虛擬聲屏障在變壓器低頻降噪中的實驗研究?

王素文　張松光　王淑萍　文衍廣　郭曙光陳鴻適　陶建成　邱小軍

（1汕頭供電局　汕頭　515000）

（2南京大學(xué)聲學(xué)研究所　教育部近代聲學(xué)重點實驗室　南京　210093）

虛擬聲屏障在變壓器低頻降噪中的實驗研究?

王素文1張松光1王淑萍2?文衍廣1郭曙光1陳鴻適1陶建成2邱小軍2

（1汕頭供電局汕頭515000）

（2南京大學(xué)聲學(xué)研究所教育部近代聲學(xué)重點實驗室南京210093）

在開口處布放若干揚聲器和誤差傳聲器構(gòu)成虛擬聲屏障，可有效抑制室內(nèi)變壓器通過開口向外輻射的低頻噪聲。本文采用內(nèi)部合成參考信號的自適應(yīng)算法，搭建了15通道全耦合虛擬聲屏障系統(tǒng)。實驗室實驗表明在1.6 m×3.2 m的開口處搭建系統(tǒng)，距虛擬聲屏障10 m范圍內(nèi)100 Hz和200 Hz的降噪量分別為16.6 dB和7.7 dB。變電站現(xiàn)場測試表明，在2.0 m×2.7 m的開口處搭建系統(tǒng)，100 Hz、200 Hz和300 Hz的誤差點平均降噪量分別為12.7 dB、19.9 dB和22.2 dB，在開口輻射聲壓貢獻較大的范圍內(nèi)，虛擬聲屏障的降噪效果與單層封閉窗戶相當。相比于傳統(tǒng)被動降噪措施，采用虛擬聲屏障有助于室內(nèi)的自然通風(fēng)、采光和變壓器的散熱。

開口房間，虛擬聲屏障，變壓器，低頻噪聲

1　引言

電力變壓器是利用電磁感應(yīng)原理來改變交流電壓的裝置，其噪聲主要來源于鐵心，構(gòu)成鐵心的硅鋼片在交變磁場的作用下發(fā)生磁致伸縮，使鐵心做周期性振動而產(chǎn)生噪聲。電力變壓器噪聲以低頻線譜為主，頻率為工頻的偶數(shù)倍，主要集中在100 Hz、200 Hz和300 Hz［1］。傳統(tǒng)的隔聲、吸聲等方法可有效降低中高頻噪聲，但對低頻噪聲所需的治理成本較高，且通常要求使用封閉結(jié)構(gòu)，影響設(shè)備的通風(fēng)散熱。有源噪聲控制可彌補被動降噪方法的不足。

有源噪聲控制技術(shù)最早由德國的Leug在1933年提出［2］，原理是通過控制源產(chǎn)生與原始噪聲頻率相同、幅度相近、相位相反的聲波，與初級噪聲疊加，使兩者相互抵消，以達到降低空間噪聲的目的。1956年，Conover首先將有源消聲應(yīng)用于變壓器噪聲控制［3］，通過手動調(diào)節(jié)放大器，在誤差點處對120 Hz噪聲分量實現(xiàn)了25 dB的降噪，但有效的空間角度僅23°。1978年，Ross對變壓器噪聲進行有源控制，對100 Hz噪聲分量實現(xiàn)了20 dB的降噪，但對更高頻率的降噪僅局限在有限區(qū)域［4］。1998年，Martin等用8個控制源和10個誤差傳聲器對變壓器噪聲進行自適應(yīng)控制，用基因算法優(yōu)化傳聲器位置，100 Hz在全空間得到10—25 dB的降噪量，200 Hz在某些方向降噪量達到30 dB，但在某些角度內(nèi)聲壓級出現(xiàn)5—10 dB的增加［5］。1999年，Li和Qiu測量了變壓器的初級聲場和從控制源到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，用近場聲壓平方和作為代價函數(shù)，80個揚聲器作為控制源，96個誤差傳聲器處100 Hz、200 Hz和300 Hz的平均降噪量分別達到19.6 dB、12.8 dB和10.3 dB［6］。

