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一、引言

电力工业作为国民经济的支柱产业，随着国民经济的不断发展，噪声问题也是日益凸显出来。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，实测数据表明，大容量变压器连续运行时发出的噪声高达80~100分贝，这对人们的正常生活和工作产生了极为严重的影响，变压器噪声的控制已是刻不容缓。

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。就研究内容而言，大多数工作集中在引进和消化国外的技术，具有原创性的成果极少，更深层次的基础理论研究尚属空白。

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、有目的地产生的次级声信号去控制原有噪声的概念方法。有源消声这一概念最早由美国Paul Lueg提出，并在1934年申请专利，他根据Yong氏干涉原理提出了利用声波的相消性干涉来降低噪声的方法；之后直到50年代电子技术的发展，Olson、Conover等才根据Lueg的想法设计出有源降噪的实验装置；70年代结合先进的现代控制技术，Jessel、Swinbanks等在一维管道有源降噪研究方面有了稳步的发展；80年代后，随着高速信号处理器的出现，有源降噪开始向自适应、三维消声方向发展。有源降噪发展至今，历经“设想—试验—理论工作实用化研究”的发展过程，已经在多领域取得了丰硕的研究成果。

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，是具有很强的学科交叉性的综合性问题。

电力变压器噪声特点如图1所示，主要集中在100Hz，200Hz，300Hz，400Hz，500Hz，600Hz，700Hz，800Hz，900Hz，1kHz，1.1kHz，1.2kHz，1.3kHz，1.4kHz，1.5kHz。

 

                         图1 电力变压器噪声特点

 

目前，电力变压器有源降噪做的最好的为我国的南京大学，但只降了一个频率成份100Hz，如图2所示，也没有考虑多点偶合的情况，还没到实用阶段。

 

    图2 通过有源降噪消去100Hz噪声

 

有源降噪中，低频容易抵消，因其变化速度慢。难的是高频信号。

二、变压器ANC特点

1.     硬件指标：

Ø  采用NI PCI 4461, 2路24位AD，量程-42到42V， -10到10V，-4.2到4.2V, -1.到1.V等六档，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。

Ø  2路24位DA，量程-10到10V，动态范围大于110dB，采样率每路204.8kHz。

 

2.     ANC软件特点：

Ø  AD和DA的采样速率均为40.96kHz

Ø  闭环时间： 0.1s

Ø  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。

Ø  可抵消100Hz，200Hz， 300Hz，…，到1.5kHz的变压器噪声。频率个数可选。低消后原来幅值可下降3~30dB。

Ø  控制时可同时实时显示两路声压，当前的状态，三分之一倍频程谱。可选择A计权及线性计权。

Ø  可选择显示声压原始波形的时域，频域。显示点数可变。

Ø  操作极其简单，除首次进入软件时需要进行采样通道的参数设置外，以后每次进入软件，只要按“开始”按钮开始控制，按“停止”按钮停止控制。

 

3.     安全特点：

Ø  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。当音箱或声探头位置在控制过程中发生改变，或者功放增益改变时，有可能发生这种情况。

Ø  DA信号发出之前，经过8阶的切比雪夫带通滤波器，保证控制过程中音箱不发出高频信号。

Ø  每次控制前检查音箱是否发声。

 

三、仪器的连接及系统组成

 

                        图3

仪器的连接如图3所示。

两路DA信号分别接入功放的VCR/BGB左右声道，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连接到声探头1，第二路AD连接到声探头2。声探头1靠近音箱1，声探头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声探头的距离有关。控制开始前，会在两个音箱分别发出一连串的单频信号，测量频响函数，合适的增益位置应当是发第二遍单频信号时，靠近发声音箱的声探头声压增加20到30dB。因功放增益同时控制两个声道，可通过改变声探头与音箱的距离，使两个声探头在测频响函数时，声压的增量大致相当。 

  

四、算法验证

进入实际场地前，通过某变压器(图4)的实测信号，对控制算法的效果进行了验证。

 

                图4 某变压器

 

控制点位置在变压器正前方5米处及侧面5米处。

不控制的信号为现场记录的声压信号。控制的信号为现场记录声压信号和经过控制算法后音箱发出的声压信号相加。

正面测点，控制开始后，A计记权总声压级下降 8.36dB，如图5。

                          图5 正面测点

控制前后的主频峰值，如图6：  

频率(Hz)	100	200	300	400	500	600	700	800	9000	1k
控制前(dB)	73.10	58.70	61.11	59.40	56.43	54.99	41.62	42.82	44.32	43.68
控制后(dB)	45.71	35.71	45.38	35.39	46.35	47.31	29.49	36.66	33.25	40.13
下降(dB)	27.39	22.99	15.73	14.01	10.08	7.68	12.13	6.16	11.07	3.55

                图6 正面测点控制前后谱值对比

 

侧面测点，控制开始后，A计记权总声压级下降 10.51dB，如图7

                    图7 侧面测点

控制前后的主频峰值，如图8：  

频率(Hz)	100	200	300	400	500	600	700	800	9000	1k
控制前(dB)	71.74	57.32	61.10	59.05	57.59	56.97	46.10	44.77	36.66	41.62
控制后(dB)	39.15	39.26	26.91	31.17	36.66	41.25	37.39	22.76	30.09	18.62
下降(dB)	32.59	18.06	34.19	27.98	20.93	15.72	8.72	22.01	6.57	23.00

 

                     图8 侧面测点控制前后谱值对比

 

五、现场施工及仪器安装

图9为安装前现场，将中间沙土地改成混凝土并找平，安装两根平行间距为20公分的槽钢用来固定防水的音箱机柜。

                图9 系统安装前现场

 

音箱及声探头的现场安装如图10和图11，共有4个音箱，每次用两个就可以，另外两个备用。声压探头和音箱的距离在1米左右。声压探头装有风球避免刮风影响控制的效果。

            图10 音箱及声探头的现场安装

 

            图11 音箱及声探头的现场安装

控制系统和功放在室内，主机放在桌子下面，如图12。主机插有一块NI PCI4461的卡，有两路DA和功放的左右声道相连，有两路AD连接声探头。声探头连接有电荷转换成电压的调理器，只要在采集时将偶合方式设成ICP，即可对调理器进行供电。

两个声压传感器配有一个手持式声压标定装置，以保证声压测量的准确性。

                图12 主机及功放

软件操作极其简单，只要选中偶合，按开始控制命令键即可。操作手册对仪器的连接，操作，原理，注意事项有详细的说明。

 

六、现场实际控制的效果

图13和图14为现场降噪前和降噪后对应的声压。

                    图13 降噪前

 

                    图14 降噪后

  

七、结论

本系统与其它系统的不同之处是首先测量音箱到声探头之间的次级声源频响函数矩阵，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。并能考虑多个音箱与多个声探头之间的偶合，可同时降低多点的声压。这个频响函数矩阵只要测量精度在一定范围之内，控制系统是稳定的。

实际的控制效果是两点的多个单频信号同时得到了控制，每点的总声级下降了近10dB。特别是能考虑多点偶合的情况，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。

根据当前的参考文献，本系统在电力变压器有源降噪所达到的水平，超过了国内外所有同类产品的水平。