GIS擊穿現場實驗初步分析

喬亮

摘要;本文對GIS擊穿現場實驗進行了初步分析，從擊穿聲傳播時間、擊穿聲頻譜、仿真及聲源定位幾個方面做了詳細的介紹，通過分析比較，得出實驗與仿真結果基本一致。

[關鍵詞] 擊穿聲;GIS

為了探索現場GIS擊穿聲場分布規律，在某電科院GIS大廳進行GIS現場擊穿試驗，在大廳內布置12個麥克風傳感器。位置如圖1，具體坐標位置如表1。

圖1表1現場測試麥克風測點位置圖

圖2 現場測點布置圖

1背景噪聲分析

為了確保噪聲定位時噪聲信號的有效性，需要確保擊穿噪聲的聲壓級比背景噪聲高10dB以上，因此在測試擊穿噪聲前測試環境背景噪聲。測試結果如下表3，背景噪聲源主要有兩處，室外噪聲和數據采集儀風扇聲源。12號點接近大門口，數據采集儀在8號點和9號點之間。因此7-9號點受風扇噪聲影響，10-12號點受室外噪聲影響。

2擊穿聲傳播時間分析

圖3 GIS擊穿聲信號波形

實驗受噪聲干擾極小可忽略不及、無需去噪，應用時差定位法采用四傳感器為基本定位單元對放電位置進行空間定位。

時差定位法：

圖4基于時差法的信號源空間定位

即：

其中，為信號源到傳感器x、y距離差，由信號源到傳感器x、y的時間差乘信號的傳播速度可得，在信號波形上選取標定時刻做差得到時間差。

基于四個傳感器的空間定位要求傳感器處于同一平面，分別選取編號為1、2、5、8;1、2、5、7的兩組傳感器對聲源進行定位。進行時延估計時，選取各傳感器接收信號幅值的1/6處、1/4處及1/2處所對應時刻為標定時刻，將標定時刻相減得到估計時延用于聲源定位，定位時聲速以空氣中經驗聲速為準取值340m/s。

定位方程為二次方程，故每個方程組均有兩組解，關于傳感器所在的平面對稱，但其中一組坐標在管外舍去，定位結果單位為米，如表4所示：

本次定位測試中聲源坐標為（0，0，0），采用基于四傳感器的時差定位法對聲源進行定位，定位時涉及到的主要問題有：時延估計及聲速取值問題。進行時延估計時需在信號上選取特征值進行時刻標定，觀察聲信號波形特點，選取擊穿直達聲首上升沿作為標定時刻，分別以波形幅值的1/4、1/2及1/6所對應時刻作為標定時刻進行時延估計，根據經驗選取聲速為340m/s來定位聲源，定位誤差在15cm以內，且標定時刻越接近幅值時定位精度越高。時差法定位準確，但是實際應用中時間同步很難做到。

3擊穿聲頻譜分析

對聲音信號處理通常有寬帶和窄帶兩種處理方法，寬帶處理方法一般有倍頻程和1/3倍頻程兩種。寬帶處理方法源于人耳對聲音的靈敏度，頻率越高，人耳對頻率分辨度越差。因此，寬帶處理通常使用倍頻程來處理，即兩個頻率相比為2的聲音間的頻程，倍頻程之間為八度的音高關系，即頻率每增加一倍，音高增加一個倍頻程。例如下圖中選取的頻率區間是低音6#到中音6#所對應的琴鍵，中間剛好相差八個鍵，即八個音符。

圖5倍頻程處理方法

如果在一個倍頻程的上、下限頻率之間再插入兩個頻率，使 4個頻率之間的比值相同（相鄰兩頻率比值=1.25992倍）。這樣將一個倍頻程劃分為3個頻程，稱這種頻程為1/3倍頻程。

1/3倍頻程通常使用在環境噪聲領域，用于評價對噪聲人類生活的影響。因此，寬帶信號處理方法相對于窄帶處理方法而言，精確度有所欠缺。

窄帶分析方法就是傳統的傅里葉變換（FFT）分析方法，用窄帶分析方法處理后的頻譜圖也是指數衰減曲線，與以往論文研究一致。如圖所示，對用窄帶和寬帶處理方法對2號和3號點的擊穿瞬間聲音進行頻譜分析，可以看出寬帶處理方法，在低頻處很低，有滯后性。

