王國(guó)棟,應(yīng)黎明,劉洋,王晉偉,楊鵬,王東暉
(1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,武漢430072;2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司,武漢430050)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電需求的增加,大容量電力變壓器深入負(fù)荷中心,導(dǎo)致變電站附近噪聲強(qiáng)度增加,嚴(yán)重影響周邊居民的正常生活[1]。電力系統(tǒng)和變壓器制造業(yè)有必要采取科學(xué)合理的措施,控制變壓器特別是室外變壓器的噪聲[2-5]。
電力變壓器的噪聲包括輔助冷卻裝置噪聲和電力變壓器本體噪聲,噪聲頻率主要包括100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz和 600 Hz,為低頻噪聲。變壓器噪聲的低頻特性使得傳統(tǒng)的被動(dòng)降噪技術(shù)效果不明顯而且價(jià)格昂貴[6]。近二十年來(lái),有源噪聲控制(Active Noise Control,ANC)技術(shù)得到了廣泛的研究,為變壓器噪聲控制提供了一個(gè)新的解決辦法,其基本原理是利用次級(jí)聲源產(chǎn)生和原有噪聲頻率相同、振幅相近、相位相反的聲波,使之與原有噪聲相互疊加,以達(dá)到降低空間噪聲的目的[7]。與傳統(tǒng)的無(wú)源技術(shù)相比,有源噪聲控制技術(shù)特別適合控制低頻噪聲[8]。有源噪聲控制系統(tǒng)主要分為控制器和電聲兩部分。電聲部分用于確定次級(jí)聲源的數(shù)目和在聲場(chǎng)中的位置(稱為布放問(wèn)題)。次級(jí)聲源的布放不僅影響整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且影響噪聲的控制效果[9]。因此,通過(guò)選擇合適的次級(jí)聲源數(shù)量及位置來(lái)最大限度地提高降噪量是有源降噪系統(tǒng)實(shí)用開發(fā)中需要解決的核心問(wèn)題之一。
在實(shí)際工程應(yīng)用中,往往是部分區(qū)域(比如變電站附近的居民樓)有降噪的需求,對(duì)此文獻(xiàn)[10]提出用陣列式次級(jí)源來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行有源控制以達(dá)到局部空間降噪的目的,并且進(jìn)行了初步的理論與實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[11]研究了次級(jí)聲源位置和聲強(qiáng)度對(duì)有源降噪系統(tǒng)降噪效果的影響,并驗(yàn)證了一組典型優(yōu)化方案的降噪效果。文獻(xiàn)[12]由聲場(chǎng)輻射模型推導(dǎo)出最優(yōu)次級(jí)源強(qiáng)度,理論分析了次級(jí)源強(qiáng)度與次級(jí)源間距、次級(jí)源與噪聲源距離、次級(jí)聲源陣列的數(shù)目對(duì)降噪效果的影響。文獻(xiàn)[13]針對(duì)封閉空間聲場(chǎng),建立了結(jié)構(gòu)—聲耦合場(chǎng)模型,采用正交試驗(yàn)法分析了次級(jí)聲源強(qiáng)度與布放位置的綜合作用對(duì)有源噪聲控制系統(tǒng)降噪效果的影響。文獻(xiàn)[14]建立了封閉空間的有源噪聲控制模型,采用模擬退火法優(yōu)化次級(jí)聲源位置,在誤差傳感器處最多達(dá)到了0.5 dB的降噪量。文獻(xiàn)[15]針對(duì)位置和次級(jí)聲源強(qiáng)度的交互影響關(guān)系,提出了對(duì)固定參數(shù)和靈活參數(shù)進(jìn)行交替優(yōu)選,采用遺傳算法進(jìn)行漸次搜索的優(yōu)化策略。雖然國(guó)內(nèi)外正在開展變壓器有源噪聲控制的研究,但目前尚無(wú)成功應(yīng)用的案例。
已有的次級(jí)聲源優(yōu)化布放的研究中,沒(méi)有考慮變壓器實(shí)際的聲場(chǎng)環(huán)境,沒(méi)有針對(duì)變壓器降噪應(yīng)用提出簡(jiǎn)潔有效的優(yōu)化布放策略。文章參考已有研究成果,針對(duì)變壓器有源噪聲控制應(yīng)用環(huán)境,結(jié)合聲學(xué)理論提出了半自由空間的聲場(chǎng)輻射模型,綜合運(yùn)用解析法和遺傳算法優(yōu)化不同數(shù)目次級(jí)聲源的布放參數(shù)(位置和聲源強(qiáng)度),仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了布放方案的有效性。
考慮到電力變壓器主要通過(guò)殼體表面向外輻射噪聲,且變壓器的幾何尺寸與聲波的半波長(zhǎng)接近,可以將變壓器簡(jiǎn)化等效成脈動(dòng)球形聲源模型[16],忽略簡(jiǎn)諧時(shí)間因子ejωt后,其輻射聲壓表達(dá)式為:
式中 ps為次級(jí)聲源在觀測(cè)點(diǎn)處的聲壓;r為次級(jí)聲源到觀測(cè)點(diǎn)的距離;qs為次級(jí)聲源的聲源強(qiáng)度。
