虚拟声屏障在变压器低频降噪中的实验研究∗

王素文　张松光　王淑萍　文衍广　郭曙光陈鸿适　陶建成　邱小军

（1汕头供电局　汕头　515000）

（2南京大学声学研究所　教育部近代声学重点实验室　南京　210093）

虚拟声屏障在变压器低频降噪中的实验研究∗

王素文1张松光1王淑萍2†文衍广1郭曙光1陈鸿适1陶建成2邱小军2

（1汕头供电局汕头515000）

（2南京大学声学研究所教育部近代声学重点实验室南京210093）

在开口处布放若干扬声器和误差传声器构成虚拟声屏障，可有效抑制室内变压器通过开口向外辐射的低频噪声。本文采用内部合成参考信号的自适应算法，搭建了15通道全耦合虚拟声屏障系统。实验室实验表明在1.6 m×3.2 m的开口处搭建系统，距虚拟声屏障10 m范围内100 Hz和200 Hz的降噪量分别为16.6 dB和7.7 dB。变电站现场测试表明，在2.0 m×2.7 m的开口处搭建系统，100 Hz、200 Hz和300 Hz的误差点平均降噪量分别为12.7 dB、19.9 dB和22.2 dB，在开口辐射声压贡献较大的范围内，虚拟声屏障的降噪效果与单层封闭窗户相当。相比于传统被动降噪措施，采用虚拟声屏障有助于室内的自然通风、采光和变压器的散热。

开口房间，虚拟声屏障，变压器，低频噪声

1　引言

电力变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，其噪声主要来源于铁心，构成铁心的硅钢片在交变磁场的作用下发生磁致伸缩，使铁心做周期性振动而产生噪声。电力变压器噪声以低频线谱为主，频率为工频的偶数倍，主要集中在100 Hz、200 Hz和300 Hz［1］。传统的隔声、吸声等方法可有效降低中高频噪声，但对低频噪声所需的治理成本较高，且通常要求使用封闭结构，影响设备的通风散热。有源噪声控制可弥补被动降噪方法的不足。

有源噪声控制技术最早由德国的Leug在1933年提出［2］，原理是通过控制源产生与原始噪声频率相同、幅度相近、相位相反的声波，与初级噪声叠加，使两者相互抵消，以达到降低空间噪声的目的。1956年，Conover首先将有源消声应用于变压器噪声控制［3］，通过手动调节放大器，在误差点处对120 Hz噪声分量实现了25 dB的降噪，但有效的空间角度仅23°。1978年，Ross对变压器噪声进行有源控制，对100 Hz噪声分量实现了20 dB的降噪，但对更高频率的降噪仅局限在有限区域［4］。1998年，Martin等用8个控制源和10个误差传声器对变压器噪声进行自适应控制，用基因算法优化传声器位置，100 Hz在全空间得到10—25 dB的降噪量，200 Hz在某些方向降噪量达到30 dB，但在某些角度内声压级出现5—10 dB的增加［5］。1999年，Li和Qiu测量了变压器的初级声场和从控制源到误差传声器的传递函数，用近场声压平方和作为代价函数，80个扬声器作为控制源，96个误差传声器处100 Hz、200 Hz和300 Hz的平均降噪量分别达到19.6 dB、12.8 dB和10.3 dB［6］。

由于变压器体积较大，要对其辐射噪声实现有效的全局控制，有源噪声控制系统需要覆盖其所有的辐射面，因此需要的通道数较多，导致系统复杂且收敛慢。如果变压器位于一面开口的房间内，且房间墙壁的隔声量足够高，变压器噪声主要通过开口辐射到房间外，则可在开口面上安装有源控制系统控制向外辐射的噪声，此时系统需要的通道数和成本将显著减少。

