基于超材料聲屏障的10 kV開關站噪聲控制

王 威，弓靜強，徐春盛

(國網浙江永康市供電公司，浙江 永康 321300)

0 引言

居民區附近安裝的10 kV開關站產生的噪聲可能對居民健康造成一定影響。受磁致伸縮效應影響，開關站在50 Hz交流頻率下，其低頻噪聲主要集中在100 Hz及其整數倍頻率處。當開關站內部設備運行狀態由于復雜環境條件引起運行異常時，產生的噪聲往往會超過標準限制[1-2]。因此，有必要研究10 kV開關站外部降噪措施。

現有研究顯示10 kV開關站噪聲主要集中在低頻頻段[3]。傳統的噪聲屏障對高頻噪聲的抑制效果較好，但對低頻噪聲的抑制效果較差[4-7]。空間螺旋聲學超材料的帶隙可以通過改變幾何特征將降噪特征頻率轉移到所需的頻率，從而起到對特定頻率噪聲進行降噪的作用[5-9]。

聲屏障的工作原理主要是讓噪音聲波部分穿透隔聲屏障，部分反射到隔聲屏障表面，其余聲波則繞行隔聲屏障后到達接收點[7，9-12]。因此，可以通過控制聲波經過上述3條傳播途徑的方式，以達到理想的降噪效果。

有源噪聲控制具有低頻降噪的特性，且具有體積小、成本低以及靈活性強等優點，因而被廣泛應用于變壓器降噪中[11-15]。因此，本文提出了一種結合聲學超材料噪聲屏障的有源噪聲控制系統。

1 聲屏障設計

1.1 聲屏障特性

本文對某地10 kV開關站進行噪聲測量，通過聲波方程傅里葉變換得到的噪聲歸一化光譜圖如圖1所示。由圖1可見，噪聲的頻率主要集中在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz，其中200 Hz的聲波歸一化振幅達到最大值。

圖1 10 kV開關站噪聲歸一化頻譜圖

在開關站障礙物附近存在一個噪聲明顯減弱的聲暗區，如圖2所示。聲暗區范圍是由噪聲頻率決定的，頻率越高，暗區范圍就越大。

圖2 聲屏障的暗區

用聲學超材料直接穿透聲屏障的方法可以有效抑制開關站噪聲，但聲屏障邊緣繞射的低頻噪聲仍然是影響聲屏障降噪效果的主要因素。聲屏障在高頻降噪效果比低頻降噪效果好得多，因此，抑制低頻聲波在聲屏障邊緣的繞射是提高聲屏障降噪性能的關鍵。本文引入Hilbert分形天線的概念來模擬Hilbert分形聲學超材料(HFAMM)，模擬結果表明，分形層次的增加會產生更多的帶隙，最低帶隙向低頻移動。HFAMM具有負折射率特性，在低頻段具有良好的降噪性能，適合作為10 kV開關站的噪聲屏障。聲屏障是由多個聲學超材料單元組成的。三階HFAMM結構單元原理如圖3所示。環氧基底板上設置了三階希爾伯特曲線型空氣通道，空氣通道兩端與外界相連。空氣通道是聲波傳播的路徑。該裝置是1個65 mm×65 mm×65 mm的立方體塊，空氣通道寬度為2 mm。

圖3 三階HFAMM原理

聲壓傳播系數為

(1)

pt為透射波的聲壓；pi為入射波的聲壓。

通常用傳遞損失衡量通過聲屏障的聲能衰減，傳遞損失(LTL)為

(2)

通過有限元軟件COMSOL Multiphysics 5.0進行仿真分析，發現b=2 mm的三階HFAMM在低頻段的傳輸損耗大于20 dB，如表1所示。在頻率為200 Hz時，傳輸損耗達到最大值29 dB。仿真結果是在入射波為平面波且不考慮聲波繞射的理想條件下得到的。在實際應用中，由于聲波分布的復雜性和障壁邊緣附近的衍射效應，聲波的傳輸損耗遠低于理論分析。仿真選定參數的聲學超材料在100 Hz及其整數倍頻率下仍表現出相對較好的隔聲特性。同時采用點聲源對聲學隔音屏障的降噪特性進行了試驗，得到的不同頻率下的聲波傳輸損耗如表1所示。

表1 三階HFAMM的LTL

由表1結果可知，本文設計的聲屏障能夠有效衰減不同頻率下的噪聲，不同頻率下聲屏障的聲波傳輸損耗在15～25 dB之間，驗證了聲屏障有效性。但是不同頻率下聲屏障衰減的程度不同，這是由聲屏障衍射造成的，因此，需要進一步對聲屏障參數進行分析優化。

1.2 聲屏障參數設計

基于噪音特性和聲學超材料特性，本文提出了噪聲控制與超材料聲屏障相結合的方法來抑制衍射聲波。本文運用的有源噪音控制系統主要由次級聲源和控制器組成，次級聲源由電聲裝置(如揚聲器)組成。次級聲源靠近聲屏障的邊緣布置，從而產生抵消聲波。控制系統如圖4所示。

