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摘 要： 摘要：對(duì)10kV開關(guān)站噪音特性進(jìn)行了測(cè)試，在此基礎(chǔ)上從聲學(xué)理論出發(fā)設(shè)計(jì)了分形聲學(xué)噪聲屏障，對(duì)具有良好低頻隔聲性能的三階隔聲屏障進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了噪聲屏障對(duì)各頻段噪聲的衰減效果，驗(yàn)證了此聲學(xué)超材料的降噪有效性;并且提出了一種結(jié)合超材料
摘要：對(duì)10kV開關(guān)站噪音特性進(jìn)行了測(cè)試，在此基礎(chǔ)上從聲學(xué)理論出發(fā)設(shè)計(jì)了分形聲學(xué)噪聲屏障，對(duì)具有良好低頻隔聲性能的三階隔聲屏障進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了噪聲屏障對(duì)各頻段噪聲的衰減效果，驗(yàn)證了此聲學(xué)超材料的降噪有效性;并且提出了一種結(jié)合超材料聲屏障的有源噪聲控制方法，來(lái)補(bǔ)償聲屏障邊緣附近的繞射聲波以進(jìn)一步提升降噪性能。最后，設(shè)計(jì)搭建了一套結(jié)合超材料聲屏障的噪聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：10kV開關(guān)站;噪聲控制;聲學(xué)超材料;降噪處理
0引言
居民區(qū)附近安裝的10kV開關(guān)站產(chǎn)生的噪聲可能對(duì)居民健康造成一定影響。受磁致伸縮效應(yīng)影響，開關(guān)站在50Hz交流頻率下，其低頻噪聲主要集中在100Hz及其整數(shù)倍頻率處。當(dāng)開關(guān)站內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)由于復(fù)雜環(huán)境條件引起運(yùn)行異常時(shí)，產(chǎn)生的噪聲往往會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限制[12]。因此，有必要研究10kV開關(guān)站外部降噪措施。
現(xiàn)有研究顯示10kV開關(guān)站噪聲主要集中在低頻頻段[3]。傳統(tǒng)的噪聲屏障對(duì)高頻噪聲的抑制效果較好，但對(duì)低頻噪聲的抑制效果較差[47]。空間螺旋聲學(xué)超材料的帶隙可以通過(guò)改變幾何特征將降噪特征頻率轉(zhuǎn)移到所需的頻率，從而起到對(duì)特定頻率噪聲進(jìn)行降噪的作用[59]。
聲屏障的工作原理主要是讓噪音聲波部分穿透隔聲屏障，部分反射到隔聲屏障表面，其余聲波則繞行隔聲屏障后到達(dá)接收點(diǎn)[7，912]。因此，可以通過(guò)控制聲波經(jīng)過(guò)上述3條傳播途徑的方式，以達(dá)到理想的降噪效果。
有源噪聲控制具有低頻降噪的特性，且具有體積小、成本低以及靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于變壓器降噪中[1115]。因此，本文提出了一種結(jié)合聲學(xué)超材料噪聲屏障的有源噪聲控制系統(tǒng)。
1聲屏障設(shè)計(jì)
1.1聲屏障特性
本文對(duì)某地10kV開關(guān)站進(jìn)行噪聲測(cè)量，通過(guò)聲波方程傅里葉變換得到的噪聲歸一化光譜圖如圖1所示。由圖1可見，噪聲的頻率主要集中在100Hz、200Hz、300Hz和400Hz，其中200Hz的聲波歸一化振幅達(dá)到最大值。
在開關(guān)站障礙物附近存在一個(gè)噪聲明顯減弱的聲暗區(qū)，如圖2所示。聲暗區(qū)范圍是由噪聲頻率決定的，頻率越高，暗區(qū)范圍就越大。
用聲學(xué)超材料直接穿透聲屏障的方法可以有效抑制開關(guān)站噪聲，但聲屏障邊緣繞射的低頻噪聲仍然是影響聲屏障降噪效果的主要因素。聲屏障在高頻降噪效果比低頻降噪效果好得多，因此，抑制低頻聲波在聲屏障邊緣的繞射是提高聲屏障降噪性能的關(guān)鍵。本文引入Hilbert分形天線的概念來(lái)模擬Hilbert分形聲學(xué)超材料(HFAMM)，模擬結(jié)果表明，分形層次的增加會(huì)產(chǎn)生更多的帶隙，最低帶隙向低頻移動(dòng)。HFAMM具有負(fù)折射率特性，在低頻段具有良好的降噪性能，適合作為10kV開關(guān)站的噪聲屏障。聲屏障是由多個(gè)聲學(xué)超材料單元組成的。三階HFAMM結(jié)構(gòu)單元原理如圖3所示。環(huán)氧基底板上設(shè)置了三階希爾伯特曲線型空氣通道，空氣通道兩端與外界相連�？諝馔ǖ朗锹暡▊鞑サ穆窂�。該裝置是1個(gè)65mm×65mm×65mm的立方體塊，空氣通道寬度為2mm。