Ise采用有源阻抗控制原理对安装在房间窗户处的有源控制系统进行了数值仿真。初级源和次级源均嵌在房间内壁中，窗户处安装4个误差传声器，只考虑二维声场，可在房间外200 Hz为中心频率的1/3倍频程内得到15 dB的平均降噪量，但同时房间内的平均声压级升高了约2 dB［7］。2005年Ise利用边界控制原理进行了有源隔声窗实验，控制通过窗户辐射到室内的噪声，用16个次级源和16个误差传声器构成有源控制系统，每个通道进行独立控制，当初级噪声为200—700 Hz的宽带噪声时，室内的平均降噪量达10 dB以上［8］。Huang等在2011年提出使用有源通风隔声窗来减少室外经窗户辐射到室内的噪声，数值仿真结果表明该有源隔声窗的有效控制带宽为390 Hz，实验中各误差点降噪量可达10 dB［9］。

虚拟声屏障由若干控制声源和误差传声器组成，通过有源噪声控制原理在指定区域内降噪。该技术基于Kirchhoff-Helmholtz方程，即若某一空间内部不存在声源，则该空间内任意一点的声压仅由该空间边界上的声压和声压梯度决定，若边界上声压和声压梯度处处为零，则空间内部声压处处为零［10］。2005年，Qiu等将24个控制源和18个误差传声器排成圆柱状阵列，在误差传声器围成的封闭空间内产生局部静区，静区内部降噪量达到11 dB，同时还指出，对实际可行的虚拟声屏障，控制声源之间的距离通常为待控频率对应波长的1/3到1/2［11］。Zou等在2007年提出的圆柱状分布的16通道虚拟声屏障系统可在中低频条件下产生人头大小的静区，降噪量达10 dB以上［12］。

上述虚拟声屏障都是三维的，目标是在局部空间产生静区。当变电站中的噪声主要通过某一个开口向外辐射时，在开口面上布放次级源，次级源前方安装误差传声器，通过控制误差传声器处的声压，就可以降低该开口向外空间的声辐射，次级源与误差传声器阵列以及控制电路就组成了虚拟声屏障。本文实验研究了虚拟声屏障对通过开口向外辐射的低频线谱噪声的控制效果，特别是在某全封闭变电站的一面侧墙上现场安装了15通道的虚拟声屏障，实测了其现场性能。本文属于有源噪声控制技术的工程案例，主要贡献有两点：一是现场确认实验搭建的能够自然通风采光的虚拟声屏障的隔声效果与所替换掉的封闭单层玻璃窗相当；二是现场实验验证了不需要参考传声器的内部合成参考信号自适应算法的可行性。

2　系统描述

如图1所示，虚拟声屏障系统基于有源噪声控制原理，由N个控制源、M个误差传声器以及相应的控制电路组成。图1中控制机柜内包括多通道自适应噪声控制器、滤波电路、功率放大器以及信号调理器，构成控制电路。信号调理器将误差传声器采集到的信号放大后馈入控制器，控制器的输出信号经功率放大器后馈给次级源（控制扬声器）。控制器采用全耦合自适应有源降噪算法［13］，参考信号为内部合成的相应频率正弦信号［14］。

图1　虚拟声屏障系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the virtual sound barrier system

系统的代价函数为M个误差传声器处的声压平方和

其中qs为次级源强度，等式右侧第二项确保了qs不至于太大，使得系统可实现且提高了系统的稳定性［12］。系统的降噪量定义为P个评价点控制前后声压poff和pon平方和比值的对数值

3　实验室验证

在南京大学声学研究所隔声室对虚拟声屏障的降噪效果进行测量。隔声室长6.2 m，宽5.0 m，高3.9 m，隔声室外有一条走廊，长10.1 m，宽1.8 m，高3.2 m，走廊一侧有一扇门，门宽1.6 m、高3.2 m。用扬声器模拟初级噪声源，其位置在室内距开口约2.0 m处，高度约0.5 m。在隔声室的墙体隔声量足够大的条件下，初级噪声主要通过开口向外辐射。开口处搭建15通道虚拟声屏障系统，次级源在水平方向间隔约0.6 m，竖直方向间隔约0.7 m，15个误差传声器位于对应的次级源前方0.2 m处。15通道实验系统照片见图2。控制后15个误差点100 Hz和200 Hz降噪量见表1。

图2　隔声室开口处15通道虚拟声屏障系统照片Fig.2 Photo of the 15-channel virtual sound barrier system at the opening of the sound insulation room

表1　15个误差点100 Hz和200 Hz降噪量Table 1 The noise reduction for 100 Hz and 200 Hz at the 15 error microphones