由于變壓器體積較大，要對其輻射噪聲實現(xiàn)有效的全局控制，有源噪聲控制系統(tǒng)需要覆蓋其所有的輻射面，因此需要的通道數(shù)較多，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜且收斂慢。如果變壓器位于一面開口的房間內(nèi)，且房間墻壁的隔聲量足夠高，變壓器噪聲主要通過開口輻射到房間外，則可在開口面上安裝有源控制系統(tǒng)控制向外輻射的噪聲，此時系統(tǒng)需要的通道數(shù)和成本將顯著減少。

Ise采用有源阻抗控制原理對安裝在房間窗戶處的有源控制系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真。初級源和次級源均嵌在房間內(nèi)壁中，窗戶處安裝4個誤差傳聲器，只考慮二維聲場，可在房間外200 Hz為中心頻率的1/3倍頻程內(nèi)得到15 dB的平均降噪量，但同時房間內(nèi)的平均聲壓級升高了約2 dB［7］。2005年Ise利用邊界控制原理進行了有源隔聲窗實驗，控制通過窗戶輻射到室內(nèi)的噪聲，用16個次級源和16個誤差傳聲器構(gòu)成有源控制系統(tǒng)，每個通道進行獨立控制，當初級噪聲為200—700 Hz的寬帶噪聲時，室內(nèi)的平均降噪量達10 dB以上［8］。Huang等在2011年提出使用有源通風(fēng)隔聲窗來減少室外經(jīng)窗戶輻射到室內(nèi)的噪聲，數(shù)值仿真結(jié)果表明該有源隔聲窗的有效控制帶寬為390 Hz，實驗中各誤差點降噪量可達10 dB［9］。

虛擬聲屏障由若干控制聲源和誤差傳聲器組成，通過有源噪聲控制原理在指定區(qū)域內(nèi)降噪。該技術(shù)基于Kirchhoff-Helmholtz方程，即若某一空間內(nèi)部不存在聲源，則該空間內(nèi)任意一點的聲壓僅由該空間邊界上的聲壓和聲壓梯度決定，若邊界上聲壓和聲壓梯度處處為零，則空間內(nèi)部聲壓處處為零［10］。2005年，Qiu等將24個控制源和18個誤差傳聲器排成圓柱狀陣列，在誤差傳聲器圍成的封閉空間內(nèi)產(chǎn)生局部靜區(qū)，靜區(qū)內(nèi)部降噪量達到11 dB，同時還指出，對實際可行的虛擬聲屏障，控制聲源之間的距離通常為待控頻率對應(yīng)波長的1/3到1/2［11］。Zou等在2007年提出的圓柱狀分布的16通道虛擬聲屏障系統(tǒng)可在中低頻條件下產(chǎn)生人頭大小的靜區(qū)，降噪量達10 dB以上［12］。

上述虛擬聲屏障都是三維的，目標是在局部空間產(chǎn)生靜區(qū)。當變電站中的噪聲主要通過某一個開口向外輻射時，在開口面上布放次級源，次級源前方安裝誤差傳聲器，通過控制誤差傳聲器處的聲壓，就可以降低該開口向外空間的聲輻射，次級源與誤差傳聲器陣列以及控制電路就組成了虛擬聲屏障。本文實驗研究了虛擬聲屏障對通過開口向外輻射的低頻線譜噪聲的控制效果，特別是在某全封閉變電站的一面?zhèn)葔ι犀F(xiàn)場安裝了15通道的虛擬聲屏障，實測了其現(xiàn)場性能。本文屬于有源噪聲控制技術(shù)的工程案例，主要貢獻有兩點：一是現(xiàn)場確認實驗搭建的能夠自然通風(fēng)采光的虛擬聲屏障的隔聲效果與所替換掉的封閉單層玻璃窗相當；二是現(xiàn)場實驗驗證了不需要參考傳聲器的內(nèi)部合成參考信號自適應(yīng)算法的可行性。

