本發(fā)明涉及一種用于變壓器降噪的非集中式虛擬聲屏障，在房間開口面附近布放控制聲源，在控制聲源正前方對應(yīng)布放誤差傳聲器，降低通過開口向外輻射的變壓器噪聲且不影響開口的自然通風(fēng)采光，由于各通道獨(dú)立運(yùn)行，饋給每個控制聲源的控制信號僅依賴于其對應(yīng)的誤差傳感器，系統(tǒng)運(yùn)算量小，便于多通道擴(kuò)展。

二、

背景技術(shù)：

虛擬聲屏障是一種有源噪聲控制系統(tǒng)，通常由誤差傳聲器陣列，控制聲源陣列，有源控制器已及外圍電路構(gòu)成。在噪聲傳播路徑上布放虛擬聲屏障，通過自適應(yīng)算法更新產(chǎn)生饋給控制聲源的控制信號，控制誤差傳聲器處的聲壓，從而控制誤差傳聲器包圍區(qū)域內(nèi)的聲場以及通過誤差傳聲器覆蓋面積傳播的聲能量。

ZL200510094336.X公開了一種由16個控制聲源和16個誤差傳聲器組成的虛擬聲屏障，誤差傳聲器包圍噪聲待控制的區(qū)域周圍，控制聲源分布在誤差傳聲器陣列外圍，可在人頭大小的待保護(hù)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的低頻降噪效果(700Hz以下)。該系統(tǒng)取所有誤差傳聲器處的聲壓平方和為代價函數(shù)，需要把所有誤差傳聲器測得的信號輸入多通道的有源控制器，計算饋給各個控制聲源的控制信號。所以系統(tǒng)的運(yùn)算量隨通道數(shù)的平方增加，此外所有的線纜都要接入多通道控制器，在多通道擴(kuò)展時復(fù)雜度高，難以實(shí)施。

ZL201220251419.0公開了一種多通道有源控制系統(tǒng)，指出該系統(tǒng)可分布在需要對大型設(shè)備噪聲進(jìn)行控制的區(qū)域內(nèi)，對于控制聲源的饋入信號，僅簡單描述為由誤差傳聲器陣列的反饋信號優(yōu)化控制器輸出，使噪聲受控區(qū)域的降噪效果最優(yōu)，并未給出實(shí)施時控制聲源饋入信號的具體獲取方式，此外也沒有給出控制聲源與誤差傳聲器間距的獲取方式。

ZL201410277150.7公開了一種用于變壓器低頻噪聲的虛擬聲屏障，多通道有源控制器基于誤差信號和參考信號進(jìn)行多通道全耦合計算生成控制信號，并將所述控制信號傳輸至所述外圍電路，控制室內(nèi)變壓器通過開口向外輻射噪聲中100Hz和200Hz的單頻分量。該虛擬聲屏障中控制信號的產(chǎn)生與ZL200510094336.X一致，都是采用了集中式的方式，系統(tǒng)運(yùn)算量大，接線復(fù)雜。

對一個0.432m×0.670m的開口，仿真和實(shí)驗(yàn)證明使用6個控制聲源和12個誤差傳聲器組成集中式的平面虛擬聲屏障，即可實(shí)現(xiàn)對500Hz以下噪聲的有效控制(S.Wang，J.Tao，X.Qiu，Performance of a planar virtual sound barrier at the baffled opening of a rectangular cavity，Journal of the Acoustical Society of America，138，2836-2847，2015)。與傳統(tǒng)聲屏障相比，平面虛擬聲屏屏障既能有效降低內(nèi)部聲源通過開口向外的聲輻射，同時還保留了開口的自然通風(fēng)采光功能。進(jìn)一步的研究(J.Tao，S.Wang，X.Qiu，J.Pan，Performance of an independent planar virtual sound barrier at the opening of a rectangular enclosure，Applied Acoustics，105，215-233，2016)表明，非集中式的虛擬聲屏障能夠進(jìn)一步減少系統(tǒng)的復(fù)雜度且具有更快的收斂速度，但會面臨系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。