表1中除误差点13和误差点8的100 Hz降噪量较小，分别为7.6 dB和11.7 dB外，其他误差点的100 Hz降噪量均大于15 dB，最大为误差点9，降噪量为24.8 dB。4个误差点的200 Hz降噪量在10 dB以下，最小为误差点10，其降噪量为2.4 dB，除这4个点外其他误差点的200 Hz降噪量均在12 dB以上，最大为误差点4，降噪量为25.9 dB。除15个误差点外，还测量了远场5个点降噪前后100 Hz和200 Hz声压级并计算了降噪量，结果见表2。5个测点的高度均为1.2 m左右，距开口的距离分别约为1 m、3 m、5 m、8 m和10 m。

表2中5个测点的100 Hz降噪量均在16 dB以上，且相差不大，测点5的降噪量最大，为21.3 dB。对200 Hz，测点1的降噪量最小，为7.7 dB，测点4和测点2的降噪量达到10 dB以上，分别为12.2 dB和14.4 dB。5个远场测点的100 Hz降噪量均大于200 Hz。

表2　各测点100 Hz和200 Hz降噪前后声压级及降噪量Table 2 The sound pressure level before and after control and the noise reduction of 100 Hz and 200 Hz at the field points

隔声室实验的结果表明，当初级源位于室内，噪声主要通过开口向外辐射时，在开口处搭建虚拟声屏障可在远场实现对低频线谱噪声的有效控制。但实验中初级噪声为扬声器辐射的单频声场，而在线运行的变压器是一个复杂的体声源，虚拟声屏障对真实变压器噪声的控制效果需要在现场进一步确认。

4　现场实验

15通道虚拟声屏障现场实验在广东电网汕头供电局220 kV广兴站进行，照片见图3。现场共有2组变压器位于相邻的2个房间中，变压器正对上下共2排窗户，每排30扇，窗户总长度约30 m，高度2.7 m，距离地面2.7 m。选择2扇窗户进行拆除，总面积2.0 m（W）×2.7 m（H），在该位置安装虚拟声屏障系统，控制变压器由该开口向外辐射噪声中的100 Hz、200 Hz和300 Hz的线谱成分。

图3　广兴站现场照片Fig.3 Photos of the Guangxing substation

综合考虑100 Hz、200 Hz、300 Hz声压级大小、现场环境和施工条件，拆除窗户并安装虚拟声屏障的位置如图4所示。

图4　虚拟声屏障安装位置示意图Fig.4 Schematic diagram of the position of the virtual sound barrier

现场虚拟声屏障系统由换能器阵列和控制机柜组成，见图5。换能器阵列包括次级源阵列和误差传声器阵列两部分。开口面积为2.0 m（W）×2.7 m（H），故搭建了15通道的虚拟声屏障系统。次级源位于开口面上，在竖直方向和水平方向排成5×3的阵列，竖直方向自上而下间距依次为45.5 cm、48.5 cm、64.5 cm和64.5 cm，水平方向上均匀布放，间距约58.5 cm。15只误差传声器分别位于对应的次级源正前方1 m，组成误差传声器阵列。

图5　虚拟声屏障系统Fig.5 The experimental setup of the virtual sound barrier system

4.1窗户隔声效果

在安装虚拟声屏障前，首先测量了关窗时虚拟声屏障所在位置附近墙外侧5 cm处声压级，测量面积10 m（W）×5.4 m（H），对应图4中0≤x≤10 m、0≤y≤5.4 m的部分，声压级分布图见图6（a）、6（c）、6（e）。窗户拆除但还未安装虚拟声屏障时测量了相同平面的声压级，分布图见图6（b）、6（d）、6（f）。考虑到背景噪声随时间的随机性，测试结果取10 s的线性平均值，噪声频谱中100 Hz、200 Hz和300 Hz线谱幅值稳定且明显高于背景噪声的频谱包络。

