盧 鈴 蔡 煒曹 浩武帥兵吳 鳴彭繼文

(1國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院 長沙410007)

(2國網(wǎng)電力設(shè)施噪聲與振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室 長沙410007)

(3國網(wǎng)湖南省電力有限公司婁底供電分公司 婁底417000)

(4中科傳啟(蘇州)科技有限公司 蘇州215010)

0 引言

長時(shí)檢測及合理估計(jì)變電站噪聲源的聲壓級(jí)對(duì)評(píng)價(jià)噪聲污染指標(biāo)及后續(xù)治理都至關(guān)重要[1-6]。然而環(huán)境中的其他噪聲如鳥叫、蟲鳴，以及各種人為噪聲如車輛行駛、鳴笛聲等都會(huì)對(duì)變電站噪聲測量產(chǎn)生不良影響。目前已有的變電站噪聲測量技術(shù)，多采用聲級(jí)計(jì)等設(shè)備進(jìn)行測量，其不具備抗干擾功能，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

如何有效去除外界干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變電站噪聲的準(zhǔn)確測量是本文研究的主要目的。對(duì)于干擾信號(hào)的去除可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方向進(jìn)行。時(shí)域去除方法即根據(jù)外界干擾噪聲和變電噪聲的時(shí)域特點(diǎn)，如能量、相關(guān)性等進(jìn)行去除。如文獻(xiàn)[7]采用相關(guān)性分析，來判斷是否存在干擾信號(hào)，從而利用分時(shí)測量方法去除背景干擾噪聲。頻域去除方法是利用變電站噪聲與干擾信號(hào)不同的頻譜特點(diǎn)，通過采用通帶與阻帶梳狀濾波器從變電站混合聲信號(hào)中分離出變電站聲信號(hào)[8]。然而，由于變電站背景噪聲復(fù)雜，發(fā)生的時(shí)刻與強(qiáng)度具有隨機(jī)性，因此這兩類方法效果均有限。而文獻(xiàn)[9]提出了一種基于小波分解與譜減法相結(jié)合的變電站噪聲預(yù)處理方法，采用小波包分析算法將變電站聲信號(hào)時(shí)頻分解，對(duì)分解后的帶噪頻段小波包信號(hào)進(jìn)行譜減法處理。但該方法只能測量整體聲壓級(jí)，而無法測量1/3倍頻程聲壓級(jí)。

在噪聲的測量中，采用1/3倍頻程頻譜分析能更加詳細(xì)地反映出噪聲源的頻譜特性，便于較全面地了解聲源產(chǎn)生機(jī)理和提出最佳的降噪對(duì)策[10-13]。為此，本文針對(duì)性地提出了一種抗干擾的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量方案。首先采用最小值控制遞歸平均(Minimum control recursive average,MCRA)方法[13-14]來判斷當(dāng)前幀各個(gè)1/3倍頻程是否存在干擾信號(hào)，對(duì)于存在干擾信號(hào)的1/3倍頻程，不進(jìn)行聲壓級(jí)更新，從而確保1/3倍頻程聲壓級(jí)估計(jì)準(zhǔn)確程度。

1 抗干擾變電站噪聲估計(jì)方法

本文提出的抗干擾變電站噪聲估計(jì)方法整體算法框圖如圖1所示。傳聲器接收信號(hào)為式(1)中，s(n)為所需測量的變電站噪聲信號(hào)，v(n)為測量時(shí)的噪聲干擾信號(hào)，包括鳥叫、蟲鳴、雞叫、工廠電鋸噪聲等信號(hào)。而后設(shè)計(jì)1/3倍頻程濾波器求得每個(gè)1/3倍頻程濾波器對(duì)應(yīng)的輸出值；同時(shí)，采用MCRA算法求解出每個(gè)時(shí)頻點(diǎn)干擾信號(hào)存在概率，并綜合成1/3倍頻程干擾信號(hào)存在概率；最后根據(jù)干擾信號(hào)存在概率，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻1/3倍頻程估計(jì)值進(jìn)行相應(yīng)加權(quán)處理，最終得到去外界干擾的1/3倍頻程聲壓級(jí)輸出閾值，該閾值將作為應(yīng)對(duì)各種干擾情況下，時(shí)域1/3倍頻程濾波輸出后功率譜更新的閾值。