如果某空間聲場(chǎng)存在地面為反射面,其余方向均符合自由空間聲場(chǎng)的條件,則稱其為半自由空間聲場(chǎng)。半自由空間聲場(chǎng)是一種更貼合變壓器實(shí)際的聲場(chǎng)環(huán)境。由鏡像原理可知,半自由空間聲場(chǎng)中脈動(dòng)球源的輻射聲場(chǎng)可以等效為是其本身與“鏡像”虛源疊加產(chǎn)生的合成聲場(chǎng)[17],如圖1所示。
式中pp為初級(jí)聲源在觀測(cè)點(diǎn)處的聲壓;r為觀測(cè)點(diǎn)到球源中心的距離;r0為球源半徑;A為復(fù)數(shù),|A|為其幅值;θ為A相角;ρ0為空氣密度;c0為聲波在空氣中的傳播速度;μa為球源的振動(dòng)速度幅值;k為波數(shù)且k=ω/c0。
此外,變壓器有源噪聲控制系統(tǒng)通常采用揚(yáng)聲器陣列作為次級(jí)聲源,揚(yáng)聲器的幾何尺寸相對(duì)聲波的半波長(zhǎng)可以忽略,因此可以將次級(jí)聲源近似等效為點(diǎn)聲源模型,相應(yīng)的聲壓輻射表達(dá)式為:
圖1 半自由空間聲場(chǎng)中點(diǎn)聲源的輻射聲場(chǎng)Fig.1 Acoustic radiation model of point sound source in half free space
半自由空間聲場(chǎng)中點(diǎn)聲源在觀測(cè)點(diǎn)P處的聲壓為:
式中r1、r2分別為聲源、虛源到觀測(cè)點(diǎn)的距離;η為剛性壁面的聲反射系數(shù)[18]。
假設(shè)半自由空間聲場(chǎng)中有一電力變壓器作為初級(jí)噪聲源。變壓器前方有由N個(gè)揚(yáng)聲器組成的次級(jí)聲源陣列,選取遠(yuǎn)場(chǎng)中與次級(jí)聲源陣列平行的平面為待消聲面。根據(jù)聲波疊加原理,可得待消聲面任意觀測(cè)點(diǎn)a處的聲壓pa為:
式中pa為初級(jí)聲源在觀測(cè)點(diǎn)a處的聲壓;qs為次級(jí)聲源陣列強(qiáng)度,qs=(qs1,qs2,…,qsN)T;Zr為 1×N階向量,是次級(jí)聲源陣列及其“鏡像”到a點(diǎn)的總的聲傳播阻抗,即由次級(jí)聲源與其“鏡像”的聲傳播阻抗矩陣相加得到,Zr=(Zr1,Zr2,…,ZrN),其任一元素可表示為:
式中rsi、rsmi分別為聲源陣列中第i(i=1,2,…,N)個(gè)次級(jí)源及其“鏡像”到待消聲面觀測(cè)點(diǎn)a的距離;η為地面的聲反射系數(shù)。
若在待消聲面選取M個(gè)觀測(cè)點(diǎn),可得M個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的聲壓表達(dá)式為:
式中 PM為M個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的聲壓向量,PM=(pM1,pM2,…,pMM)T;Pp為初級(jí)噪聲源在M個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的聲壓向量,Pp=(Pp1,Pp2,…,PpM)T;ZMr為M×N階矩陣;表示次級(jí)聲源陣列到M個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的聲傳播阻抗矩陣。其任一元素可表示為:
式中rsij、rsmij分別為第i個(gè)次級(jí)源及其鏡像到第j(j=1,2,…M)個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的距離。
將M個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處聲壓的平方和選為控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù),表示為:
式中J(qs)是次級(jí)聲源強(qiáng)度qs的二次型函數(shù)。求解得到使目標(biāo)函數(shù)最小的最優(yōu)次級(jí)源強(qiáng)度為:
在此次級(jí)源強(qiáng)度下,M觀測(cè)點(diǎn)處的聲壓為:
為了評(píng)價(jià)加入次級(jí)聲源陣列后待消聲面的降噪效果,在待消聲面上選一組監(jiān)測(cè)點(diǎn),定義有源噪聲控制系統(tǒng)的降噪量(Attenuation Level,AL)[12],其數(shù)值LAL越大說(shuō)明降噪效果越好,降噪量的表達(dá)式為:
式中pbefi、pafti分別為加入次級(jí)聲源前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓。根據(jù)式(11)求得加入次級(jí)聲源后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降噪量,以近似刻畫待消聲面的降噪量分布,從而評(píng)價(jià)布放方案的優(yōu)劣。
