范麗君，陳冠，袁輝，郁嘉毅，陳雅藍(lán)

（國網(wǎng)上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800）

電力設(shè)備運(yùn)行中的噪聲包含大量的工作環(huán)境數(shù)據(jù)，為了保證其穩(wěn)定運(yùn)行，需要準(zhǔn)確分辨電力設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將電力設(shè)備在正常工作情況下的噪聲數(shù)據(jù)視為基線，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息和該基線信息加以對(duì)比，即可檢測(cè)出電氣設(shè)備的狀態(tài)和噪聲源，但在強(qiáng)干擾下的電力設(shè)備噪聲源識(shí)別效果較差。

針對(duì)噪聲源識(shí)別問題，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]根據(jù)噪音測(cè)試得出噪音水平分布云圖和幅頻特性曲線，確定張緊器對(duì)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)噪音的干擾規(guī)律，完成對(duì)噪聲源的識(shí)別，但此方法對(duì)于噪聲源同步要求較高，識(shí)別視角較長。文獻(xiàn)[2]提出等效源法理論辨識(shí)噪聲源，根據(jù)管側(cè)的剛性邊界狀態(tài)，構(gòu)造Green 參數(shù)，完成對(duì)噪聲源的辨識(shí)，但是識(shí)別魯棒性較差。針對(duì)上述問題，該文基于聲陣列設(shè)計(jì)一種電力設(shè)備強(qiáng)干擾噪聲源識(shí)別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)要求

1）系統(tǒng)利用采集器采集噪聲信號(hào)，配合參考信號(hào)與線性陣列上的傳聲器共同采集信息。

2）信號(hào)采集時(shí)產(chǎn)生的速率、時(shí)長以及傳聲器通道號(hào)通過處理器進(jìn)行分析，并填入數(shù)據(jù)文件中，線性陣列產(chǎn)生的傳聲器通道號(hào)需按次序?qū)霐?shù)據(jù)文件中。

3）通過分析器進(jìn)行聲源定位。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過聲陣列技術(shù)中的線性傳聲器陣列結(jié)合采集器測(cè)量采集數(shù)據(jù)，陣列中含有傳聲器以及變壓器，變壓器的外表具有與陣列平行的全息測(cè)量面，陣列在其中進(jìn)行等間距的橫向移動(dòng)[3-4]。陣列中的處理器將所有全息測(cè)量面輸出為頻域信號(hào)，以此完成對(duì)整個(gè)采集過程的處理，并傳輸至分析器中。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 識(shí)別系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 可知，SUIJNUHJ121 型分析器為核心設(shè)備，將50 Hz 設(shè)定為固定分析頻率[5-6]，通過聲場(chǎng)重建定位聲源位置，分析噪聲源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集模塊

該文采用SJI19210 型采集器作為基于聲陣列的電力設(shè)備強(qiáng)干擾噪聲源識(shí)別系統(tǒng)的噪聲采集器，該采集器含有一個(gè)參考傳聲器，負(fù)責(zé)采集參考信號(hào)[7]。SJI19210 型采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 SJI19210型采集器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 可知，采集器主要含有看門狗超時(shí)電路和采集電路兩種電路，內(nèi)部設(shè)定加密模塊和解密模塊，噪聲信號(hào)的采集方式為陣列移動(dòng)測(cè)量方法。在陣列移動(dòng)時(shí)通過采集器對(duì)其實(shí)時(shí)采集，當(dāng)陣列從全息面完全經(jīng)過后，結(jié)束采集。在采集過程中需設(shè)定采集量固定值，通過全息面中心的正對(duì)位置坐標(biāo)設(shè)定，該坐標(biāo)與全息面中心位置的距離為固定值[10-11]。

2.2 處理模塊

處理模塊選用的處理器為SIK-99101 型，其主要功能為對(duì)處理器的噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，由于對(duì)于噪聲信號(hào)的采集為實(shí)時(shí)移動(dòng)采集，因此需要預(yù)處理采集信號(hào)，得到二維時(shí)域信號(hào)[12]。

利用掃描修正因子修改傳感器輸出的記錄信息相位，將掃描點(diǎn)恢復(fù)到初始位置，在采樣過程中獲得的一維空間時(shí)域信號(hào)需要排序組合，組合方式為空間順序組合[13]。

