喬亮

摘要;本文對(duì)GIS擊穿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步分析，從擊穿聲傳播時(shí)間、擊穿聲頻譜、仿真及聲源定位幾個(gè)方面做了詳細(xì)的介紹，通過分析比較，得出實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致。

[關(guān)鍵詞] 擊穿聲;GIS

為了探索現(xiàn)場(chǎng)GIS擊穿聲場(chǎng)分布規(guī)律，在某電科院GIS大廳進(jìn)行GIS現(xiàn)場(chǎng)擊穿試驗(yàn)，在大廳內(nèi)布置12個(gè)麥克風(fēng)傳感器。位置如圖1，具體坐標(biāo)位置如表1。

圖1表1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)位置圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置圖

1背景噪聲分析

為了確保噪聲定位時(shí)噪聲信號(hào)的有效性，需要確保擊穿噪聲的聲壓級(jí)比背景噪聲高10dB以上，因此在測(cè)試擊穿噪聲前測(cè)試環(huán)境背景噪聲。測(cè)試結(jié)果如下表3，背景噪聲源主要有兩處，室外噪聲和數(shù)據(jù)采集儀風(fēng)扇聲源。12號(hào)點(diǎn)接近大門口，數(shù)據(jù)采集儀在8號(hào)點(diǎn)和9號(hào)點(diǎn)之間。因此7-9號(hào)點(diǎn)受風(fēng)扇噪聲影響，10-12號(hào)點(diǎn)受室外噪聲影響。

2擊穿聲傳播時(shí)間分析

圖3 GIS擊穿聲信號(hào)波形

實(shí)驗(yàn)受噪聲干擾極小可忽略不及、無(wú)需去噪，應(yīng)用時(shí)差定位法采用四傳感器為基本定位單元對(duì)放電位置進(jìn)行空間定位。

時(shí)差定位法：

圖4基于時(shí)差法的信號(hào)源空間定位

即：

其中，為信號(hào)源到傳感器x、y距離差，由信號(hào)源到傳感器x、y的時(shí)間差乘信號(hào)的傳播速度可得，在信號(hào)波形上選取標(biāo)定時(shí)刻做差得到時(shí)間差。

基于四個(gè)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(hào)為1、2、5、8;1、2、5、7的兩組傳感器對(duì)聲源進(jìn)行定位。進(jìn)行時(shí)延估計(jì)時(shí)，選取各傳感器接收信號(hào)幅值的1/6處、1/4處及1/2處所對(duì)應(yīng)時(shí)刻為標(biāo)定時(shí)刻，將標(biāo)定時(shí)刻相減得到估計(jì)時(shí)延用于聲源定位，定位時(shí)聲速以空氣中經(jīng)驗(yàn)聲速為準(zhǔn)取值340m/s。

定位方程為二次方程，故每個(gè)方程組均有兩組解，關(guān)于傳感器所在的平面對(duì)稱，但其中一組坐標(biāo)在管外舍去，定位結(jié)果單位為米，如表4所示：

本次定位測(cè)試中聲源坐標(biāo)為（0，0，0），采用基于四傳感器的時(shí)差定位法對(duì)聲源進(jìn)行定位，定位時(shí)涉及到的主要問題有：時(shí)延估計(jì)及聲速取值問題。進(jìn)行時(shí)延估計(jì)時(shí)需在信號(hào)上選取特征值進(jìn)行時(shí)刻標(biāo)定，觀察聲信號(hào)波形特點(diǎn)，選取擊穿直達(dá)聲首上升沿作為標(biāo)定時(shí)刻，分別以波形幅值的1/4、1/2及1/6所對(duì)應(yīng)時(shí)刻作為標(biāo)定時(shí)刻進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取聲速為340m/s來(lái)定位聲源，定位誤差在15cm以內(nèi)，且標(biāo)定時(shí)刻越接近幅值時(shí)定位精度越高。時(shí)差法定位準(zhǔn)確，但是實(shí)際應(yīng)用中時(shí)間同步很難做到。

3擊穿聲頻譜分析

對(duì)聲音信號(hào)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(duì)聲音的靈敏度，頻率越高，人耳對(duì)頻率分辨度越差。因此，寬帶處理通常使用倍頻程來(lái)處理，即兩個(gè)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(guān)系，即頻率每增加一倍，音高增加一個(gè)倍頻程。例如下圖中選取的頻率區(qū)間是低音6#到中音6#所對(duì)應(yīng)的琴鍵，中間剛好相差八個(gè)鍵，即八個(gè)音符。

圖5倍頻程處理方法

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

1/3倍頻程通常使用在環(huán)境噪聲領(lǐng)域，用于評(píng)價(jià)對(duì)噪聲人類生活的影響。因此，寬帶信號(hào)處理方法相對(duì)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(tǒng)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(shù)衰減曲線，與以往論文研究一致。如圖所示，對(duì)用窄帶和寬帶處理方法對(duì)2號(hào)和3號(hào)點(diǎn)的擊穿瞬間聲音進(jìn)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(duì)比