由推導(dǎo)可知,聲壓表達(dá)式(4)、式(6)是與次級(jí)聲源到觀測(cè)點(diǎn)的距離直接相關(guān)的函數(shù)。因此本文提出采用遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(8)求得對(duì)應(yīng)于不同數(shù)目次級(jí)聲源的最優(yōu)布放位置(即次級(jí)聲源陣列距變壓器中心的距離和陣列中相鄰聲源之間的縱向間距和橫向間距);結(jié)合次級(jí)聲源的位置參數(shù),由式(9)求出對(duì)應(yīng)于此最優(yōu)布放的最優(yōu)次級(jí)源強(qiáng)度。通過(guò)優(yōu)化得到的次級(jí)聲源的位置和聲源強(qiáng)度,可以最大限度地降低待消聲平面的噪聲水平。
利用上一節(jié)建立的變壓器聲場(chǎng)輻射模型,結(jié)合降噪系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,優(yōu)化出次級(jí)聲源的布放參數(shù),獲得的布放參數(shù)可作為下一節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。
圖2 半自由空間聲場(chǎng)中有源噪聲控制模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of active noise control model in half free space
結(jié)合變壓器實(shí)際聲場(chǎng)環(huán)境,可得圖2所示變壓器聲場(chǎng)模型。以地面反射面為xoy平面建立三維空間直角坐標(biāo)系,初級(jí)聲源、次級(jí)聲源陣列均在地面上,本文將變壓器簡(jiǎn)化為脈動(dòng)球形聲源p.s,球源半徑r0=2 m,球形模型的球心設(shè)置為(0,0,2),球面振動(dòng)速度ua=6.3×10-4m;次級(jí)聲源陣列s.s與 xoz平面平行,且次級(jí)聲源陣列平面的幾何中心與球心均在同一條直線;次級(jí)聲源的“鏡像”s.m關(guān)于xoy平面對(duì)稱排列;選取與次級(jí)聲源陣列平行的10×10 m的平面作為待消聲面,其幾何中心與球源中心的距離為10 m,將待消聲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分獲得121個(gè)觀測(cè)點(diǎn);任一次級(jí)聲源及其“鏡像“到觀測(cè)點(diǎn)a的距離分別為rs、rm;空氣密度與聲速分別為ρ0=1.29 kg/m3,c0=344m/s。
以待消聲面觀測(cè)點(diǎn)聲壓平方和為目標(biāo)函數(shù),設(shè)置遺傳算法的參數(shù):取種群大小為100,交叉算子采用中間交叉算子,交叉概率Pc=1.0;變異函數(shù)采用均勻選擇函數(shù)(Uniform),變異概率Pm=0.01;選擇算子采用均勻選擇函數(shù)(Uniform),最大迭代次數(shù)為100次。對(duì)于不同次級(jí)聲源陣列組合,每組進(jìn)行10次優(yōu)化,取平均值作為最終優(yōu)化結(jié)果。選取三個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量:(1)次級(jí)聲源陣列面到初級(jí)聲源球心的距離rps,其必須大于球源的半徑,即rps>2;(2)相鄰次級(jí)聲源間的橫向距離rss1;(3)相鄰次級(jí)聲源間的縱向距離rss2。得到的優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。
圖3中,橫坐標(biāo)表示次級(jí)聲源個(gè)數(shù),縱坐標(biāo)表示次級(jí)聲源間距。分析圖3可以得到:(1)無(wú)論次級(jí)聲源選擇幾個(gè),次級(jí)聲源陣列都應(yīng)盡量挨近初級(jí)聲源,這樣能使觀測(cè)點(diǎn)的聲壓值足夠?。唬?)次級(jí)聲源彼此之間的橫向間距、縱向間距基本呈現(xiàn)隨著數(shù)量的增加而逐漸減小的趨勢(shì),這樣將使得次級(jí)聲源陣列的幾何尺寸不至于太大。
圖3 優(yōu)化結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimization results
圖4 次級(jí)聲源數(shù)量為4時(shí)的降噪量分布圖Fig.4 Distribution diagram of noise reduction effect with 4 secondary sound sources
圖5 次級(jí)聲源數(shù)量為6時(shí)的降噪量分布圖Fig.5 Distribution diagram of noise reduction effect with 6 secondary sound sources
圖6 次級(jí)聲源數(shù)量為9時(shí)的降噪量分布圖Fig.6 Distribution diagram of noise reduction effect with 9 secondary sound sources
將圖3的優(yōu)化結(jié)果代入到式(5)~式(11)計(jì)算出最優(yōu)次級(jí)聲源強(qiáng)度和待消聲平面降噪量,得到監(jiān)測(cè)面降噪量的分布圖,如圖4~圖8所示。
