干涉原理提出了利用聲波的相消性干涉來降低噪聲的方法；之后直到50年代電子技術(shù)的發(fā)展,，Olson,、Conover等才根據(jù)Lueg的想法設(shè)計(jì)出有源降噪的實(shí)驗(yàn)裝置；70年代結(jié)合先進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù),，Jessel,、Swinbanks等在一維管道有源降噪研究方面有了穩(wěn)步的發(fā)展；80年代后,，隨著高速信號處理器的出現(xiàn),，有源降噪開始向自適應(yīng)、三維消聲方向發(fā)展,。有源降噪發(fā)展至今,，歷經(jīng)“設(shè)想—試驗(yàn)—理論工作實(shí)用化研究”的發(fā)展過程，已經(jīng)在多領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果,。
電力變壓器有源降噪技術(shù)是三維有源消聲技術(shù)的具體應(yīng)用,，研究內(nèi)容主要包括：噪聲振動機(jī)理研究、噪聲輻射模型研究以及有源降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究等,，內(nèi)容涉及電磁學(xué),、力學(xué)、聲學(xué)以及材料學(xué)等,，是具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉性的綜合性問題,。
電力變壓器噪聲特點(diǎn)如圖1所示，主要集中在100Hz,，200Hz,，300Hz，400Hz,，500Hz,，600Hz，700Hz,，800Hz,，900Hz，1kHz,，1.1kHz，1.2kHz，1.3kHz,，1.4kHz,，1.5kHz。
圖1 電力變壓器噪聲特點(diǎn)
目前,，電力變壓器有源降噪做的最好的為我國的南京大學(xué),，但只降了一個(gè)頻率成份100Hz，如圖2所示,，也沒有考慮多點(diǎn)偶合的情況,，還沒到實(shí)用階段。
圖2 通過有源降噪消去100Hz噪聲
有源降噪中,，低頻容易抵消,，因其變化速度慢。難的是高頻信號,。
二,、變壓器ANC特點(diǎn)
- 硬件指標(biāo)：
? 采用NI PCI 4461, 2路24位AD，量程-42到42V,， -10到10V,，-4.2到4.2V, -1.到1.V等六檔，動態(tài)范圍大于110dB,，采樣率每路204.8kHz,。有AC，DC輸入方式,，電壓和ICP輸入類型,。程控濾波陡度大于300dB/oct。
? 2路24位DA,，量程-10到10V,，動態(tài)范圍大于110dB，采樣率每路204.8kHz,。
- ANC軟件特點(diǎn)：
? AD和DA的采樣速率均為40.96kHz
? 閉環(huán)時(shí)間： 0.1s
? 可通過兩個(gè)音箱,，同時(shí)對兩點(diǎn)聲壓信號進(jìn)行控制?？刂茣r(shí)可以考慮耦合的影響,，進(jìn)行解耦。
? 可抵消100Hz,，200Hz,， 300Hz，…,，到1.5kHz的變壓器噪聲,。頻率個(gè)數(shù)可選,。低消后原來幅值可下降3~30dB。
? 控制時(shí)可同時(shí)實(shí)時(shí)顯示兩路聲壓,，當(dāng)前的狀態(tài),，三分之一倍頻程譜?？蛇x擇A計(jì)權(quán)及線性計(jì)權(quán),。
? 可選擇顯示聲壓原始波形的時(shí)域，頻域,。顯示點(diǎn)數(shù)可變,。
? 操作極其簡單，除首次進(jìn)入軟件時(shí)需要進(jìn)行采樣通道的參數(shù)設(shè)置外,，以后每次進(jìn)入軟件,，只要按“開始”按鈕開始控制，按“停止”按鈕停止控制,。
- 安全特點(diǎn)：
? 當(dāng)單頻驅(qū)動電壓幅值超過事先設(shè)置的最大值時(shí),，控制自動停止，10秒后重新進(jìn)行標(biāo)定,，再進(jìn)行控制,。當(dāng)音箱或聲探頭位置在控制過程中發(fā)生改變，或者功放增益改變時(shí),，有可能發(fā)生這種情況,。
