盧鈴，佘愷，蔡煒，唐奇，謝銀娥，武帥兵

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司婁底供電分公司，湖南 婁底 417000；3.中科傳啟(蘇州)科技有限公司，江蘇 蘇州 215163)

0 引言

站界噪聲測(cè)量是新建變電站環(huán)保驗(yàn)收、在運(yùn)變電站例行環(huán)保監(jiān)測(cè)、噪聲投訴處置等環(huán)節(jié)中的重要內(nèi)容，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是后續(xù)工作順利開展的基礎(chǔ)，其重要程度不言而喻[1－4]。

目前，變電站站界噪聲測(cè)量一般遵循GB 12348—2008?工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)量，使用的設(shè)備大多為手持式聲級(jí)計(jì)，如丹麥B＆K 2270型手持式分析儀等。變電站內(nèi)噪聲主要來自于變壓器、電抗器、冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備，短時(shí)間內(nèi)，時(shí)間聲源特性不會(huì)發(fā)生較大變化，可看作穩(wěn)態(tài)噪聲源。根據(jù)GB 12348—2008規(guī)定，當(dāng)被測(cè)聲源是穩(wěn)態(tài)噪聲時(shí)，采用1 min的等效聲級(jí)[1，5]。然而，在實(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常會(huì)遇到周圍存在各種環(huán)境干擾噪聲影響的情況，如蟲鳴、鳥叫、車輛鳴笛等。這導(dǎo)致變電站站界噪聲測(cè)量時(shí)容易受到干擾，極大影響測(cè)試工作效率。因此，有效抑制環(huán)境干擾噪聲，實(shí)現(xiàn)變電站噪聲的抗干擾測(cè)量具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

考慮到變電站噪聲可看作穩(wěn)態(tài)噪聲，干擾噪聲為非穩(wěn)態(tài)噪聲，因此可借鑒語音增強(qiáng)中背景噪聲估計(jì)技術(shù)，去除非穩(wěn)態(tài)干擾信號(hào)對(duì)站界噪聲測(cè)量的影響。常見的穩(wěn)態(tài)噪聲估計(jì)技術(shù)包含基于有音無音判斷方法、最小統(tǒng)計(jì)法、譜減法等[6－12]?；谟幸魺o音判斷，即對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀分析，如果認(rèn)為存在著非穩(wěn)態(tài)信號(hào)(干擾噪聲)，則不利用該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲估計(jì)；相反如果不存在干擾，則進(jìn)行利用該幀數(shù)據(jù)采用平滑的方式進(jìn)行噪聲估計(jì)?；谟幸魺o音判斷依賴于一些門限值的設(shè)定，而這些門限值設(shè)定需要預(yù)先知道穩(wěn)態(tài)噪聲和非穩(wěn)態(tài)噪聲特性。有學(xué)者采用直方圖等方法進(jìn)行有音無音判斷，但其計(jì)算量較大，在實(shí)際的低成本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)效果并不理想。最小統(tǒng)計(jì)法，是一種不依賴于有音無音檢測(cè)的方法，其基本原理是認(rèn)為當(dāng)前幀的功率譜是由穩(wěn)態(tài)噪聲功率譜與干擾信號(hào)功率譜疊加得到。而由于干擾信號(hào)功率譜是變化的，因此綜合多幀信號(hào)各頻率點(diǎn)功率譜的最小值，即可以得到穩(wěn)態(tài)噪聲功率譜。該方法操作簡便，計(jì)算量小，但其對(duì)噪聲估計(jì)值比實(shí)際噪聲值通常要小。譜減法是處理寬帶噪聲較為傳統(tǒng)和有效的語音增強(qiáng)方法，其基本思想是在假定語音信號(hào)與平穩(wěn)背景噪聲信號(hào)相互獨(dú)立的條件下，從帶噪信號(hào)的功率譜中減去平穩(wěn)背景噪聲功率譜，從而得到較為純凈的語音頻譜。但是在變電站站界噪聲檢測(cè)中，前述“平穩(wěn)背景噪聲”對(duì)應(yīng)的是變電站噪聲，“語音信號(hào)”對(duì)應(yīng)干擾噪聲，顯然適用性不佳。

本文提出一種變電站站界噪聲抗干擾分析方法，基于雙傳聲器形成增強(qiáng)信號(hào)，對(duì)增強(qiáng)信號(hào)評(píng)價(jià)每個(gè)時(shí)頻點(diǎn)干擾噪聲存在概率，根據(jù)存在概率對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)信號(hào)能量進(jìn)行加權(quán)，從而抑制環(huán)境噪聲干擾。該方法利用變電站噪聲與干擾噪聲的空間分布關(guān)系，把傳聲器陣列的波束方向和谷點(diǎn)方向分別指向變電站方向和干擾噪聲方向，通過兩者波束的能量比值提高干擾信號(hào)存在概率計(jì)算準(zhǔn)確度，從而減小變電站噪聲的估計(jì)誤差。

