基于超材料声屏障的10 kV开关站噪声控制

王 威，弓静强，徐春盛

(国网浙江永康市供电公司，浙江 永康 321300)

0 引言

居民区附近安装的10 kV开关站产生的噪声可能对居民健康造成一定影响。受磁致伸缩效应影响，开关站在50 Hz交流频率下，其低频噪声主要集中在100 Hz及其整数倍频率处。当开关站内部设备运行状态由于复杂环境条件引起运行异常时，产生的噪声往往会超过标准限制[1-2]。因此，有必要研究10 kV开关站外部降噪措施。

现有研究显示10 kV开关站噪声主要集中在低频频段[3]。传统的噪声屏障对高频噪声的抑制效果较好，但对低频噪声的抑制效果较差[4-7]。空间螺旋声学超材料的带隙可以通过改变几何特征将降噪特征频率转移到所需的频率，从而起到对特定频率噪声进行降噪的作用[5-9]。

声屏障的工作原理主要是让噪音声波部分穿透隔声屏障，部分反射到隔声屏障表面，其余声波则绕行隔声屏障后到达接收点[7，9-12]。因此，可以通过控制声波经过上述3条传播途径的方式，以达到理想的降噪效果。

有源噪声控制具有低频降噪的特性，且具有体积小、成本低以及灵活性强等优点，因而被广泛应用于变压器降噪中[11-15]。因此，本文提出了一种结合声学超材料噪声屏障的有源噪声控制系统。

1 声屏障设计

1.1 声屏障特性

本文对某地10 kV开关站进行噪声测量，通过声波方程傅里叶变换得到的噪声归一化光谱图如图1所示。由图1可见，噪声的频率主要集中在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz，其中200 Hz的声波归一化振幅达到最大值。

图1 10 kV开关站噪声归一化频谱图

在开关站障碍物附近存在一个噪声明显减弱的声暗区，如图2所示。声暗区范围是由噪声频率决定的，频率越高，暗区范围就越大。

图2 声屏障的暗区

用声学超材料直接穿透声屏障的方法可以有效抑制开关站噪声，但声屏障边缘绕射的低频噪声仍然是影响声屏障降噪效果的主要因素。声屏障在高频降噪效果比低频降噪效果好得多，因此，抑制低频声波在声屏障边缘的绕射是提高声屏障降噪性能的关键。本文引入Hilbert分形天线的概念来模拟Hilbert分形声学超材料(HFAMM)，模拟结果表明，分形层次的增加会产生更多的带隙，最低带隙向低频移动。HFAMM具有负折射率特性，在低频段具有良好的降噪性能，适合作为10 kV开关站的噪声屏障。声屏障是由多个声学超材料单元组成的。三阶HFAMM结构单元原理如图3所示。环氧基底板上设置了三阶希尔伯特曲线型空气通道，空气通道两端与外界相连。空气通道是声波传播的路径。该装置是1个65 mm×65 mm×65 mm的立方体块，空气通道宽度为2 mm。

图3 三阶HFAMM原理

声压传播系数为

(1)

pt为透射波的声压；pi为入射波的声压。

通常用传递损失衡量通过声屏障的声能衰减，传递损失(LTL)为

(2)

通过有限元软件COMSOL Multiphysics 5.0进行仿真分析，发现b=2 mm的三阶HFAMM在低频段的传输损耗大于20 dB，如表1所示。在频率为200 Hz时，传输损耗达到最大值29 dB。仿真结果是在入射波为平面波且不考虑声波绕射的理想条件下得到的。在实际应用中，由于声波分布的复杂性和障壁边缘附近的衍射效应，声波的传输损耗远低于理论分析。仿真选定参数的声学超材料在100 Hz及其整数倍频率下仍表现出相对较好的隔声特性。同时采用点声源对声学隔音屏障的降噪特性进行了试验，得到的不同频率下的声波传输损耗如表1所示。

表1 三阶HFAMM的LTL

由表1结果可知，本文设计的声屏障能够有效衰减不同频率下的噪声，不同频率下声屏障的声波传输损耗在15～25 dB之间，验证了声屏障有效性。但是不同频率下声屏障衰减的程度不同，这是由声屏障衍射造成的，因此，需要进一步对声屏障参数进行分析优化。

1.2 声屏障参数设计

基于噪音特性和声学超材料特性，本文提出了噪声控制与超材料声屏障相结合的方法来抑制衍射声波。本文运用的有源噪音控制系统主要由次级声源和控制器组成，次级声源由电声装置(如扬声器)组成。次级声源靠近声屏障的边缘布置，从而产生抵消声波。控制系统如图4所示。