電力變壓器的噪聲主要由低頻諧波分量構(gòu)成，在100Hz及其整數(shù)倍頻會出現(xiàn)明顯的線譜噪聲?？紤]電力變壓器的實(shí)際尺寸，即使其位于房間內(nèi)僅需在房間開口實(shí)施虛擬聲屏障，往往也需要數(shù)以百計的通道數(shù)，如果使用集中式系統(tǒng)，由于復(fù)雜度和成本的制約難以實(shí)際實(shí)施。針對變壓器噪聲的頻譜特點(diǎn)，設(shè)計控制聲源與誤差傳聲器的間距，使用非集中式的虛擬聲屏障是一條可行的實(shí)施方案。

本發(fā)明針對房間開口面積較大，需要較多通道的應(yīng)用場合，提出了一種用于變壓器降噪的非集中式虛擬聲屏障，對室內(nèi)變壓器通過開口向外輻射的噪聲進(jìn)行控制。由于各通道獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)整體復(fù)雜度低，此外無需將所有的線纜都集中連接到控制臺(或多通道的有源控制器)，接線簡單，便于多通道擴(kuò)展。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于變壓器降噪的非集中式虛擬聲屏障，在開口附近布放控制聲源和誤差傳聲器的平面陣列，誤差傳聲器位于控制聲源正前方，兩者一一對應(yīng)。通過誤差傳聲器和控制聲源的間距優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)每個通道的獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，降低變壓器通過開口向外輻射噪聲中100Hz和200Hz附近的線譜分量。該系統(tǒng)復(fù)雜度低，接線簡單，便于多通道擴(kuò)展。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

A)測量獲取開口的寬度W和高度H；

B)根據(jù)開口的寬度W和高度H以及待控頻率上限確定控制聲源的數(shù)目N，原則是相鄰控制聲源的間隔不超過最高控制頻率的1/2波長，確定數(shù)目后綜合考慮揚(yáng)聲器的尺寸將N個控制聲源均勻布放在開口平面上；

C)根據(jù)控制源的位置，式(1)已及式(2)，利用自由空間的格林函數(shù)生成不同誤差傳聲器和控制聲源間隔下的傳遞函數(shù)矩陣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)$

式中波數(shù)k＝2πf/c，f為頻率，c為空氣中的聲速，r_ij為第i個控制聲源到第j個誤差傳聲器的距離，L_ij為第i個控制聲源到第j個誤差傳聲器在垂直投影面上的距離，d為控制聲源到誤差傳聲器的水平間距離。

計算矩陣(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值實(shí)部的最小值，其中β^I為約束控制聲源輸出的權(quán)系數(shù)矩陣，Z^I為傳遞函數(shù)矩陣Z的對角元素組成的對角矩陣。根據(jù)特征值實(shí)部最小值必須大于0的判據(jù)以及待控頻率，確定系統(tǒng)穩(wěn)定工作要求的間隔d的取值范圍；

D)根據(jù)控制聲源的數(shù)目與位置，確定控制聲源與其對應(yīng)誤差傳感器的間隔的取值范圍，在控制聲源前方布放誤差傳聲器；

E)實(shí)際測量控制聲源到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)穩(wěn)定性的需要可以逐步減小控制聲源與其對應(yīng)誤差傳感器的間隔，直至系統(tǒng)在待控的頻率處滿足穩(wěn)定性判據(jù)；

D)搭建非集中式虛擬聲屏障系統(tǒng)，包括控制聲源、誤差傳聲器、多個單通道自適應(yīng)有源控制器和外圍電路。誤差傳聲器的輸出經(jīng)外圍電路放大后作為控制器的輸入信號，用參考傳感器(傳聲器或加速度計)拾取與初級噪聲相關(guān)的信號作為參考信號，控制器產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)外圍電路放大后作為控制聲源的輸入信號控制其發(fā)聲，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

本發(fā)明的有益效果是：可對開口輻射聲進(jìn)行有效控制且不影響房間的自然通風(fēng)和采光，系統(tǒng)復(fù)雜度低，接線簡單，便于多通道擴(kuò)展。