通過(guò)有限元軟件COMSOLMultiphysics5.0進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)b=2mm的三階HFAMM在低頻段的傳輸損耗大于20dB，如表1所示。在頻率為200Hz時(shí)，傳輸損耗達(dá)到最大值29dB。仿真結(jié)果是在入射波為平面波且不考慮聲波繞射的理想條件下得到的。在實(shí)際應(yīng)用中，由于聲波分布的復(fù)雜性和障壁邊緣附近的衍射效應(yīng)，聲波的傳輸損耗遠(yuǎn)低于理論分析。仿真選定參數(shù)的聲學(xué)超材料在100Hz及其整數(shù)倍頻率下仍表現(xiàn)出相對(duì)較好的隔聲特性。同時(shí)采用點(diǎn)聲源對(duì)聲學(xué)隔音屏障的降噪特性進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的不同頻率下的聲波傳輸損耗如表1所示。
由表1結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的聲屏障能夠有效衰減不同頻率下的噪聲，不同頻率下聲屏障的聲波傳輸損耗在15～25dB之間，驗(yàn)證了聲屏障有效性。但是不同頻率下聲屏障衰減的程度不同，這是由聲屏障衍射造成的，因此，需要進(jìn)一步對(duì)聲屏障參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化。
1.2聲屏障參數(shù)設(shè)計(jì)
基于噪音特性和聲學(xué)超材料特性，本文提出了噪聲控制與超材料聲屏障相結(jié)合的方法來(lái)抑制衍射聲波。本文運(yùn)用的有源噪音控制系統(tǒng)主要由次級(jí)聲源和控制器組成，次級(jí)聲源由電聲裝置(如揚(yáng)聲器)組成。次級(jí)聲源靠近聲屏障的邊緣布置，從而產(chǎn)生抵消聲波�？刂葡到y(tǒng)如圖4所示。
控制系統(tǒng)包括基于FxLMS的噪聲控制濾波器和基于最小均方(LMS)的次級(jí)路徑建模濾波器，以產(chǎn)生次級(jí)信號(hào)。噪聲控制濾波器W(z)的目標(biāo)是產(chǎn)生信號(hào)y(n)，從而驅(qū)動(dòng)次級(jí)聲源產(chǎn)生次級(jí)信號(hào)y′(n)�；贔xLMS的控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)是二次路徑建模。二次路徑建模濾波器^S(z)用于補(bǔ)償噪聲控制濾波器和誤差傳感器之間存在的二次路徑S(z)。
2聲屏障應(yīng)用試驗(yàn)
目前，用于開關(guān)站降噪的聲學(xué)超材料仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。因此，本文在實(shí)驗(yàn)室搭建了超材料聲音屏障降噪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以驗(yàn)證本文提出的聲屏障有源噪聲控制方法的可行性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由初級(jí)聲源、超材料聲屏障和控制系統(tǒng)組成。使用低頻揚(yáng)聲器作為初級(jí)聲源，初級(jí)聲源與變壓器噪聲的頻譜一致，其產(chǎn)生的噪聲頻率集中在100Hz、200Hz、300Hz和400Hz。超材料聲屏障由多個(gè)三階HFAMM有序排列而成。聲屏障與初級(jí)聲源之間的距離Dpb為20cm。操作系統(tǒng)由1個(gè)基于FxLMS的控制器、功率放大器、參考和誤差傳感器、2個(gè)次級(jí)聲源，以及1個(gè)用于測(cè)量和分析聲壓的噪聲分析儀組成。超材料聲屏障位于初級(jí)聲源前方，距離初級(jí)聲源表面約20cm。