图6中开窗前后100 Hz声压级相差不大，即窗户对100 Hz基本没有隔声效果。图6中方框内为虚拟声屏障所在位置，可以看出，打开窗户后开口处200 Hz和300 Hz声压级明显升高，即开口辐射对200 Hz和300 Hz声压贡献较大。此外选择距开口1 m、3 m、5 m和7 m处作测试平面，每个平面内取12个测点，竖直方向高度约为y=3.5 m、4.0 m、4.6 m和5.1 m，水平方向位置约为x=3.5 m、4.0 m和4.5 m。12个点的声压级作能量平均代表该测试平面的声压级，由此计算得到窗户的100 Hz、200 Hz和300 Hz插入损失，见图7。

图7中对于给定频率，插入损失随距开口距离的增大而逐渐变小，距窗户7 m处100 Hz和200 Hz插入损失基本降为0，300 Hz插入损失为5.5 dB，说明开口辐射声压的作用范围集中在近场7 m以内，再远处声压由其他窗户和通风隔墙整体贡献。对100 Hz，3 m处插入损失较小，5 m外插入损失为负值，即开口辐射的100 Hz声压仅在3 m以内贡献较大。因此下文对虚拟声屏障降噪性能的测量局限于距离小于7 m的区域。在这个区域，窗户的插入损失基本随频率的升高而增大，表明所研究的频率范围为窗户的质量控制区。

图7　窗户插入损失Fig.7 The insertion loss of the windows

4.2虚拟声屏障降噪效果

实验中次级源位于开口面上，比较了误差传声器位于次级源正前方20 cm、50 cm和1 m这3种物理配置下的降噪量，发现误差传声器离次级源1 m时降噪效果最好，此时15个误差点的100 Hz、 200 Hz和300 Hz降噪量及其平均值见表3。

表3中100 Hz、200 Hz和300 Hz平均降噪量达到12.7 dB、19.9 dB和22.2 dB。100 Hz平均降噪量低于200 Hz和300 Hz的原因是初级声场中100 Hz成分比200 Hz、300 Hz平均低1.0 dB和9.0 dB，误差点1和13的100 Hz降噪量为负，原因是初级声场中100 Hz线谱的声压级很低。有源控制器降噪的目标是把所有误差点的对应频率噪声降到本底，故在声压级很低的误差点和频率，相对降噪量不大。

实测100 Hz降噪量较小的另一个原因是其他窗户和通风隔墙对100 Hz的隔声量较小。此时，即使虚拟声屏障完全抑制了从开口向外辐射的噪声，由于其他传声途径的影响，残余噪声依然较大，故虚拟声屏障在100 Hz的降噪能力没有完全表现出来。而对300 Hz，其他窗户和通风隔墙对其隔声量较大，开窗后300 Hz声场主要从开口向外辐射，抑制从开口辐射的噪声就可以显著降低总噪声，因此获得的降噪量较大。

表3　误差点降噪量（误差传声器距次级源1 m）Table 3 Noise reductions at error points（The error sensors are 1 m in front of the secondary sources）

图8给出了虚拟声屏障的降噪量和窗户的插入损失随距离的变化曲线。图8中可见，100 Hz距窗户1 m处虚拟声屏障降噪量为10.6 dB，比窗户的插入损失高8.3 dB，该处虚拟声屏障降噪量较大的原因是此时测点距窗户1 m，其位置距误差点很近，因此降噪量较大，这同时也证明虚拟声屏障系统此时正常工作。随着测点距窗户距离的增大，100 Hz降噪量逐渐减小，原因是远场的100 Hz声压级受其他传声途径漏声影响较大。由图7可见由开口辐射的100 Hz声场仅在3 m以内贡献较大，3 m外窗户的插入损失为负值，故虚拟声屏障对100 Hz的有效降噪范围只限于3 m内，在此范围内其降噪效果与窗户相当，近场好于窗户，3 m外虚拟声屏障对100 Hz的降噪量为负值，控制后100 Hz声压级反而增大了，由于现场条件不方便，真实原因暂时不清楚。

图8　虚拟声屏障系统降噪量与窗户插入损失的对比Fig.8 The comparison between the noise reduction caused by the virtual sound barrier and the insertion loss of the windows