2.3 分析模塊

該文系統(tǒng)分析模塊采用的是SUIJNUHJ121 型分析器，該分析器含有一個(gè)進(jìn)場(chǎng)聲全息分析模塊，其主要用于存放全息測(cè)量數(shù)據(jù)。分析器將傳聲器間距填寫至進(jìn)場(chǎng)聲全息分析模塊中，得到分析頻帶固定值。模塊中的橫向間距為線性陣列傳聲器橫向移動(dòng)產(chǎn)生的空間長度，縱向間距為傳聲器之間的距離，為固定值。通過以上數(shù)據(jù)可得到全息測(cè)量面的詳細(xì)數(shù)據(jù)[14]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 噪聲分析程序

電力設(shè)備含有的各類驅(qū)動(dòng)裝置非常復(fù)雜，產(chǎn)生的噪聲源主要分為三類：嚙合沖擊噪聲、橫向振動(dòng)噪聲、張緊器噪聲。因此，電氣裝備傳動(dòng)系統(tǒng)噪音原因十分復(fù)雜，該文設(shè)計(jì)噪音分析程序分析電力設(shè)備強(qiáng)干擾下的傳動(dòng)系統(tǒng)的噪音形成。

3.1.1 嚙合沖擊噪聲

電力設(shè)備在強(qiáng)干擾下的運(yùn)行中嚙進(jìn)、嚙出的過程中，其帶齒與輪齒沖擊產(chǎn)生的齒合力逐漸形成了嚙合沖擊噪聲。嚙合沖擊噪聲的噪聲源為主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的合力點(diǎn)，該噪聲為重點(diǎn)噪聲源，嚙合頻率為：

其中，a表示主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)速度；Q表示主動(dòng)輪圈數(shù)[15-16]。

3.1.2 橫向振動(dòng)噪聲

在電力設(shè)備強(qiáng)干擾下，同步帶傳動(dòng)過程的側(cè)向振動(dòng)會(huì)形成振動(dòng)噪音。當(dāng)嚙合力頻率和同時(shí)帶固定頻段相互耦合時(shí)，同步帶也會(huì)形成強(qiáng)烈上升的共振噪音，共振噪音大多聚集在帶段跨度上，形成共線聲源。側(cè)向振動(dòng)的固定頻段計(jì)算公式為：

其中，L表示同步帶長度；E表示同步帶剛性程度；T表示張緊力大??；P表示同步帶密度系數(shù)；n表示同步帶傳動(dòng)次數(shù)。

電力設(shè)備強(qiáng)干擾會(huì)對(duì)變速控制系統(tǒng)造成影響，拉緊器的增加減少了帶段長度，也因此增加了帶段的固定頻次，改善同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)中共振噪音的產(chǎn)生頻率，利用拉緊器減少正時(shí)連續(xù)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中怠速時(shí)的共振噪音。

3.1.3 張緊器噪聲

電力設(shè)備的張緊器在運(yùn)行中，張緊輪、簧片和滾動(dòng)軸承等組成部件均會(huì)直接產(chǎn)生噪聲。而在驅(qū)動(dòng)過程中，張緊器將不斷與同步帶的背接觸物摩擦，并因回轉(zhuǎn)時(shí)阻尼效應(yīng)而形成反向摩擦，從而形成摩擦噪音。為了提高傳動(dòng)過程中同步帶的張緊力，空氣彈簧會(huì)不斷對(duì)同步帶施以刺激，這種激勵(lì)使得張緊器發(fā)生巨大振動(dòng)噪音；如果張緊器是回轉(zhuǎn)體，當(dāng)其內(nèi)軸承在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，隨著滾動(dòng)物體的軸承類型內(nèi)圈振動(dòng)而產(chǎn)生巨大振動(dòng)噪音，由此產(chǎn)生了張緊器噪聲。

3.2 聲陣列識(shí)別程序

在分析噪聲源后，可得知在電力設(shè)備強(qiáng)干擾下的驅(qū)動(dòng)過程中，會(huì)出現(xiàn)嚙合的噪音、橫向擺動(dòng)噪音以及由張緊器所產(chǎn)生的噪音等，而這種噪音的發(fā)聲源部位也不一致。

為識(shí)別不同聲音源的產(chǎn)生部位及其傳播特性，必須采用聲陣列檢測(cè)方法對(duì)電力設(shè)備強(qiáng)干擾下的傳動(dòng)系統(tǒng)的噪音源加以辨識(shí)。因此設(shè)計(jì)聲陣列識(shí)別程序，當(dāng)聲音信號(hào)源到平面上傳感器之間的距離滿足式（3）：

其中，l表示聲陣列排列長度；λ表示聲波波長；r表示聲波半徑。

分析聲音信息在平面?zhèn)鞲衅鞯乃p情況，使用近場(chǎng)聲全息模型來研究噪聲信息的傳遞，近場(chǎng)聲全息方法主要包括水平近場(chǎng)聲全息、柱體近場(chǎng)聲全息和球面近場(chǎng)聲全息。