2　系統(tǒng)描述

如圖1所示，虛擬聲屏障系統(tǒng)基于有源噪聲控制原理，由N個控制源、M個誤差傳聲器以及相應(yīng)的控制電路組成。圖1中控制機柜內(nèi)包括多通道自適應(yīng)噪聲控制器、濾波電路、功率放大器以及信號調(diào)理器，構(gòu)成控制電路。信號調(diào)理器將誤差傳聲器采集到的信號放大后饋入控制器，控制器的輸出信號經(jīng)功率放大器后饋給次級源（控制揚聲器）。控制器采用全耦合自適應(yīng)有源降噪算法［13］，參考信號為內(nèi)部合成的相應(yīng)頻率正弦信號［14］。

圖1　虛擬聲屏障系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the virtual sound barrier system

系統(tǒng)的代價函數(shù)為M個誤差傳聲器處的聲壓平方和

其中qs為次級源強度，等式右側(cè)第二項確保了qs不至于太大，使得系統(tǒng)可實現(xiàn)且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性［12］。系統(tǒng)的降噪量定義為P個評價點控制前后聲壓poff和pon平方和比值的對數(shù)值

3　實驗室驗證

在南京大學(xué)聲學(xué)研究所隔聲室對虛擬聲屏障的降噪效果進行測量。隔聲室長6.2 m，寬5.0 m，高3.9 m，隔聲室外有一條走廊，長10.1 m，寬1.8 m，高3.2 m，走廊一側(cè)有一扇門，門寬1.6 m、高3.2 m。用揚聲器模擬初級噪聲源，其位置在室內(nèi)距開口約2.0 m處，高度約0.5 m。在隔聲室的墻體隔聲量足夠大的條件下，初級噪聲主要通過開口向外輻射。開口處搭建15通道虛擬聲屏障系統(tǒng)，次級源在水平方向間隔約0.6 m，豎直方向間隔約0.7 m，15個誤差傳聲器位于對應(yīng)的次級源前方0.2 m處。15通道實驗系統(tǒng)照片見圖2。控制后15個誤差點100 Hz和200 Hz降噪量見表1。

圖2　隔聲室開口處15通道虛擬聲屏障系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 Photo of the 15-channel virtual sound barrier system at the opening of the sound insulation room

表1　15個誤差點100 Hz和200 Hz降噪量Table 1 The noise reduction for 100 Hz and 200 Hz at the 15 error microphones

表1中除誤差點13和誤差點8的100 Hz降噪量較小，分別為7.6 dB和11.7 dB外，其他誤差點的100 Hz降噪量均大于15 dB，最大為誤差點9，降噪量為24.8 dB。4個誤差點的200 Hz降噪量在10 dB以下，最小為誤差點10，其降噪量為2.4 dB，除這4個點外其他誤差點的200 Hz降噪量均在12 dB以上，最大為誤差點4，降噪量為25.9 dB。除15個誤差點外，還測量了遠場5個點降噪前后100 Hz和200 Hz聲壓級并計算了降噪量，結(jié)果見表2。5個測點的高度均為1.2 m左右，距開口的距離分別約為1 m、3 m、5 m、8 m和10 m。

表2中5個測點的100 Hz降噪量均在16 dB以上，且相差不大，測點5的降噪量最大，為21.3 dB。對200 Hz，測點1的降噪量最小，為7.7 dB，測點4和測點2的降噪量達到10 dB以上，分別為12.2 dB和14.4 dB。5個遠場測點的100 Hz降噪量均大于200 Hz。

表2　各測點100 Hz和200 Hz降噪前后聲壓級及降噪量Table 2 The sound pressure level before and after control and the noise reduction of 100 Hz and 200 Hz at the field points

隔聲室實驗的結(jié)果表明，當初級源位于室內(nèi)，噪聲主要通過開口向外輻射時，在開口處搭建虛擬聲屏障可在遠場實現(xiàn)對低頻線譜噪聲的有效控制。但實驗中初級噪聲為揚聲器輻射的單頻聲場，而在線運行的變壓器是一個復(fù)雜的體聲源，虛擬聲屏障對真實變壓器噪聲的控制效果需要在現(xiàn)場進一步確認。

