GIS擊穿現(xiàn)場實驗初步分析

喬亮

摘要;本文對GIS擊穿現(xiàn)場實驗進(jìn)行了初步分析，從擊穿聲傳播時間、擊穿聲頻譜、仿真及聲源定位幾個方面做了詳細(xì)的介紹，通過分析比較，得出實驗與仿真結(jié)果基本一致。

[關(guān)鍵詞] 擊穿聲;GIS

為了探索現(xiàn)場GIS擊穿聲場分布規(guī)律，在某電科院GIS大廳進(jìn)行GIS現(xiàn)場擊穿試驗，在大廳內(nèi)布置12個麥克風(fēng)傳感器。位置如圖1，具體坐標(biāo)位置如表1。

圖1表1現(xiàn)場測試麥克風(fēng)測點位置圖

圖2 現(xiàn)場測點布置圖

1背景噪聲分析

為了確保噪聲定位時噪聲信號的有效性，需要確保擊穿噪聲的聲壓級比背景噪聲高10dB以上，因此在測試擊穿噪聲前測試環(huán)境背景噪聲。測試結(jié)果如下表3，背景噪聲源主要有兩處，室外噪聲和數(shù)據(jù)采集儀風(fēng)扇聲源。12號點接近大門口，數(shù)據(jù)采集儀在8號點和9號點之間。因此7-9號點受風(fēng)扇噪聲影響，10-12號點受室外噪聲影響。

2擊穿聲傳播時間分析

圖3 GIS擊穿聲信號波形

實驗受噪聲干擾極小可忽略不及、無需去噪，應(yīng)用時差定位法采用四傳感器為基本定位單元對放電位置進(jìn)行空間定位。

時差定位法：

圖4基于時差法的信號源空間定位

即：

其中，為信號源到傳感器x、y距離差，由信號源到傳感器x、y的時間差乘信號的傳播速度可得，在信號波形上選取標(biāo)定時刻做差得到時間差。

基于四個傳感器的空間定位要求傳感器處于同一平面，分別選取編號為1、2、5、8;1、2、5、7的兩組傳感器對聲源進(jìn)行定位。進(jìn)行時延估計時，選取各傳感器接收信號幅值的1/6處、1/4處及1/2處所對應(yīng)時刻為標(biāo)定時刻，將標(biāo)定時刻相減得到估計時延用于聲源定位，定位時聲速以空氣中經(jīng)驗聲速為準(zhǔn)取值340m/s。

定位方程為二次方程，故每個方程組均有兩組解，關(guān)于傳感器所在的平面對稱，但其中一組坐標(biāo)在管外舍去，定位結(jié)果單位為米，如表4所示：

本次定位測試中聲源坐標(biāo)為（0，0，0），采用基于四傳感器的時差定位法對聲源進(jìn)行定位，定位時涉及到的主要問題有：時延估計及聲速取值問題。進(jìn)行時延估計時需在信號上選取特征值進(jìn)行時刻標(biāo)定，觀察聲信號波形特點，選取擊穿直達(dá)聲首上升沿作為標(biāo)定時刻，分別以波形幅值的1/4、1/2及1/6所對應(yīng)時刻作為標(biāo)定時刻進(jìn)行時延估計，根據(jù)經(jīng)驗選取聲速為340m/s來定位聲源，定位誤差在15cm以內(nèi)，且標(biāo)定時刻越接近幅值時定位精度越高。時差法定位準(zhǔn)確，但是實際應(yīng)用中時間同步很難做到。

3擊穿聲頻譜分析

對聲音信號處理通常有寬帶和窄帶兩種處理方法，寬帶處理方法一般有倍頻程和1/3倍頻程兩種。寬帶處理方法源于人耳對聲音的靈敏度，頻率越高，人耳對頻率分辨度越差。因此，寬帶處理通常使用倍頻程來處理，即兩個頻率相比為2的聲音間的頻程，倍頻程之間為八度的音高關(guān)系，即頻率每增加一倍，音高增加一個倍頻程。例如下圖中選取的頻率區(qū)間是低音6#到中音6#所對應(yīng)的琴鍵，中間剛好相差八個鍵，即八個音符。

圖5倍頻程處理方法

如果在一個倍頻程的上、下限頻率之間再插入兩個頻率，使 4個頻率之間的比值相同（相鄰兩頻率比值=1.25992倍）。這樣將一個倍頻程劃分為3個頻程，稱這種頻程為1/3倍頻程。

1/3倍頻程通常使用在環(huán)境噪聲領(lǐng)域，用于評價對噪聲人類生活的影響。因此，寬帶信號處理方法相對于窄帶處理方法而言，精確度有所欠缺。

窄帶分析方法就是傳統(tǒng)的傅里葉變換（FFT）分析方法，用窄帶分析方法處理后的頻譜圖也是指數(shù)衰減曲線，與以往論文研究一致。如圖所示，對用窄帶和寬帶處理方法對2號和3號點的擊穿瞬間聲音進(jìn)行頻譜分析，可以看出寬帶處理方法，在低頻處很低，有滯后性。