圖6寬帶與窄帶處理方法對比

對低中高頻率（10、100、1000Hz）成分隨時間變化曲線，爆炸發生在0.167s，由圖可知。寬帶信號的頻率成分相對爆炸時間有滯后性，而且頻率越低滯后越嚴重。因此采用窄帶方法進行信號處理。

圖7寬帶處理方法各頻段分量隨時間變化

窄帶分析方法就是傳統的傅里葉變換（FFT）分析方法。由圖可知，頻率越高衰減越快，且低頻聲音反射劇烈。因此，為了避免反射聲的影響，主要拾取直達聲做分析進行定位。

圖8窄帶處理方法各頻段分量隨時間變化

4仿真分析

根據現場尺寸位置，建立現場聲學模型。地板、天花板和四面墻面均為反射面，在預知擊穿處設置一個點聲源。分別發出25Hz、125Hz、975Hz的單頻噪聲，求解理想狀態下的噪聲分布。利用聲線法進行計算。

圖9 空間聲學模型

圖10 125Hz單頻噪聲分布

聲源是各向同性的點聲源，點聲源聲壓級理論上呈圓球狀向外衰減。從結果可以看出，云圖呈橢錐狀向外衰減，原因是聲音在管道內形成空腔混響。從而導致聲源變成類似長條線聲源。沿管道長度方向的傳播得到加強。

5聲源定位分析

聲功率是聲源發出的總功率，等于聲強在聲能流方向垂直表面上的面積分，即

聲壓或聲強表示的是聲場中聲波的點強度，對于非平面波一般聲場，他們隨測點至聲源距離的增加而減小同時還受到周圍聲學環境（比如房間邊界反射引起混響效應）的影響。

在聲功率不變的情況下，隨著距聲源距離的增加，聲能流方向垂直表面積增加，因此聲壓和聲強隨距離減小。因此，我們利用此原理進行噪聲源定位。另外，大氣對聲音的吸收也會對聲壓和聲強有衰減。對于熱而比較干燥的夏天空氣，頻率3000Hz的聲衰減是0.14dB/m，頻率10000Hz的聲衰減是0.48dB/m。

因此，利用各點聲音窄帶單頻幅值來推算聲源點位置。為了避免外界可能帶來的噪聲干擾，采用低中高頻率（25、125、975Hz）三種頻率成分的信號進行識別。如果沒有外界噪聲干擾，三種頻率成分信號識別的結果應該一致。如表5所示，將每種頻率下各點的幅值在空間上插值成空間聲場分布圖，可以看出，三種頻率下識別的聲源位置大致都在7號測點位置，與實際聲源位置有一定距離，原因可能是擊穿位置在管路中心線靠左側區域，而不是在中心線上，導致管路左側聲振強度比右側大，因此左側輻射強度大于右側，造成聲源傳播帶有明顯的指向性，而不是類似點聲源各個方向均勻傳播。

表5 聲壓級強度判斷聲源位置圖

25Hz 125Hz 975Hz

為了進一步說明驗證仿真與實驗出現差別的原因，對傳播衰減特性進行驗證。由于12號點在門口，沒有反射面，與仿真條件差別很大。因此，選取7號點和11號點的聲壓級衰減進行對比，結果如表6所示。可以看出，仿真和實驗結果很接近。說明聲學仿真邊界條件設置與實際比較接近，差別可能是由于聲源本身所導致的。

將聲源偏移至管壁左側，不放置在管中間，進行仿真，如圖11所示，可以看出中心聲壓級中心熱點有所偏移，偏移至聲源的左下方。說明實際聲源可能是在管中心偏左位置，引起了管壁的強烈振動，導致左邊聲壓級高于右邊，引起聲壓級熱點中心相對聲源向左下偏移。

圖11 聲源偏左仿真結果

6結論

經過試驗分析可得出以下結論：

擊穿聲源時域信號為指數衰減信號，其頻域曲線也是呈指數衰減趨勢;

窄帶頻域處理方法比寬帶處理方法更加準確;

利用時差法定位較準確，但是實際裝置中很難將時間同步;

利用聲壓級強度進行聲源定位的方法，各頻率下的判斷結果一致，但由于聲源不位于管中間，導致聲壓級熱點中心相對于聲源向左下偏移，實驗與仿真結果一致。