對(duì)低中高頻率（10、100、1000Hz）成分隨時(shí)間變化曲線，爆炸發(fā)生在0.167s，由圖可知。寬帶信號(hào)的頻率成分相對(duì)爆炸時(shí)間有滯后性，而且頻率越低滯后越嚴(yán)重。因此采用窄帶方法進(jìn)行信號(hào)處理。

圖7寬帶處理方法各頻段分量隨時(shí)間變化

窄帶分析方法就是傳統(tǒng)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(dá)聲做分析進(jìn)行定位。

圖8窄帶處理方法各頻段分量隨時(shí)間變化

4仿真分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸位置，建立現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)模型。地板、天花板和四面墻面均為反射面，在預(yù)知擊穿處設(shè)置一個(gè)點(diǎn)聲源。分別發(fā)出25Hz、125Hz、975Hz的單頻噪聲，求解理想狀態(tài)下的噪聲分布。利用聲線法進(jìn)行計(jì)算。

圖9 空間聲學(xué)模型

圖10 125Hz單頻噪聲分布

聲源是各向同性的點(diǎn)聲源，點(diǎn)聲源聲壓級(jí)理論上呈圓球狀向外衰減。從結(jié)果可以看出，云圖呈橢錐狀向外衰減，原因是聲音在管道內(nèi)形成空腔混響。從而導(dǎo)致聲源變成類似長(zhǎng)條線聲源。沿管道長(zhǎng)度方向的傳播得到加強(qiáng)。

5聲源定位分析

聲功率是聲源發(fā)出的總功率，等于聲強(qiáng)在聲能流方向垂直表面上的面積分，即

聲壓或聲強(qiáng)表示的是聲場(chǎng)中聲波的點(diǎn)強(qiáng)度，對(duì)于非平面波一般聲場(chǎng)，他們隨測(cè)點(diǎn)至聲源距離的增加而減小同時(shí)還受到周圍聲學(xué)環(huán)境（比如房間邊界反射引起混響效應(yīng)）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(qiáng)隨距離減小。因此，我們利用此原理進(jìn)行噪聲源定位。另外，大氣對(duì)聲音的吸收也會(huì)對(duì)聲壓和聲強(qiáng)有衰減。對(duì)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(diǎn)聲音窄帶單頻幅值來(lái)推算聲源點(diǎn)位置。為了避免外界可能帶來(lái)的噪聲干擾，采用低中高頻率（25、125、975Hz）三種頻率成分的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。如果沒有外界噪聲干擾，三種頻率成分信號(hào)識(shí)別的結(jié)果應(yīng)該一致。如表5所示，將每種頻率下各點(diǎn)的幅值在空間上插值成空間聲場(chǎng)分布圖，可以看出，三種頻率下識(shí)別的聲源位置大致都在7號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，與實(shí)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(cè)區(qū)域，而不是在中心線上，導(dǎo)致管路左側(cè)聲振強(qiáng)度比右側(cè)大，因此左側(cè)輻射強(qiáng)度大于右側(cè)，造成聲源傳播帶有明顯的指向性，而不是類似點(diǎn)聲源各個(gè)方向均勻傳播。

表5 聲壓級(jí)強(qiáng)度判斷聲源位置圖

25Hz 125Hz 975Hz

為了進(jìn)一步說明驗(yàn)證仿真與實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)差別的原因，對(duì)傳播衰減特性進(jìn)行驗(yàn)證。由于12號(hào)點(diǎn)在門口，沒有反射面，與仿真條件差別很大。因此，選取7號(hào)點(diǎn)和11號(hào)點(diǎn)的聲壓級(jí)衰減進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近。說明聲學(xué)仿真邊界條件設(shè)置與實(shí)際比較接近，差別可能是由于聲源本身所導(dǎo)致的。

將聲源偏移至管壁左側(cè)，不放置在管中間，進(jìn)行仿真，如圖11所示，可以看出中心聲壓級(jí)中心熱點(diǎn)有所偏移，偏移至聲源的左下方。說明實(shí)際聲源可能是在管中心偏左位置，引起了管壁的強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致左邊聲壓級(jí)高于右邊，引起聲壓級(jí)熱點(diǎn)中心相對(duì)聲源向左下偏移。

圖11 聲源偏左仿真結(jié)果

6結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)分析可得出以下結(jié)論：

擊穿聲源時(shí)域信號(hào)為指數(shù)衰減信號(hào)，其頻域曲線也是呈指數(shù)衰減趨勢(shì);

窄帶頻域處理方法比寬帶處理方法更加準(zhǔn)確;

利用時(shí)差法定位較準(zhǔn)確，但是實(shí)際裝置中很難將時(shí)間同步;

利用聲壓級(jí)強(qiáng)度進(jìn)行聲源定位的方法，各頻率下的判斷結(jié)果一致，但由于聲源不位于管中間，導(dǎo)致聲壓級(jí)熱點(diǎn)中心相對(duì)于聲源向左下偏移，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致。