优步平台源数据包括行程起始时间、起始点坐标、行驶时间、行驶距离以及车型、车龄等参数信息。研究采用成都优步平台提供两组数据，一组为2016年2月22日到2月27日一周共884,412条出行数据进行分析，该组数据共包含了533种车型；第二组数据为优步（成都）平台的所有凯美瑞系列车型的出行数据，包括不同车型年（2006-2016），8款车型(200E, 200G, 240E, 240G, 2.0E, 2.0G,2.5G, 2.0S)，自2014年6月至2016年8月期间的约710,000 条出行数据。

图4 基于FxLMS的控制系统

第n时刻的初级声源矢量为

x(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-N1+1)]T

(3)

第n时刻控制器的滤波器权重向量为

w(n)=[w(n),w(n-1),…,w(n-N1+1)]T

(4)

自适应控制器在n时刻的输出为

y(n)=wT(n)x(n)

(5)

该控制器的目标是使误差传感器所在位置的误差信号的声压级达到最小值。误差传感器测得的误差信号为

e(n)=d(n)-s(n)*y(n)

(6)

s(n)为次路径的脉冲响应；*表示线性卷积。

(7)

使用梯度下降法使均方误差函数最小化，推导出FxLMS算法为

w(n+1)=w(n)+μae(n)x′(n)

(8)

Lp≈-20lg(p/p0)

(9)

p0=2×10-5Pa为参考声压；p为声压。给定测量点上的SPL，不含超材料声屏障噪声控制系统和含超材料声屏障噪声控制系统的声压级分别为Lp1和Lp2。由超材料声屏障噪声控制系统的补偿效应导致的噪声降低增量定义为

ΔLp=Lp1-Lp2

(10)

2 声屏障应用试验

目前，用于开关站降噪的声学超材料仍处于实验室验证阶段。因此，本文在实验室搭建了超材料声音屏障降噪实验系统，以验证本文提出的声屏障有源噪声控制方法的可行性。实验系统由初级声源、超材料声屏障和控制系统组成。使用低频扬声器作为初级声源，初级声源与变压器噪声的频谱一致，其产生的噪声频率集中在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz。超材料声屏障由多个三阶HFAMM有序排列而成。声屏障与初级声源之间的距离Dpb为20 cm。操作系统由1个基于FxLMS的控制器、功率放大器、参考和误差传感器、2个次级声源，以及1个用于测量和分析声压的噪声分析仪组成。超材料声屏障位于初级声源前方，距离初级声源表面约20 cm。

实验系统测量模型俯视图如图5所示，2个次级声源位于声屏障的两侧。初级声源与次级声源方向的夹角为45°。初级声源和次级声源之间的距离Dps为45 cm。次级声源产生的声波的振幅和相位由控制器控制，以抵消在声屏障边缘绕射的声波。在降噪目标区域放置误差传感器。由于超材料声屏障的良好降噪性能， 在目标区域选择3个测点：第1个测点在误差传感器前面，靠近第1个次级声源；第2个测点在误差传感器前面，靠近另一个次级声源；第3个测点在前2个测点的中间。相邻测点之间的距离Dmm为15 cm。

图5 测量模型示意(俯视图)

在开启操作系统前后分别测量了目标区域8个测点的声压级。测点1到测点3接近目标区域内的误差传感器，测点4到测点6已越过超材料声音屏障，测点7和测点8对称设置在超材料声音屏障阻隔的两侧。对多个测量值进行平均，以确保测量结果的可靠性。试验中无超材料声屏障噪声控制系统和有超材料声屏障噪声控制系统的声压级及降噪增量如表2所示。

表2 试验降噪增量

使用超材料声音屏障的噪音控制系统后,在目标区域内3个测点上的降噪增量分别为14.59 dB、15.03 dB和13.02 dB。超材料声屏障附近点的降噪增量小于目标区域点的降噪增量。此外，隔声屏障上方点的降噪增量小于两侧点的降噪增量。

试验结果表明，噪声干扰对目标区域的降噪效果有显著的影响。

3 结束语

本文基于噪音特点和声屏障特性，设计了一种声学超材料屏障，试验验证了屏障降噪有效性；最后提出了一种结合超材料声屏障的有源噪声控制的方法。通过搭建实验室控制系统，验证了该方法对抵消声屏障边缘附近的绕射声波的可行性。主要得到以下结论：

a.本文基于三阶HFAMM结构单元原理，采用了3D打印技术制作了具有良好低频隔声性能的三阶HFAMM隔声屏障，并且进行仿真和试验验证。仿果表明，在10 kV开关站噪声100 Hz及其整数倍频率下，传输损耗大于20 dB，三阶HFAMM超材料声音屏障具有相对较好的隔声特性。试验结果表明，不同频率下声屏障的声波传输损耗在15～25 dB之间，验证了声屏障有效性。

b.本文建立的超材料声屏障噪声控制系统的试验表明，在目标区域的指定测点上，有超材料声屏障噪声控制系统的降噪增量分别为14.59 dB、15.03 dB和13.02 dB。该方法对提高隔声屏障的降噪性能是可行的。