1 變電站噪聲特性

變電站是電力系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換、接受電能及分配電能的設(shè)施。變電站噪聲主要產(chǎn)生于變壓器、電抗器、電容器等電力設(shè)備以及用于散熱的風(fēng)機(jī)等，其噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特性已被深入研究[13－20]。

變壓器噪聲是由變壓器本體(鐵心、繞組)的振動(dòng)及冷卻設(shè)備的運(yùn)行所引起的。本體振動(dòng)的主要來源包括:硅鋼片的磁致伸縮所引起的鐵心周期性振動(dòng)，硅鋼片接縫處和疊片之間因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力所引起的振動(dòng)，通流繞組間產(chǎn)生的匝間電動(dòng)力所引起的振動(dòng)，漏磁所引起的油箱壁振動(dòng)。研究表明上述振動(dòng)和噪聲的基頻為100 Hz，同時(shí)由于磁致伸縮的曲線為非線性，結(jié)構(gòu)可能存在非線性，以及諧波負(fù)載等因素，還會(huì)出現(xiàn)100 Hz的諧波頻率。冷卻設(shè)備包括冷卻風(fēng)機(jī)、循環(huán)油泵等。以冷卻風(fēng)機(jī)為例，運(yùn)行時(shí)會(huì)在葉片附近會(huì)產(chǎn)生氣流漩渦，氣流漩渦擾動(dòng)空氣產(chǎn)生流體噪聲。因此冷卻設(shè)備噪聲表現(xiàn)為明顯的白噪聲特性，其噪聲能量較為均勻地分布于一段較寬的頻帶上。變電站內(nèi)還可能有其他用于通風(fēng)散熱的冷卻風(fēng)機(jī)，噪聲特性類似，均可看作穩(wěn)態(tài)聲源。

電抗器也是變電站中常見的噪聲源，用于限流、濾波、平波、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)雀鞣N用途。按照磁路結(jié)構(gòu)劃分，可以分為空心與鐵心式電抗器兩類。前者噪聲來自于繞組電動(dòng)力引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，后者與變壓器類似，噪聲主要來源于鐵心和繞組。電抗器噪聲的基頻同樣是100 Hz，通常也包含100 Hz諧波成份。

總體而言，由于電力負(fù)荷短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生急劇變化，設(shè)備的運(yùn)行方式不會(huì)發(fā)生快速轉(zhuǎn)變，因此變電站內(nèi)噪聲源較為穩(wěn)定，可看作穩(wěn)態(tài)噪聲。

2 雙傳聲器抗干擾測(cè)量方法

為降低變電站站界噪聲測(cè)量受環(huán)境噪聲干擾問題，利用站界噪聲與環(huán)境干擾噪聲的時(shí)頻域特性和空間特性，提出一種雙傳聲器抗干擾測(cè)量方法。

假定雙傳聲器組成的傳聲器陣列布置在變電站噪聲源與干擾噪聲源之間，則第i個(gè)傳聲器接收信號(hào)為:

式中，si(n)為干擾信號(hào)，di(n)為變電站噪聲信號(hào)。通過分幀處理并通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)到頻域有:

式中，k代表頻率，l代表幀號(hào)。對(duì)xi(k，l)進(jìn)行波束加權(quán)處理，以形成不同方向的指向性:

式中，Yj(k，l)為采用不同波束加權(quán)值的輸出，為相應(yīng)的波束加權(quán)值。和取不同值時(shí)可形成不同指向性，因此可以通過設(shè)置合適的對(duì)不同方位的噪聲信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)或抑制，如圖1所示。

圖1 波束指向性圖

對(duì)于變電站站界噪聲測(cè)量，變電站的方位是預(yù)先知道的，假設(shè)其位于0°方向，因此可選擇第一組加權(quán)值。假設(shè)外部干擾噪聲恰好在180°方向，那么第二組加權(quán)值在0°方向形成谷點(diǎn)，即最大限度抑制變壓器噪聲。第一組波束加權(quán)值在變電站所在方向有最大值。

首先，要想使學(xué)生真正學(xué)到英語，而不是在偽學(xué)習(xí)，教師要根據(jù)學(xué)生的不同層次和學(xué)情來設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生的知識(shí)水平、認(rèn)知能力和性格特點(diǎn)有著很大的差異，所以教師應(yīng)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行分層教學(xué)，給每一個(gè)學(xué)生必要的自主表現(xiàn)和發(fā)展的空間、時(shí)間，促使有差異的學(xué)生共同發(fā)展。分層有很多內(nèi)容，因?yàn)閷W(xué)生的基礎(chǔ)不一致，所以學(xué)生需要分層；因?yàn)橹R(shí)的難易程度有別，所以教學(xué)目標(biāo)也要分層；學(xué)生和知識(shí)有差別，所以施教、作業(yè)和評(píng)價(jià)都需要分層。教師要根據(jù)情況的不同，在教學(xué)中采取不一樣的教學(xué)策略，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用，讓學(xué)生從英語教學(xué)中體會(huì)英語學(xué)習(xí)的樂趣，曾強(qiáng)學(xué)習(xí)英語的自信，從而提升英語教學(xué)的水平，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。