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量模型俯視圖如圖5所示，2個(gè)次級(jí)聲源位于聲屏障的兩側(cè)。初級(jí)聲源與次級(jí)聲源方向的夾角為45°。初級(jí)聲源和次級(jí)聲源之間的距離Dps為45cm。次級(jí)聲源產(chǎn)生的聲波的振幅和相位由控制器控制，以抵消在聲屏障邊緣繞射的聲波。在降噪目標(biāo)區(qū)域放置誤差傳感器。由于超材料聲屏障的良好降噪性能，在目標(biāo)區(qū)域選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)：第1個(gè)測(cè)點(diǎn)在誤差傳感器前面，靠近第1個(gè)次級(jí)聲源;第2個(gè)測(cè)點(diǎn)在誤差傳感器前面，靠近另一個(gè)次級(jí)聲源;第3個(gè)測(cè)點(diǎn)在前2個(gè)測(cè)點(diǎn)的中間。相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離Dmm為15cm。
在開啟操作系統(tǒng)前后分別測(cè)量了目標(biāo)區(qū)域8個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)。測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)3接近目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的誤差傳感器，測(cè)點(diǎn)4到測(cè)點(diǎn)6已越過(guò)超材料聲音屏障，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8對(duì)稱設(shè)置在超材料聲音屏障阻隔的兩側(cè)。對(duì)多個(gè)測(cè)量值進(jìn)行平均，以確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。試驗(yàn)中無(wú)超材料聲屏障噪聲控制系統(tǒng)和有超材料聲屏障噪聲控制系統(tǒng)的聲壓級(jí)及降噪增量如表2所示。
使用超材料聲音屏障的噪音控制系統(tǒng)后，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)上的降噪增量分別為14.59dB、15.03dB和13.02dB。超材料聲屏障附近點(diǎn)的降噪增量小于目標(biāo)區(qū)域點(diǎn)的降噪增量。此外，隔聲屏障上方點(diǎn)的降噪增量小于兩側(cè)點(diǎn)的降噪增量。試驗(yàn)結(jié)果表明，噪聲干擾對(duì)目標(biāo)區(qū)域的降噪效果有顯著的影響。
3結(jié)束語(yǔ)
本文基于噪音特點(diǎn)和聲屏障特性，設(shè)計(jì)了一種聲學(xué)超材料屏障，試驗(yàn)驗(yàn)證了屏障降噪有效性;最后提出了一種結(jié)合超材料聲屏障的有源噪聲控制的方法。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)，驗(yàn)證了該方法對(duì)抵消聲屏障邊緣附近的繞射聲波的可行性。主要得到以下結(jié)論：
a.本文基于三階HFAMM結(jié)構(gòu)單元原理，采用了3D打印技術(shù)制作了具有良好低頻隔聲性能的三階HFAMM隔聲屏障，并且進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。仿果表明，在10kV開關(guān)站噪聲100Hz及其整數(shù)倍頻率下，傳輸損耗大于20dB，三階HFAMM超材料聲音屏障具有相對(duì)較好的隔聲特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同頻率下聲屏障的聲波傳輸損耗在15～25dB之間，驗(yàn)證了聲屏障有效性。
b.本文建立的超材料聲屏障噪聲控制系統(tǒng)的試驗(yàn)表明，在目標(biāo)區(qū)域的指定測(cè)點(diǎn)上，有超材料聲屏障噪聲控制系統(tǒng)的降噪增量分別為14.59dB、15.03dB和13.02dB。該方法對(duì)提高隔聲屏障的降噪性能是可行的。——論文作者：王威，弓靜強(qiáng)，徐春盛
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