采用共軛原理將一個(gè)聲源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，由于最后聲音源點(diǎn)均被作為可疑的聲音源點(diǎn)對(duì)待，使得每一次被掃描的聲音源點(diǎn)都有機(jī)會(huì)對(duì)其中聲音源點(diǎn)產(chǎn)生干擾，通過導(dǎo)向因子把聲壓傳感器中虛擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成經(jīng)過調(diào)整后的中間聲源位置，把聲壓傳感器虛擬方程代入中間聲源點(diǎn)得到噪聲源，計(jì)算公式如式（4）所示：

其中，Y(e)表示檢測(cè)到的噪聲源；e表示最終掃描因子；Xm表示聲壓傳感器虛擬方程；m0表示中間聲源點(diǎn)的值。由此可得出電力設(shè)備強(qiáng)干擾噪聲源的最終識(shí)別源，完成了基于聲陣列的電力設(shè)備強(qiáng)干擾噪聲源的識(shí)別。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證該文提出的基于聲陣列的電力設(shè)備強(qiáng)干擾噪聲源識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，將文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法作為對(duì)比方法設(shè)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的電力設(shè)備為三相異步電動(dòng)機(jī)，其功率為20 kW，工作轉(zhuǎn)速最大可以達(dá)到2 000 r/min。實(shí)驗(yàn)使用的傳感器測(cè)量范圍最高可以達(dá)到100 kHz，采用的聲壓傳感器為2×4 模式傳感器，傳播距離為200 mm。

利用三種方法分別識(shí)別橫向共振噪聲源、張緊器噪聲和嚙合沖擊噪聲源。根據(jù)識(shí)別結(jié)果檢測(cè)噪聲，計(jì)算識(shí)別精度，計(jì)算公式如式（5）所示：

其中，h表示識(shí)別精度；c表示識(shí)別的正確數(shù)據(jù)源；ε表示識(shí)別的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)源。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）橫向共振噪聲源識(shí)別

橫向共振噪聲源波動(dòng)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 橫向共振噪聲源波動(dòng)情況

根據(jù)圖3 的橫向共振噪聲源波動(dòng)情況，判斷三種方法的波動(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確率，如表1 所示。

表1 橫向共振噪聲源識(shí)別準(zhǔn)確率

共振噪聲源產(chǎn)生的噪聲波動(dòng)較小，運(yùn)行過程相對(duì)穩(wěn)定，觀察表1 可知，三種方法的識(shí)別效果相對(duì)較好，但是在峰值識(shí)別問題上，該文設(shè)計(jì)的識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別能力優(yōu)于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，識(shí)別精度高于96.42%，最高可達(dá)99.99%，能夠保證電力設(shè)備正常運(yùn)行。

2）張緊器噪聲源識(shí)別

張緊器噪聲源波動(dòng)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 張緊器噪聲源波動(dòng)情況

根據(jù)圖4波動(dòng)情況，得到波動(dòng)準(zhǔn)確率如表2所示。

表2 張緊器噪聲源識(shí)別準(zhǔn)確率

根據(jù)表2可知，張緊器波動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，聲壓級(jí)信號(hào)會(huì)對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法具有極大的局限性，無法準(zhǔn)確識(shí)別噪聲源，但是該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)識(shí)別精度仍然可以達(dá)到95.25%。

3）嚙合沖擊噪聲源識(shí)別

嚙合沖擊噪聲源識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 嚙合沖擊噪聲源波動(dòng)情況

根據(jù)圖5波動(dòng)情況，得到波動(dòng)準(zhǔn)確率如表3所示。

表3 嚙合沖擊噪聲源識(shí)別準(zhǔn)確率

根據(jù)表3 可知，嚙合沖擊聲波波動(dòng)相對(duì)不平穩(wěn)，因此對(duì)比方法識(shí)別過程容易受到外界因素影響，設(shè)計(jì)系統(tǒng)識(shí)別能力更強(qiáng)，識(shí)別效果更好，能夠精準(zhǔn)地判斷噪聲波動(dòng)情況。

5 結(jié)束語

該文采用聲學(xué)陣列技術(shù)，設(shè)計(jì)電力設(shè)備強(qiáng)干擾噪聲源識(shí)別系統(tǒng)。在硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)噪聲分析程序和聲陣列識(shí)別程序，進(jìn)一步優(yōu)化噪聲源識(shí)別效果。性能測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源的有效辨識(shí)。