4　現(xiàn)場實驗

15通道虛擬聲屏障現(xiàn)場實驗在廣東電網(wǎng)汕頭供電局220 kV廣興站進行，照片見圖3。現(xiàn)場共有2組變壓器位于相鄰的2個房間中，變壓器正對上下共2排窗戶，每排30扇，窗戶總長度約30 m，高度2.7 m，距離地面2.7 m。選擇2扇窗戶進行拆除，總面積2.0 m（W）×2.7 m（H），在該位置安裝虛擬聲屏障系統(tǒng)，控制變壓器由該開口向外輻射噪聲中的100 Hz、200 Hz和300 Hz的線譜成分。

圖3　廣興站現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Photos of the Guangxing substation

綜合考慮100 Hz、200 Hz、300 Hz聲壓級大小、現(xiàn)場環(huán)境和施工條件，拆除窗戶并安裝虛擬聲屏障的位置如圖4所示。

圖4　虛擬聲屏障安裝位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the position of the virtual sound barrier

現(xiàn)場虛擬聲屏障系統(tǒng)由換能器陣列和控制機柜組成，見圖5。換能器陣列包括次級源陣列和誤差傳聲器陣列兩部分。開口面積為2.0 m（W）×2.7 m（H），故搭建了15通道的虛擬聲屏障系統(tǒng)。次級源位于開口面上，在豎直方向和水平方向排成5×3的陣列，豎直方向自上而下間距依次為45.5 cm、48.5 cm、64.5 cm和64.5 cm，水平方向上均勻布放，間距約58.5 cm。15只誤差傳聲器分別位于對應(yīng)的次級源正前方1 m，組成誤差傳聲器陣列。

圖5　虛擬聲屏障系統(tǒng)Fig.5 The experimental setup of the virtual sound barrier system

4.1窗戶隔聲效果

在安裝虛擬聲屏障前，首先測量了關(guān)窗時虛擬聲屏障所在位置附近墻外側(cè)5 cm處聲壓級，測量面積10 m（W）×5.4 m（H），對應(yīng)圖4中0≤x≤10 m、0≤y≤5.4 m的部分，聲壓級分布圖見圖6（a）、6（c）、6（e）。窗戶拆除但還未安裝虛擬聲屏障時測量了相同平面的聲壓級，分布圖見圖6（b）、6（d）、6（f）。考慮到背景噪聲隨時間的隨機性，測試結(jié)果取10 s的線性平均值，噪聲頻譜中100 Hz、200 Hz和300 Hz線譜幅值穩(wěn)定且明顯高于背景噪聲的頻譜包絡(luò)。

圖6中開窗前后100 Hz聲壓級相差不大，即窗戶對100 Hz基本沒有隔聲效果。圖6中方框內(nèi)為虛擬聲屏障所在位置，可以看出，打開窗戶后開口處200 Hz和300 Hz聲壓級明顯升高，即開口輻射對200 Hz和300 Hz聲壓貢獻較大。此外選擇距開口1 m、3 m、5 m和7 m處作測試平面，每個平面內(nèi)取12個測點，豎直方向高度約為y=3.5 m、4.0 m、4.6 m和5.1 m，水平方向位置約為x=3.5 m、4.0 m和4.5 m。12個點的聲壓級作能量平均代表該測試平面的聲壓級，由此計算得到窗戶的100 Hz、200 Hz和300 Hz插入損失，見圖7。

圖7中對于給定頻率，插入損失隨距開口距離的增大而逐漸變小，距窗戶7 m處100 Hz和200 Hz插入損失基本降為0，300 Hz插入損失為5.5 dB，說明開口輻射聲壓的作用范圍集中在近場7 m以內(nèi)，再遠處聲壓由其他窗戶和通風(fēng)隔墻整體貢獻。對100 Hz，3 m處插入損失較小，5 m外插入損失為負值，即開口輻射的100 Hz聲壓僅在3 m以內(nèi)貢獻較大。因此下文對虛擬聲屏障降噪性能的測量局限于距離小于7 m的區(qū)域。在這個區(qū)域，窗戶的插入損失基本隨頻率的升高而增大，表明所研究的頻率范圍為窗戶的質(zhì)量控制區(qū)。

