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解决方案 || 变压器也能“一键降噪”

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【摘要】:
有源噪声控制(Active Noise Control, ANC),也称有源降噪、有源消声,是指使用人为地、有目的地产生次级声信号去控制原有噪声的概念方法。也就是“以声消声”。

振动 | 冲击 | 应变 | 声学  一站式服务

 

问题背景

 

随着城市用电量逐年增加,许多高电压、大容量的大型变压器的安装地点正逐渐靠近甚至进入到市内。特别是近来,由于城区的不断扩大以及城市电网改造的需要,一些变电站有时要建在靠近居民区处。

 

而变压器噪声严重影响人们生活和工作。实测数据表明,电站变压会产生单频噪声和宽带噪声,大容量变压器连续运行时发出噪声甚至高达80~100分贝,变压器噪声控制已是刻不容缓。

 

国外一些大型电力变压器制造公司如西屋公司和通用电气公司以及相关研究机构早在20世纪30年代就开始对变压器噪声问题进行了研究,工作涉及变压器振动和噪声机理、声学特性、降噪措施等诸多方面,研究成果大多来自试验和经验总结。国内对变压器振动和噪声的试验研究工作要比欧美一些发达国家晚得多,直到1980年前后,国内一些电力研究院所和变压器制造公司才陆续开展这方面的工作。

 

电力变压器有源降噪技术

 

有源噪声控制(Active Noise Control, ANC),也称有源降噪、有源消声,是指使用人为地、有目的地产生次级声信号去控制原有噪声的概念方法。也就是“以声消声”

 

电力变压器有源降噪技术是三维有源消声技术的具体应用,研究内容主要包括:噪声振动机理研究、噪声辐射模型研究以及有源降噪系统设计研究等,内容涉及电磁学、力学、声学以及材料学等,是具有很强学科交叉性的综合性问题。

 

电力变压器噪声特点如下图所示,其频率成分主要为100Hz及其倍频。 而在有源降噪技术中低频容易抵消,而高频信号(此处指1kHz以上)困难。

 

▲电力变压器噪声频域特点

 

目前,国内只有少数高校及研究机构研究有源降噪技术在电力变压器上的应用,但也只能降低上图中的低频成分,如100Hz。并且未考虑多点耦合情况,还没进入实用阶段。

 

变压器ANC系统特点

 


硬件指标

  • 2路24位AD,量程六档可选,动态范围大于110dB,采样率每路204.8kHz;

  • 有AC,DC输入方式,电压和ICP输入类型。程控滤波陡度大于300dB/oct。

 


ANC软件特点

  • 可通过两个音箱,同时对两点声压信号进行控制。控制时可以考虑耦合的影响,进行解耦

  • 可抵消100Hz,200Hz, 300Hz,…,直到1.5kHz的变压器噪声。频率个数可选。降噪后幅值可下降3~30dB;

  • 控制时可同时实时显示两路声压三分之一倍频程。可选择A计权及线性计权;

  • 可选择显示声压原始波形的时域,频域。显示点数可变;

  • 操作极其简单,首次设置采样参数后可记录,再次使用直接点击“开始”即可。

 


安全保障

  • 当单频驱动电压幅值超过事先设置的最大值时,控制自动停止,10秒后重新进行标定,再进行控制。

  • 每次控制前自动检查音箱是否发声。

 

 

▲系统组成图

 

系统组成图如上图所示。两路DA信号分别接入功放,第一路DA接到左声道,第二路DA接到右声道。左声道信号输出到音箱1,右声道信号输出到音箱2。

 

第一路AD与传声器1连接,第二路AD与传声器2连接。传声器1靠近音箱1,传声器2靠近音箱2。

 

使用时,打开功放电源,将功放增益调到合适的位置。功放增益的合适位置和需要控制的背景噪声大小以及音箱和传声器的距离有关。控制开始前,两个音箱会分别发出一连串的单频信号,测量频响函数。

 

当发第二遍单频信号时,靠近发声音箱的传声器声压增加20到30dB,即为合适的增益位置。因功放增益同时控制两个声道,可通过改变传声器与音箱的距离,使两个传声器在测频响函数时,声压的增量大致相当。 

 

现场降噪结果

 

▲系统安装前现场图

 

▲音箱及传声器的现场安装

 

▲系统主机及功放

 

“一键降噪”,操作极其简单,只要选中耦合,按开始控制命令键即可。操作手册对仪器的连接,操作,原理,注意事项均有详细的说明。

 

▲降噪前声压

 

▲降噪后声压

 

对比两图数据可以明显看出两点处的声压级下降了10dB。这相当于上一秒还在吵闹的街上,而下一秒回到了孩子正在上网课的书房,降噪效果可见一斑。

结论

 

本系统首先测量音箱到传声器之间的次级通道频响函数矩阵,这个频响函数矩阵在系统为线性时是确定不变的,符合实际情况。

 

本系统考虑了多个音箱与多个传声器之间的偶合,可同时降低多点的声压。

 

实际应用中,两点的多个单频信号同时得到了控制,每点的总声压级下降了近10dB。在此基础上,很容易将两点扩充到三点及三点以上的多点同时进行控制,这和一点单独控制有本质的区别。

 

 

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