結(jié)合表1及圖4~圖8的仿真結(jié)果分析總結(jié)出如下規(guī)律:(1)次級(jí)聲源數(shù)量不同,待消聲面獲得的降噪量也不同:次級(jí)聲源數(shù)量4和6個(gè)時(shí),待消聲面大部分觀測(cè)點(diǎn)降噪量不超過(guò)9 dB(A),但是當(dāng)次級(jí)聲源數(shù)量為9、12和16時(shí),待消聲面的降噪量均超過(guò)9 dB(A);(2)次級(jí)聲源數(shù)量確定的條件下,待消聲面降噪量的分布也大不相同,可以觀察到仿真圖上半?yún)^(qū)域的降噪量一般都不大,中心區(qū)域和下半?yún)^(qū)域卻有較大的降噪量,可以推測(cè)出降噪?yún)^(qū)域的分布與次級(jí)聲源的位置是有關(guān)聯(lián)的;(3)當(dāng)次級(jí)聲源數(shù)量為9時(shí),待消聲區(qū)域整體已經(jīng)取得了相當(dāng)可觀的降噪量,因此工程實(shí)際中采取此種布放就足夠了,既節(jié)約了成本,又降低了多通道系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。
圖7 次級(jí)聲源數(shù)量為12時(shí)的降噪量分布圖Fig.7 Distribution diagram of noise reduction effect with 12 secondary sound sources
圖8 次級(jí)聲源數(shù)量為16時(shí)的降噪量分布圖Fig.8 Distribution diagram of noise reduction effect with 16 secondary sound sources
根據(jù)降噪量的分布圖,統(tǒng)計(jì)出不同次級(jí)聲源數(shù)量時(shí)降噪量的分布情況,如表1所示。
表1 不同次級(jí)聲源數(shù)量的降噪量分布情況Tab.1 Distribution of noise reduction effect with different secondary sound sources
為了驗(yàn)證前文優(yōu)化得到的布放參數(shù)的有效性,本節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化布放模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)框圖如圖9所示,信號(hào)發(fā)生器發(fā)出100 Hz單頻信號(hào)經(jīng)功率放大器放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,參考文獻(xiàn)[19]提出的電力變壓器低頻噪聲模擬與等效的方法,通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的相位、幅值以模擬變電站實(shí)際噪聲水平,該信號(hào)同時(shí)作為參考信號(hào)輸入工業(yè)控制機(jī)作為參考信號(hào);工業(yè)控制機(jī)計(jì)算出次級(jí)信號(hào),次級(jí)信號(hào)經(jīng)由功放放大輸入到揚(yáng)聲器陣列,揚(yáng)聲器陣列作為次級(jí)聲源;實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地噪聲水平由噪聲計(jì)測(cè)量。
圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.9 Experimental system block diagram
選取開闊場(chǎng)地作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地,場(chǎng)地周圍沒(méi)有障礙物的干擾,基本符合半自由空間聲場(chǎng)環(huán)境。模擬實(shí)驗(yàn)選用兩個(gè)揚(yáng)聲器模擬初級(jí)聲源;次級(jí)聲源陣列平行于初級(jí)聲源;選取平行于次級(jí)聲源陣列且距離初級(jí)聲源10 m遠(yuǎn)處的平面區(qū)域?yàn)榇晠^(qū)域。為了有效評(píng)價(jià)待消聲面的降噪效果,將待消聲面上部5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定為A組、中部5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定為B組、下部5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定為C組,三組共15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距、垂直間距均為1 m。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示。
圖10 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖Fig.10 Sketch of experimental site