圖7　窗戶插入損失Fig.7 The insertion loss of the windows

4.2虛擬聲屏障降噪效果

實驗中次級源位于開口面上，比較了誤差傳聲器位于次級源正前方20 cm、50 cm和1 m這3種物理配置下的降噪量，發(fā)現(xiàn)誤差傳聲器離次級源1 m時降噪效果最好，此時15個誤差點的100 Hz、 200 Hz和300 Hz降噪量及其平均值見表3。

表3中100 Hz、200 Hz和300 Hz平均降噪量達到12.7 dB、19.9 dB和22.2 dB。100 Hz平均降噪量低于200 Hz和300 Hz的原因是初級聲場中100 Hz成分比200 Hz、300 Hz平均低1.0 dB和9.0 dB，誤差點1和13的100 Hz降噪量為負，原因是初級聲場中100 Hz線譜的聲壓級很低。有源控制器降噪的目標是把所有誤差點的對應(yīng)頻率噪聲降到本底，故在聲壓級很低的誤差點和頻率，相對降噪量不大。

實測100 Hz降噪量較小的另一個原因是其他窗戶和通風(fēng)隔墻對100 Hz的隔聲量較小。此時，即使虛擬聲屏障完全抑制了從開口向外輻射的噪聲，由于其他傳聲途徑的影響，殘余噪聲依然較大，故虛擬聲屏障在100 Hz的降噪能力沒有完全表現(xiàn)出來。而對300 Hz，其他窗戶和通風(fēng)隔墻對其隔聲量較大，開窗后300 Hz聲場主要從開口向外輻射，抑制從開口輻射的噪聲就可以顯著降低總噪聲，因此獲得的降噪量較大。

表3　誤差點降噪量（誤差傳聲器距次級源1 m）Table 3 Noise reductions at error points（The error sensors are 1 m in front of the secondary sources）

圖8給出了虛擬聲屏障的降噪量和窗戶的插入損失隨距離的變化曲線。圖8中可見，100 Hz距窗戶1 m處虛擬聲屏障降噪量為10.6 dB，比窗戶的插入損失高8.3 dB，該處虛擬聲屏障降噪量較大的原因是此時測點距窗戶1 m，其位置距誤差點很近，因此降噪量較大，這同時也證明虛擬聲屏障系統(tǒng)此時正常工作。隨著測點距窗戶距離的增大，100 Hz降噪量逐漸減小，原因是遠場的100 Hz聲壓級受其他傳聲途徑漏聲影響較大。由圖7可見由開口輻射的100 Hz聲場僅在3 m以內(nèi)貢獻較大，3 m外窗戶的插入損失為負值，故虛擬聲屏障對100 Hz的有效降噪范圍只限于3 m內(nèi)，在此范圍內(nèi)其降噪效果與窗戶相當，近場好于窗戶，3 m外虛擬聲屏障對100 Hz的降噪量為負值，控制后100 Hz聲壓級反而增大了，由于現(xiàn)場條件不方便，真實原因暫時不清楚。

圖8　虛擬聲屏障系統(tǒng)降噪量與窗戶插入損失的對比Fig.8 The comparison between the noise reduction caused by the virtual sound barrier and the insertion loss of the windows

對200 Hz，近場3 m以內(nèi)虛擬聲屏障降噪量高于窗戶插入損失，7 m處降噪量和插入損失基本相同，僅在5 m處虛擬聲屏障降噪量低于窗戶插入損失，基本可認為其對200 Hz的隔聲效果和窗戶相當。對300 Hz，虛擬聲屏障的降噪量與窗戶的插入損失基本相同。由于窗戶和通風(fēng)隔墻對300 Hz的隔聲效果較好，所以虛擬聲屏障對300 Hz的有效降噪范圍較大，離虛擬聲屏障較遠（7 m）處300 Hz降噪量仍在5 dB以上。