圖1 抗干擾變電站噪聲估計(jì)方法Fig.1 An estimation method of anti-disturbance substation noise

1.1 1/3倍頻程干擾信號(hào)存在概率估計(jì)

利用MCRA方法對(duì)干擾信號(hào)存在概率進(jìn)行估計(jì)。采集的信號(hào)y(n)進(jìn)行重疊加窗處理并進(jìn)行傅里葉變換，表達(dá)式為

式(2)中，k、l分別是頻段索引和時(shí)間幀索引，w(n)是長度為N的窗函數(shù)，M為幀步長。

在頻域?qū)γ恳粠斎胄盘?hào)頻譜進(jìn)行頻率點(diǎn)平滑，

其中，b(i)表示歸一化窗函數(shù)，窗函數(shù)的長度為2ω+1。接下來再進(jìn)行幀間平滑，

將式(3)帶入式(4)中，得其中，αs為平滑參數(shù)，代表一個(gè)窗長為的矩形平滑窗，S(k,l-2)表示前一幀輸入信號(hào)功率譜。接下來跟蹤平滑功率譜S(k,l-1)的最小值，

再定義

其中，Bmin是噪聲譜最小值估計(jì)偏置補(bǔ)償因子而后求得各時(shí)頻點(diǎn)干擾信號(hào)存在值為

I(k,l-1)=1代表干擾信號(hào)不存在，而I(k,l-1)=0代表干擾信號(hào)存在。而后依據(jù)1/3倍頻程定義，綜合所有得到1/3倍頻程干擾信號(hào)存在概率為

其中，Ω表示對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程，k∈Ω表示位于該1/3倍頻程通帶內(nèi)的所有頻率點(diǎn)。

1.2 1/3倍頻程濾波器實(shí)現(xiàn)

依據(jù)GB/T 3241.3-202倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程標(biāo)準(zhǔn)，1/3倍頻程濾波器應(yīng)滿足的性能需符合2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]。對(duì)于變電站噪聲測量，其測試最高頻率為20 kHz，因此本文所采用的采樣頻率為48 kHz，整體1/3倍頻程采用多速率處理技術(shù)，對(duì)于中心頻率大于50 Hz的1/3倍頻程，采樣頻率為48 kHz；當(dāng)中心頻率小于50 Hz的3個(gè)1/3倍頻程，將原始信號(hào)進(jìn)行4 kHz低通濾波。所采用的低通濾波方法為5階無限脈沖響應(yīng)(Infinite impulse response,IIR)濾波。之后，將低通濾波后的信號(hào)經(jīng)過抽取，從48 kHz降采樣為8 kHz進(jìn)行處理。每個(gè)1/3倍頻程對(duì)應(yīng)帶通濾波采用3個(gè)二階IIR濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

1.3 抗干擾噪聲的1/3倍頻程聲壓級(jí)輸出

根據(jù)1/3倍頻程濾波器輸出及當(dāng)前幀干擾信號(hào)存在概率來進(jìn)行，當(dāng)干擾信號(hào)存在概率較大時(shí)，不進(jìn)行1/3倍頻程聲壓級(jí)更新；干擾信號(hào)存在概率較小時(shí)，進(jìn)行1/3倍頻程聲壓級(jí)更新輸出，即

其中，It(Ω)為每個(gè)1/3倍頻程預(yù)設(shè)的門限值，該值為I′(Ω,l)在多幀估計(jì)下的平均值，

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)將通過仿真來驗(yàn)證所提方法有效性。實(shí)際設(shè)計(jì)的1/3倍頻程濾波器相對(duì)衰減值如圖2所示，藍(lán)色曲線是仿真設(shè)計(jì)的濾波器曲線，紅色虛線為國家規(guī)定的衰減設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從圖2中可以看出，濾波器相對(duì)衰減值性能符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)?？垢蓴_算法中采取的各項(xiàng)參數(shù)分別如表1所示。

圖2 中心頻率為100 Hz的帶通濾波器圖Fig.2 The bandpass filter with a center frequency of 100 Hz

表1 調(diào)制參數(shù)Table 1 Setting parameters

接下來驗(yàn)證本文所提出的抗干擾1/3倍頻程方法性能，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中采用的變電站噪聲信號(hào)和干擾信號(hào)如圖3所示。