圖6寬帶與窄帶處理方法對比

對低中高頻率（10、100、1000Hz）成分隨時間變化曲線，爆炸發(fā)生在0.167s，由圖可知。寬帶信號的頻率成分相對爆炸時間有滯后性，而且頻率越低滯后越嚴(yán)重。因此采用窄帶方法進(jìn)行信號處理。

圖7寬帶處理方法各頻段分量隨時間變化

窄帶分析方法就是傳統(tǒng)的傅里葉變換（FFT）分析方法。由圖可知，頻率越高衰減越快，且低頻聲音反射劇烈。因此，為了避免反射聲的影響，主要拾取直達(dá)聲做分析進(jìn)行定位。

圖8窄帶處理方法各頻段分量隨時間變化

4仿真分析

根據(jù)現(xiàn)場尺寸位置，建立現(xiàn)場聲學(xué)模型。地板、天花板和四面墻面均為反射面，在預(yù)知擊穿處設(shè)置一個點聲源。分別發(fā)出25Hz、125Hz、975Hz的單頻噪聲，求解理想狀態(tài)下的噪聲分布。利用聲線法進(jìn)行計算。

圖9 空間聲學(xué)模型

圖10 125Hz單頻噪聲分布

聲源是各向同性的點聲源，點聲源聲壓級理論上呈圓球狀向外衰減。從結(jié)果可以看出，云圖呈橢錐狀向外衰減，原因是聲音在管道內(nèi)形成空腔混響。從而導(dǎo)致聲源變成類似長條線聲源。沿管道長度方向的傳播得到加強(qiáng)。

5聲源定位分析

聲功率是聲源發(fā)出的總功率，等于聲強(qiáng)在聲能流方向垂直表面上的面積分，即

聲壓或聲強(qiáng)表示的是聲場中聲波的點強(qiáng)度，對于非平面波一般聲場，他們隨測點至聲源距離的增加而減小同時還受到周圍聲學(xué)環(huán)境（比如房間邊界反射引起混響效應(yīng)）的影響。

在聲功率不變的情況下，隨著距聲源距離的增加，聲能流方向垂直表面積增加，因此聲壓和聲強(qiáng)隨距離減小。因此，我們利用此原理進(jìn)行噪聲源定位。另外，大氣對聲音的吸收也會對聲壓和聲強(qiáng)有衰減。對于熱而比較干燥的夏天空氣，頻率3000Hz的聲衰減是0.14dB/m，頻率10000Hz的聲衰減是0.48dB/m。

因此，利用各點聲音窄帶單頻幅值來推算聲源點位置。為了避免外界可能帶來的噪聲干擾，采用低中高頻率（25、125、975Hz）三種頻率成分的信號進(jìn)行識別。如果沒有外界噪聲干擾，三種頻率成分信號識別的結(jié)果應(yīng)該一致。如表5所示，將每種頻率下各點的幅值在空間上插值成空間聲場分布圖，可以看出，三種頻率下識別的聲源位置大致都在7號測點位置，與實際聲源位置有一定距離，原因可能是擊穿位置在管路中心線靠左側(cè)區(qū)域，而不是在中心線上，導(dǎo)致管路左側(cè)聲振強(qiáng)度比右側(cè)大，因此左側(cè)輻射強(qiáng)度大于右側(cè)，造成聲源傳播帶有明顯的指向性，而不是類似點聲源各個方向均勻傳播。

表5 聲壓級強(qiáng)度判斷聲源位置圖

25Hz 125Hz 975Hz

為了進(jìn)一步說明驗證仿真與實驗出現(xiàn)差別的原因，對傳播衰減特性進(jìn)行驗證。由于12號點在門口，沒有反射面，與仿真條件差別很大。因此，選取7號點和11號點的聲壓級衰減進(jìn)行對比，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯抡婧蛯嶒灲Y(jié)果很接近。說明聲學(xué)仿真邊界條件設(shè)置與實際比較接近，差別可能是由于聲源本身所導(dǎo)致的。

將聲源偏移至管壁左側(cè)，不放置在管中間，進(jìn)行仿真，如圖11所示，可以看出中心聲壓級中心熱點有所偏移，偏移至聲源的左下方。說明實際聲源可能是在管中心偏左位置，引起了管壁的強(qiáng)烈振動，導(dǎo)致左邊聲壓級高于右邊，引起聲壓級熱點中心相對聲源向左下偏移。

圖11 聲源偏左仿真結(jié)果

6結(jié)論

經(jīng)過試驗分析可得出以下結(jié)論：

擊穿聲源時域信號為指數(shù)衰減信號，其頻域曲線也是呈指數(shù)衰減趨勢;

窄帶頻域處理方法比寬帶處理方法更加準(zhǔn)確;

利用時差法定位較準(zhǔn)確，但是實際裝置中很難將時間同步;

利用聲壓級強(qiáng)度進(jìn)行聲源定位的方法，各頻率下的判斷結(jié)果一致，但由于聲源不位于管中間，導(dǎo)致聲壓級熱點中心相對于聲源向左下偏移，實驗與仿真結(jié)果一致。