嚴謹?shù)乇碚魈摂M聲屏障的降噪效果應(yīng)首先對其他傳聲途徑（如窗戶、通風(fēng)隔墻等）進行隔聲處理，使得變壓器噪聲主要從開口輻射出去，然后考察遠場某些敏感點的降噪量。但由于變電站現(xiàn)場共2排窗戶，每排30扇、總長度30 m，且通風(fēng)隔墻面積較大（見圖4），對所有窗戶和通風(fēng)隔墻進行隔聲處理會影響室內(nèi)通風(fēng)散熱，實施難度大，故沒有進行處理。受這些傳聲途徑的影響，虛擬聲屏障對200 Hz和300 Hz的有效降噪范圍僅局限在距窗戶7 m以內(nèi)，對100 Hz僅限于3 m以內(nèi)，故無法給出更遠處的降噪量。但現(xiàn)場實驗驗證了虛擬聲屏障對真實變壓器低頻噪聲控制的可行性，檢驗了不需要參考傳聲器的自適應(yīng)算法，同時證明了在開口輻射聲壓貢獻較大的范圍內(nèi)，虛擬聲屏障的降噪性能基本等同于玻璃窗。

5　結(jié)論

基于不需要參考傳聲器的自適應(yīng)有源降噪算法，研制了15通道虛擬聲屏障系統(tǒng)。實驗研究了虛擬聲屏障對通過開口向外輻射的低頻線譜噪聲的控制效果。首先在某實驗室的隔聲室開口處搭建系統(tǒng)，遠場100 Hz和200 Hz的降噪量分別達到16.6 dB和7.7 dB；然后在變電站現(xiàn)場搭建系統(tǒng)，在誤差傳聲器距次級源1 m條件下，15個誤差點處的100 Hz、200 Hz和300 Hz平均降噪量分別為12.7 dB、19.9 dB和22.2 dB。由于未對現(xiàn)場其他傳聲途徑進行隔聲處理，虛擬聲屏障的降噪效果測量僅局限在開口輻射聲貢獻較大的近場7 m內(nèi)。現(xiàn)場測量表明，在此范圍內(nèi)200 Hz和300 Hz降噪量與現(xiàn)場單層封閉窗戶的插入損失相當，但采用虛擬聲屏障可基本保持室內(nèi)自然通風(fēng)和采光，有利于變壓器的散熱。

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Experimental study of applying a virtual sound barrier to reduce low-frequency noise of transformers

WANG Suwen1ZHANG Songguang1WANG Shuping2WEN Yanguang1GUO Shuguang1CHEN Hongshi1TAO Jiancheng2QIU Xiaojun2
（1 Shantou Power Supply Bureau，Shantou 515000，China）
（2 Key Laboratory of Modern Acoustics，the Institute of Acoustics，Nanjing University，Nanjing 210093，China）

Implementing a virtual sound barrier composed of loudspeakers and error microphones at the opening of a building works as an effective way to reduce the low-frequency transformer noise radiated outside. A 15-channel fully-coupled virtual sound barrier system is implemented which applies the algorithm with an internally synthesized

ignal.The experiments in the laboratory show that such a virtual sound barrier at the opening of 1.6 m×3.2 m achieved a noise reduction of 16.6 dB and 7.7 dB for tonal noise of 100 Hz and 200 Hz，respectively，within the area 10 m away from the virtual sound barrier.Measurements in a substation show that the average noise reduction at error points is 12.7 dB for 100 Hz，19.9 dB for 200 Hz and 22.2 dB for 300 Hz when the system is implemented at a 2.0 m×2.7 m opening，and the performance of the virtual sound barrier and the windows are almost the same within the area where sound radiated from the opening dominates the sound field.Compared with traditional passive noise control methods，the advantage of applying such a virtual sound barrier system is that it helps the ventilation and lighting of the building as well as the heat dissipation of the transformers.

Open buildings，Virtual sound barrier，Transformer，Low-frequency noise

O429

A

1000-310X（2015）06-0487-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.06.003

2015-02-17收稿;2015-04-25定稿

?國家自然科學(xué)基金項目（11104141，11474163）

王素文（1970-），男，廣東揭陽人，大學(xué)本科，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

E-mail：wangsp822105@126.com