对200 Hz，近场3 m以内虚拟声屏障降噪量高于窗户插入损失，7 m处降噪量和插入损失基本相同，仅在5 m处虚拟声屏障降噪量低于窗户插入损失，基本可认为其对200 Hz的隔声效果和窗户相当。对300 Hz，虚拟声屏障的降噪量与窗户的插入损失基本相同。由于窗户和通风隔墙对300 Hz的隔声效果较好，所以虚拟声屏障对300 Hz的有效降噪范围较大，离虚拟声屏障较远（7 m）处300 Hz降噪量仍在5 dB以上。

严谨地表征虚拟声屏障的降噪效果应首先对其他传声途径（如窗户、通风隔墙等）进行隔声处理，使得变压器噪声主要从开口辐射出去，然后考察远场某些敏感点的降噪量。但由于变电站现场共2排窗户，每排30扇、总长度30 m，且通风隔墙面积较大（见图4），对所有窗户和通风隔墙进行隔声处理会影响室内通风散热，实施难度大，故没有进行处理。受这些传声途径的影响，虚拟声屏障对200 Hz和300 Hz的有效降噪范围仅局限在距窗户7 m以内，对100 Hz仅限于3 m以内，故无法给出更远处的降噪量。但现场实验验证了虚拟声屏障对真实变压器低频噪声控制的可行性，检验了不需要参考传声器的自适应算法，同时证明了在开口辐射声压贡献较大的范围内，虚拟声屏障的降噪性能基本等同于玻璃窗。

5　结论

基于不需要参考传声器的自适应有源降噪算法，研制了15通道虚拟声屏障系统。实验研究了虚拟声屏障对通过开口向外辐射的低频线谱噪声的控制效果。首先在某实验室的隔声室开口处搭建系统，远场100 Hz和200 Hz的降噪量分别达到16.6 dB和7.7 dB；然后在变电站现场搭建系统，在误差传声器距次级源1 m条件下，15个误差点处的100 Hz、200 Hz和300 Hz平均降噪量分别为12.7 dB、19.9 dB和22.2 dB。由于未对现场其他传声途径进行隔声处理，虚拟声屏障的降噪效果测量仅局限在开口辐射声贡献较大的近场7 m内。现场测量表明，在此范围内200 Hz和300 Hz降噪量与现场单层封闭窗户的插入损失相当，但采用虚拟声屏障可基本保持室内自然通风和采光，有利于变压器的散热。

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Experimental study of applying a virtual sound barrier to reduce low-frequency noise of transformers

WANG Suwen1ZHANG Songguang1WANG Shuping2WEN Yanguang1GUO Shuguang1CHEN Hongshi1TAO Jiancheng2QIU Xiaojun2
（1 Shantou Power Supply Bureau，Shantou 515000，China）
（2 Key Laboratory of Modern Acoustics，the Institute of Acoustics，Nanjing University，Nanjing 210093，China）

Implementing a virtual sound barrier composed of loudspeakers and error microphones at the opening of a building works as an effective way to reduce the low-frequency transformer noise radiated outside. A 15-channel fully-coupled virtual sound barrier system is implemented which applies the algorithm with an internally synthesized

ignal.The experiments in the laboratory show that such a virtual sound barrier at the opening of 1.6 m×3.2 m achieved a noise reduction of 16.6 dB and 7.7 dB for tonal noise of 100 Hz and 200 Hz，respectively，within the area 10 m away from the virtual sound barrier.Measurements in a substation show that the average noise reduction at error points is 12.7 dB for 100 Hz，19.9 dB for 200 Hz and 22.2 dB for 300 Hz when the system is implemented at a 2.0 m×2.7 m opening，and the performance of the virtual sound barrier and the windows are almost the same within the area where sound radiated from the opening dominates the sound field.Compared with traditional passive noise control methods，the advantage of applying such a virtual sound barrier system is that it helps the ventilation and lighting of the building as well as the heat dissipation of the transformers.

Open buildings，Virtual sound barrier，Transformer，Low-frequency noise

O429

A

1000-310X（2015）06-0487-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.06.003

2015-02-17收稿;2015-04-25定稿

∗国家自然科学基金项目（11104141，11474163）

王素文（1970-），男，广东揭阳人，大学本科，研究方向：电力系统及其自动化。

E-mail：wangsp822105@126.com