優步平臺源數據包括行程起始時間、起始點坐標、行駛時間、行駛距離以及車型、車齡等參數信息。研究采用成都優步平臺提供兩組數據，一組為2016年2月22日到2月27日一周共884,412條出行數據進行分析，該組數據共包含了533種車型；第二組數據為優步（成都）平臺的所有凱美瑞系列車型的出行數據，包括不同車型年（2006-2016），8款車型(200E, 200G, 240E, 240G, 2.0E, 2.0G,2.5G, 2.0S)，自2014年6月至2016年8月期間的約710,000 條出行數據。

圖4 基于FxLMS的控制系統

第n時刻的初級聲源矢量為

x(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-N1+1)]T

(3)

第n時刻控制器的濾波器權重向量為

w(n)=[w(n),w(n-1),…,w(n-N1+1)]T

(4)

自適應控制器在n時刻的輸出為

y(n)=wT(n)x(n)

(5)

該控制器的目標是使誤差傳感器所在位置的誤差信號的聲壓級達到最小值。誤差傳感器測得的誤差信號為

e(n)=d(n)-s(n)*y(n)

(6)

s(n)為次路徑的脈沖響應；*表示線性卷積。

(7)

使用梯度下降法使均方誤差函數最小化，推導出FxLMS算法為

w(n+1)=w(n)+μae(n)x′(n)

(8)

Lp≈-20lg(p/p0)

(9)

p0=2×10-5Pa為參考聲壓；p為聲壓。給定測量點上的SPL，不含超材料聲屏障噪聲控制系統和含超材料聲屏障噪聲控制系統的聲壓級分別為Lp1和Lp2。由超材料聲屏障噪聲控制系統的補償效應導致的噪聲降低增量定義為

ΔLp=Lp1-Lp2

(10)

2 聲屏障應用試驗

目前，用于開關站降噪的聲學超材料仍處于實驗室驗證階段。因此，本文在實驗室搭建了超材料聲音屏障降噪實驗系統，以驗證本文提出的聲屏障有源噪聲控制方法的可行性。實驗系統由初級聲源、超材料聲屏障和控制系統組成。使用低頻揚聲器作為初級聲源，初級聲源與變壓器噪聲的頻譜一致，其產生的噪聲頻率集中在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz。超材料聲屏障由多個三階HFAMM有序排列而成。聲屏障與初級聲源之間的距離Dpb為20 cm。操作系統由1個基于FxLMS的控制器、功率放大器、參考和誤差傳感器、2個次級聲源，以及1個用于測量和分析聲壓的噪聲分析儀組成。超材料聲屏障位于初級聲源前方，距離初級聲源表面約20 cm。

實驗系統測量模型俯視圖如圖5所示，2個次級聲源位于聲屏障的兩側。初級聲源與次級聲源方向的夾角為45°。初級聲源和次級聲源之間的距離Dps為45 cm。次級聲源產生的聲波的振幅和相位由控制器控制，以抵消在聲屏障邊緣繞射的聲波。在降噪目標區域放置誤差傳感器。由于超材料聲屏障的良好降噪性能， 在目標區域選擇3個測點：第1個測點在誤差傳感器前面，靠近第1個次級聲源；第2個測點在誤差傳感器前面，靠近另一個次級聲源；第3個測點在前2個測點的中間。相鄰測點之間的距離Dmm為15 cm。

圖5 測量模型示意(俯視圖)

在開啟操作系統前后分別測量了目標區域8個測點的聲壓級。測點1到測點3接近目標區域內的誤差傳感器，測點4到測點6已越過超材料聲音屏障，測點7和測點8對稱設置在超材料聲音屏障阻隔的兩側。對多個測量值進行平均，以確保測量結果的可靠性。試驗中無超材料聲屏障噪聲控制系統和有超材料聲屏障噪聲控制系統的聲壓級及降噪增量如表2所示。

表2 試驗降噪增量

使用超材料聲音屏障的噪音控制系統后,在目標區域內3個測點上的降噪增量分別為14.59 dB、15.03 dB和13.02 dB。超材料聲屏障附近點的降噪增量小于目標區域點的降噪增量。此外，隔聲屏障上方點的降噪增量小于兩側點的降噪增量。

試驗結果表明，噪聲干擾對目標區域的降噪效果有顯著的影響。

3 結束語

本文基于噪音特點和聲屏障特性，設計了一種聲學超材料屏障，試驗驗證了屏障降噪有效性；最后提出了一種結合超材料聲屏障的有源噪聲控制的方法。通過搭建實驗室控制系統，驗證了該方法對抵消聲屏障邊緣附近的繞射聲波的可行性。主要得到以下結論：

a.本文基于三階HFAMM結構單元原理，采用了3D打印技術制作了具有良好低頻隔聲性能的三階HFAMM隔聲屏障，并且進行仿真和試驗驗證。仿果表明，在10 kV開關站噪聲100 Hz及其整數倍頻率下，傳輸損耗大于20 dB，三階HFAMM超材料聲音屏障具有相對較好的隔聲特性。試驗結果表明，不同頻率下聲屏障的聲波傳輸損耗在15～25 dB之間，驗證了聲屏障有效性。

b.本文建立的超材料聲屏障噪聲控制系統的試驗表明，在目標區域的指定測點上，有超材料聲屏障噪聲控制系統的降噪增量分別為14.59 dB、15.03 dB和13.02 dB。該方法對提高隔聲屏障的降噪性能是可行的。