其波束圖如圖1(a)所示，另一組加權(quán)值在0°方向(干擾噪聲方向)形成谷點(diǎn):

其波束圖如圖1(b)所示。

令

從上述公式可看出，當(dāng)不存在干擾噪聲時(shí)，由于對(duì)變電站噪聲進(jìn)行了較大的抑制，Y2(k，l)的值較小，因此η(k，l)具有較大的值，使得G(k，l)G(k，l)接近1，的貢獻(xiàn)認(rèn)為均來自與變壓器噪聲，即變電站噪聲功率與實(shí)際傳聲器接收的噪聲信號(hào)功率一致。當(dāng)存在較大干擾噪聲時(shí)，Y1(k，l)、Y2(k，l)的值較為接近，因此η(k，l)接近1，使得值較小，對(duì)該幀信號(hào)的噪聲信號(hào)功率進(jìn)行了有效抑制。

進(jìn)一步結(jié)合MCRA噪聲估計(jì)技術(shù)，得到最終的變電站噪聲功率估計(jì)值為:

式中，ν取0.5，(k，l)為采用MCRA方法對(duì)波束輸出Y1(k，l)的噪聲估計(jì)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證方法的有效性，在全消聲實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要包含用于播放變電站噪聲信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)的揚(yáng)聲器，兩個(gè)型號(hào)為B＆K 4189－A－21型傳聲器構(gòu)成的雙傳聲器陣列。兩個(gè)揚(yáng)聲器與兩個(gè)傳聲器位于同一條水平直線，兩個(gè)傳聲器的距離為0.06 m，兩個(gè)揚(yáng)聲器距離兩傳聲器中心的距離均為1.5 m，如圖2所示。為便于描述，假定左側(cè)為180°方向，右側(cè)為0°方向。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)揚(yáng)聲器同時(shí)發(fā)聲，其中左側(cè)揚(yáng)聲器播放干擾噪聲，右側(cè)揚(yáng)聲器播放變電站噪聲，兩個(gè)傳聲器進(jìn)行信號(hào)同步采集。圖3為變壓器噪聲受到鳥叫聲干擾后的時(shí)域波形圖。

圖3 包含鳥叫聲干擾的變電站噪聲時(shí)域波形

利用算法進(jìn)行處理后，即可分別得到變電站噪聲和干擾噪聲。圖4(a)為分離得到的鳥叫聲時(shí)域波形，圖4(b)為分離得到的變電站噪聲時(shí)域波形?？梢钥闯觯冸娬驹肼暫网B叫聲得到了較好的分離。

圖4 變電站噪聲與鳥叫聲分離結(jié)果

同時(shí)，還對(duì)汽車由近及遠(yuǎn)行駛經(jīng)過產(chǎn)生的噪聲和蟲鳴聲干擾進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 變電站噪聲與汽車行駛噪聲分離結(jié)果

圖6 變電站噪聲與蟲鳴聲分離結(jié)果

在無干擾噪聲情況下變電站噪聲為77.7 dB(A)，而存在干擾噪聲時(shí)，直接測(cè)量結(jié)果會(huì)偏大，見表1。可以看出，存在蟲鳴、鳥叫、汽車經(jīng)過干擾噪聲時(shí)，直接測(cè)量結(jié)果分別偏大1.4 dB(A)、0.9 dB(A)和1.5 dB(A)。而采用抗干擾測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)果誤差為0.4 dB(A)、－0.1 dB(A)和0.1 dB(A)，誤差明顯降低，說明了抗干擾分析方法的有效性。

表1 變電站噪聲測(cè)試值 dB(A)

4 結(jié)語

本文提出一種基于雙傳聲器陣列的變電站噪聲估計(jì)方法。利用變電站噪聲與干擾噪聲來源方向的不同和雙傳聲器組成的陣列的指向性，實(shí)現(xiàn)變電站噪聲和干擾噪聲的分離。在消聲室內(nèi)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬變電站噪聲測(cè)試過程中遇到蟲鳴、鳥叫、車輛經(jīng)過時(shí)的噪聲干擾，通過抗干擾測(cè)試方法，明顯降低了干擾噪聲的影響，表明方法的有效性。同時(shí)，對(duì)于不同方位、不同信噪比、不同類型的干擾噪聲影響，后續(xù)值得開展更為深入的研究。