四、附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的非集中式虛擬聲屏障示意圖。

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例的俯視示意圖。

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中非集中式虛擬聲屏障照片。

圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例中理論預(yù)估特征值實(shí)部最小值隨控制聲源和誤差傳聲器的間隔的變化曲線。

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例中根據(jù)實(shí)測傳遞函數(shù)計算得到的特征值實(shí)部最小值隨頻率的變化曲線。

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例中評估場點(diǎn)處100Hz降噪量的空間分布。

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例中評估場點(diǎn)處200Hz降噪量的空間分布。

五、具體實(shí)施方式

如圖2所示，某變電站內(nèi)有兩臺變壓器分別安置于兩個隔絕的房間內(nèi)，在變壓器A的開口處實(shí)施非集中式虛擬聲屏障，而對變壓器B的開口不作任何處理。評估非集中式虛擬聲屏障降噪效果的場點(diǎn)設(shè)置在變壓器開口正前方5.00m范圍內(nèi)，高度取1.20m，共計55個點(diǎn)。如圖3所示，變壓器A正面開口尺寸為8.30m(W)×6.20m(H)。為了實(shí)現(xiàn)100Hz和200Hz附近的噪聲峰值，非集中式虛擬聲屏障中的控制聲源布放在開口面附近。

設(shè)定待控頻率上限200Hz，取空氣中聲速340m/s，確定相鄰控制聲源的間隔不大于0.85m。根據(jù)開口的寬度8.30m和高度6.20m，兼顧控制聲源的實(shí)際尺寸(0.25m×0.25m)，確定在開口寬度方向上按0.80m的間隔均勻布放11個控制聲源，在高度方向上按0.70m的間隔均勻布放4個控制聲源，共計44個。

頻率選取為100Hz和200Hz，根據(jù)上文中式(1)和式(2)生成不同誤差傳聲器和控制聲源間隔下的傳遞函數(shù)矩陣Z。計算矩陣(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值實(shí)部的最小值(其中β^I取0)，結(jié)果如附圖4所示。由附圖4可發(fā)現(xiàn)間距d小于0.4m時，特征值實(shí)部均大于0，此時非集中式系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

考慮支架的制作，實(shí)際實(shí)施時控制聲源和誤差傳聲器的間隔取0.2m，安裝44個誤差傳聲器，現(xiàn)場測量低于500Hz的傳遞函數(shù)矩陣Z，并再次計算矩陣(Z^I)^HZ+β^I的所有特征值實(shí)部的最小值，結(jié)果如附圖5所示。由附圖5可看出在100Hz和200Hz處特征值實(shí)部最小值大于0，系統(tǒng)滿足穩(wěn)定要求。

將固定好的控制聲源和誤差傳聲器通過外圍電路連接至44個單通道的自適應(yīng)控制器，參考信號為控制器內(nèi)部生成的100Hz和200Hz的單頻信號，控制器運(yùn)行Filterd-x LMS算法，采樣率設(shè)為1000Hz，濾波器系數(shù)為88階，整個系統(tǒng)運(yùn)行前后100Hz和200Hz的聲壓級及降噪量分別見附圖6和附圖7。如附圖6所示，100Hz時非集中式虛擬聲屏障的最大/最小降噪量分別為23.8dB和-10.1dB，大部分場點(diǎn)的降噪量為正值，出現(xiàn)負(fù)降噪量的原因在于變壓器B的開口未作任何處理。如附圖7所示，200Hz時降噪量為正值的場點(diǎn)數(shù)目變少，系統(tǒng)的最大降噪量為18.8dB。

本發(fā)明通過在開口面布放非集中式虛擬聲屏障，對位于開口空間內(nèi)部的變壓器經(jīng)開口向外輻射的100Hz和200Hz的噪聲分量實(shí)現(xiàn)了有效控制，且不影響光線和空氣的流通，該系統(tǒng)復(fù)雜度低，接線簡單，便于多通道擴(kuò)展。