前文提到,9個(gè)次級(jí)聲源得到的降噪量足以滿足工程需要,因此實(shí)驗(yàn)選取4、6、9個(gè)次級(jí)聲源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件基本符合前文建立的仿真模型,因此次級(jí)聲源陣列位置和聲源強(qiáng)度根據(jù)仿真得到的優(yōu)化布放參數(shù)調(diào)節(jié)。同時(shí),為了比較優(yōu)化布放參數(shù)的有效性,設(shè)置相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)布放實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照,具體設(shè)置為:調(diào)整次級(jí)聲源陣列與初級(jí)聲源距離l=2 m;4個(gè)次級(jí)聲源時(shí),相鄰次級(jí)聲源之間的橫向距離為0.7 m,縱向距離為1.2 m;6個(gè)次級(jí)聲源時(shí),橫向距離為0.6 m,縱向距離為0.4 m;9個(gè)次級(jí)聲源時(shí),橫向距離為0.6 m,縱向距離為 0.4 m。
首先開啟信號(hào)發(fā)生器發(fā)出初級(jí)噪聲,利用噪聲計(jì)測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、100 Hz單頻噪聲聲壓級(jí)。記錄完各測(cè)點(diǎn)初始噪聲數(shù)據(jù)后,開啟次級(jí)聲源陣列,記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。調(diào)整次級(jí)聲源的數(shù)量和布放位置,做多組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11~圖13所示。
圖11 4個(gè)次級(jí)聲源時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)降噪量Fig.11 Noise reduction of monitoring points with four secondary sources
分析測(cè)得的數(shù)據(jù)可知:
(1)降噪量數(shù)據(jù):從縱向來(lái)看,B組和C組降噪量較大;從橫向來(lái)看,編號(hào)3對(duì)應(yīng)的位置,降噪量較大。可以認(rèn)為,越靠近待消聲面的幾何中心、越貼近地面,降噪量往往越大,與仿真結(jié)果相似;
(2)經(jīng)驗(yàn)布放實(shí)驗(yàn)中,隨著次級(jí)聲源數(shù)目的增加,降噪量也有所增加,但是經(jīng)驗(yàn)布放的降噪效果沒(méi)有優(yōu)化布放降噪效果好,證明了優(yōu)化參數(shù)的有效性、適用性。
需要指出的是,一般將變電站靠近居民區(qū)的區(qū)域作為待降噪?yún)^(qū)域,選擇變電站站界作為待消聲平面,相應(yīng)的布放可以在此平面獲得最優(yōu)的降噪效果。布放參數(shù)固定后,若向居民區(qū)方向平行移動(dòng)監(jiān)測(cè)面,隨著監(jiān)測(cè)面到次級(jí)聲源陣列距離的增大,初級(jí)聲源和次級(jí)聲源在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的輻射聲壓減小,聲傳播阻抗減小,所以,監(jiān)測(cè)面監(jiān)測(cè)點(diǎn)總的聲壓平方和是呈減小趨勢(shì)的,即監(jiān)測(cè)面總的噪聲水平是減小的,可以達(dá)到特定區(qū)域噪聲水平控制的目的。
圖12 6個(gè)次級(jí)聲源時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)降噪量Fig.12 Noise reduction of monitoring points with six secondary sources
圖13 9個(gè)次級(jí)聲源時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)降噪量Fig.13 Noise reduction of monitoring points with nine secondary sources
在有源降噪系統(tǒng)中,次級(jí)聲源的優(yōu)化布放不僅影響降噪系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且影響噪聲控制的效果。本文提出了結(jié)合解析法和遺傳算法的次級(jí)聲源優(yōu)化策略。針對(duì)變壓器有源降噪實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,采用優(yōu)化策略得到不同次級(jí)聲源數(shù)目對(duì)應(yīng)的最優(yōu)布放方案,并總結(jié)了次級(jí)聲源布放位置和待消聲面降噪量分布的規(guī)律。為了驗(yàn)證優(yōu)化布放方案的有效性,進(jìn)行了100 Hz單頻實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)M了變壓器噪聲環(huán)境,選取10 m遠(yuǎn)處的平面為待消聲面,并設(shè)置經(jīng)驗(yàn)布放方案作為對(duì)比實(shí)驗(yàn),通過(guò)整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知,待消聲面的降噪量分布與從仿真結(jié)果中總結(jié)的規(guī)律基本相符,實(shí)驗(yàn)取得的可觀降噪量驗(yàn)證了布放方案的有效性。