? DA信號發(fā)出之前，經(jīng)過8階的切比雪夫帶通濾波器,，保證控制過程中音箱不發(fā)出高頻信號,。
? 每次控制前檢查音箱是否發(fā)聲。
三,、儀器的連接及系統(tǒng)組成
儀器的連接如圖3所示,。
兩路DA信號分別接入功放的VCR/BGB左右聲道，第一路DA接到左聲道,，第二路DA接到右聲道,。左聲道信號輸出到音箱1，右聲道信號輸出到音箱2,。
第一路AD連接到聲探頭1,，第二路AD連接到聲探頭2。聲探頭1靠近音箱1,，聲探頭2靠近音箱2,。
使用時(shí)，打開功放電源,，將功放增益調(diào)到合適的位置,。功放增益的合適位置和需要控制的背景噪聲大小以及音箱和聲探頭的距離有關(guān),。控制開始前,，會在兩個(gè)音箱分別發(fā)出一連串的單頻信號,，測量頻響函數(shù)，合適的增益位置應(yīng)當(dāng)是發(fā)第二遍單頻信號時(shí),，靠近發(fā)聲音箱的聲探頭聲壓增加20到30dB。因功放增益同時(shí)控制兩個(gè)聲道,，可通過改變聲探頭與音箱的距離,，使兩個(gè)聲探頭在測頻響函數(shù)時(shí)，聲壓的增量大致相當(dāng),。
四,、算法驗(yàn)證
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五,、現(xiàn)場施工及儀器安裝
圖4為安裝前現(xiàn)場，將中間沙土地改成混凝土并找平,，安裝兩根平行間距為20公分的槽鋼用來固定防水的音箱機(jī)柜,。
圖4 系統(tǒng)安裝前現(xiàn)場
音箱及聲探頭的現(xiàn)場安裝如圖5和圖6，共有4個(gè)音箱,，每次用兩個(gè)就可以,，另外兩個(gè)備用。聲壓探頭和音箱的距離在1米左右,。聲壓探頭裝有風(fēng)球避免刮風(fēng)影響控制的效果,。
圖5 音箱及聲探頭的現(xiàn)場安裝
圖6 音箱及聲探頭的現(xiàn)場安裝
控制系統(tǒng)和功放在室內(nèi)，主機(jī)放在桌子下面,，如圖7,。主機(jī)插有一塊NI PCI4461的卡，有兩路DA和功放的左右聲道相連,，有兩路AD連接聲探頭,。聲探頭連接有電荷轉(zhuǎn)換成電壓的調(diào)理器，只要在采集時(shí)將偶合方式設(shè)成ICP,，即可對調(diào)理器進(jìn)行供電,。
兩個(gè)聲壓傳感器配有一個(gè)手持式聲壓標(biāo)定裝置，以保證聲壓測量的準(zhǔn)確性,。
圖7 主機(jī)及功放
軟件操作極其簡單,，只要選中偶合,，按開始控制命令鍵即可。操作手冊對儀器的連接,，操作,，原理，注意事項(xiàng)有詳細(xì)的說明,。
六,、現(xiàn)場實(shí)際控制的效果
圖13和圖14為現(xiàn)場降噪前和降噪后對應(yīng)的聲壓。
圖13 降噪前
圖14 降噪后
七,、結(jié)論
本系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的不同之處是首先測量音箱到聲探頭之間的次級聲源頻響函數(shù)矩陣,，這個(gè)頻響函數(shù)矩陣在系統(tǒng)為線性時(shí)是確定不變的，符合實(shí)際情況,。并能考慮多個(gè)音箱與多個(gè)聲探頭之間的偶合,，可同時(shí)降低多點(diǎn)的聲壓。這個(gè)頻響函數(shù)矩陣只要測量精度在一定范圍之內(nèi),，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的,。
實(shí)際的控制效果是兩點(diǎn)的多個(gè)單頻信號同時(shí)得到了控制，每點(diǎn)的總聲級下降了近10dB,。特別是能考慮多點(diǎn)偶合的情況,，很容易將兩點(diǎn)擴(kuò)充到三點(diǎn)及三點(diǎn)以上的多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行控制，這和一點(diǎn)單獨(dú)控制有本質(zhì)的區(qū)別,。
根據(jù)當(dāng)前的參考文獻(xiàn),，本系統(tǒng)在電力變壓器有源降噪所達(dá)到的水平，超過了國內(nèi)外所有同類產(chǎn)品的水平,。