圖3 不同噪聲信號(hào)時(shí)域波形圖Fig.3 Time-domain waveforms of different noise signals

從圖3看出，純凈的變電站噪聲為穩(wěn)態(tài)噪聲，而干擾信號(hào)為非穩(wěn)態(tài)噪聲，把變電站噪聲加上干擾信號(hào)合成得到含干擾信號(hào)的變電站噪聲。為了模擬戶外噪聲環(huán)境，實(shí)驗(yàn)測量在半消聲實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，如圖4所示，變電站聲源和環(huán)境干擾源分別位于兩個(gè)不同位置，傳聲器放置于中間，傳聲器與聲源相距3 m。對(duì)含干擾信號(hào)(蟲鳴噪聲、鳥叫噪聲、雞叫噪聲、電鋸噪聲)的變電站噪聲進(jìn)行1/3倍頻程聲壓級(jí)測量，測量結(jié)果如表2～5及圖5～8所示?？梢钥闯?，對(duì)于蟲鳴干擾，在50～300 Hz和2000～10000 Hz等頻段，極大地干擾了1/3倍頻程測量結(jié)果，而采用本文去干擾的方法，可以使得測量結(jié)果更加接近于真實(shí)值。對(duì)于鳥叫、雞叫、電鋸等其他干擾頻率主要集中在中高頻頻帶的噪聲，同樣采用所提出的方法可以更加精確地得到1/3倍頻程聲壓級(jí)。

圖4 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖Fig.4 Signal acquisition experimental environment

圖5 存在蟲鳴干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Fig.5 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of insect noise

表2 存在蟲鳴干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Table 2 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of insect noise

表3 存在鳥叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Table 3 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of bird call noise

表4 存在雞叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Table 4 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of cock call noise

表5 存在電鋸干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Table 5 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of chainsaw noise

圖6 存在鳥叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Fig.6 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of bird call noise

圖7 存在雞叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Fig.7 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of cock call noise

圖8 存在電鋸干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量結(jié)果Fig.8 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of chainsaw noise

最后，表6直觀展現(xiàn)所提出方法估計(jì)變電站噪聲聲壓級(jí)的抗干擾性能。由表6可知，所提出的方法對(duì)于蟲鳴、鳥叫、雞叫、工廠電鋸等外界干擾影響下的變電站噪聲估計(jì)是魯棒的。由于本文的實(shí)質(zhì)是在每一頻段設(shè)置功率檢測閾限，當(dāng)被判斷為存在干擾時(shí)不進(jìn)行頻譜能級(jí)的更新或測量，這種方法在一定程度上避免了干擾的影響。此外，該方法只針對(duì)特定干擾(如仿真中的動(dòng)物叫聲等沖擊聲)，如背景噪聲為寬頻帶連續(xù)噪聲，即當(dāng)干擾噪聲在每一幀上均存在時(shí)，本文方法的效果較為有限。

表6 干擾情況下的聲壓級(jí)測量結(jié)果Table 6 Sound pressure level measurements under the disturbance

3 結(jié)論

變電站附近的干擾噪聲如鳥叫、蟲鳴、雞叫、工廠噪聲等會(huì)極大影響到變電站噪聲的測量。本文提出了一種抗干擾的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量方法。首先進(jìn)行1/3倍頻程濾波器的設(shè)計(jì)，采用多速率采樣技術(shù)，減小中心頻率較低處所需濾波器階數(shù)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的濾波器可以達(dá)到相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。而后對(duì)輸入信號(hào)在每個(gè)1/3倍頻程存在干擾信號(hào)的概率進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)干擾信號(hào)存在概率較大時(shí)，不進(jìn)行1/3倍頻程聲壓級(jí)更新；干擾信號(hào)存在概率較小時(shí)，進(jìn)行1/3倍頻程聲壓級(jí)更新輸出。仿真結(jié)果表明，采用該方法可以在存在瞬態(tài)干擾信號(hào)的情況下，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的1/3倍頻程聲壓級(jí)測量，但同時(shí)該方法對(duì)寬頻帶穩(wěn)態(tài)噪聲效果有限。