一種抗干擾變電站1/3倍頻程噪聲測量方法*

盧 鈴 蔡 煒曹 浩武帥兵吳 鳴彭繼文

(1國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院 長沙410007)

(2國網(wǎng)電力設施噪聲與振動實驗室 長沙410007)

(3國網(wǎng)湖南省電力有限公司婁底供電分公司 婁底417000)

(4中科傳啟(蘇州)科技有限公司 蘇州215010)

0 引言

長時檢測及合理估計變電站噪聲源的聲壓級對評價噪聲污染指標及后續(xù)治理都至關重要[1-6]。然而環(huán)境中的其他噪聲如鳥叫、蟲鳴，以及各種人為噪聲如車輛行駛、鳴笛聲等都會對變電站噪聲測量產(chǎn)生不良影響。目前已有的變電站噪聲測量技術，多采用聲級計等設備進行測量，其不具備抗干擾功能，導致測量結(jié)果不準確。

如何有效去除外界干擾信號，實現(xiàn)變電站噪聲的準確測量是本文研究的主要目的。對于干擾信號的去除可以從時域和頻域兩個方向進行。時域去除方法即根據(jù)外界干擾噪聲和變電噪聲的時域特點，如能量、相關性等進行去除。如文獻[7]采用相關性分析，來判斷是否存在干擾信號，從而利用分時測量方法去除背景干擾噪聲。頻域去除方法是利用變電站噪聲與干擾信號不同的頻譜特點，通過采用通帶與阻帶梳狀濾波器從變電站混合聲信號中分離出變電站聲信號[8]。然而，由于變電站背景噪聲復雜，發(fā)生的時刻與強度具有隨機性，因此這兩類方法效果均有限。而文獻[9]提出了一種基于小波分解與譜減法相結(jié)合的變電站噪聲預處理方法，采用小波包分析算法將變電站聲信號時頻分解，對分解后的帶噪頻段小波包信號進行譜減法處理。但該方法只能測量整體聲壓級，而無法測量1/3倍頻程聲壓級。

在噪聲的測量中，采用1/3倍頻程頻譜分析能更加詳細地反映出噪聲源的頻譜特性，便于較全面地了解聲源產(chǎn)生機理和提出最佳的降噪對策[10-13]。為此，本文針對性地提出了一種抗干擾的1/3倍頻程聲壓級測量方案。首先采用最小值控制遞歸平均(Minimum control recursive average,MCRA)方法[13-14]來判斷當前幀各個1/3倍頻程是否存在干擾信號，對于存在干擾信號的1/3倍頻程，不進行聲壓級更新，從而確保1/3倍頻程聲壓級估計準確程度。

1 抗干擾變電站噪聲估計方法

本文提出的抗干擾變電站噪聲估計方法整體算法框圖如圖1所示。傳聲器接收信號為式(1)中，s(n)為所需測量的變電站噪聲信號，v(n)為測量時的噪聲干擾信號，包括鳥叫、蟲鳴、雞叫、工廠電鋸噪聲等信號。而后設計1/3倍頻程濾波器求得每個1/3倍頻程濾波器對應的輸出值；同時，采用MCRA算法求解出每個時頻點干擾信號存在概率，并綜合成1/3倍頻程干擾信號存在概率；最后根據(jù)干擾信號存在概率，對當前時刻1/3倍頻程估計值進行相應加權處理，最終得到去外界干擾的1/3倍頻程聲壓級輸出閾值，該閾值將作為應對各種干擾情況下，時域1/3倍頻程濾波輸出后功率譜更新的閾值。

圖1 抗干擾變電站噪聲估計方法Fig.1 An estimation method of anti-disturbance substation noise

1.1 1/3倍頻程干擾信號存在概率估計

利用MCRA方法對干擾信號存在概率進行估計。采集的信號y(n)進行重疊加窗處理并進行傅里葉變換，表達式為

式(2)中，k、l分別是頻段索引和時間幀索引，w(n)是長度為N的窗函數(shù)，M為幀步長。

在頻域?qū)γ恳粠斎胄盘栴l譜進行頻率點平滑，

其中，b(i)表示歸一化窗函數(shù)，窗函數(shù)的長度為2ω+1。接下來再進行幀間平滑，

將式(3)帶入式(4)中，得其中，αs為平滑參數(shù)，代表一個窗長為的矩形平滑窗，S(k,l-2)表示前一幀輸入信號功率譜。接下來跟蹤平滑功率譜S(k,l-1)的最小值，

再定義

其中，Bmin是噪聲譜最小值估計偏置補償因子而后求得各時頻點干擾信號存在值為

I(k,l-1)=1代表干擾信號不存在，而I(k,l-1)=0代表干擾信號存在。而后依據(jù)1/3倍頻程定義，綜合所有得到1/3倍頻程干擾信號存在概率為

其中，Ω表示對應的1/3倍頻程，k∈Ω表示位于該1/3倍頻程通帶內(nèi)的所有頻率點。

1.2 1/3倍頻程濾波器實現(xiàn)

依據(jù)GB/T 3241.3-202倍頻程和分數(shù)倍頻程標準，1/3倍頻程濾波器應滿足的性能需符合2級標準[15]。對于變電站噪聲測量，其測試最高頻率為20 kHz，因此本文所采用的采樣頻率為48 kHz，整體1/3倍頻程采用多速率處理技術，對于中心頻率大于50 Hz的1/3倍頻程，采樣頻率為48 kHz；當中心頻率小于50 Hz的3個1/3倍頻程，將原始信號進行4 kHz低通濾波。所采用的低通濾波方法為5階無限脈沖響應(Infinite impulse response,IIR)濾波。之后，將低通濾波后的信號經(jīng)過抽取，從48 kHz降采樣為8 kHz進行處理。每個1/3倍頻程對應帶通濾波采用3個二階IIR濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。

1.3 抗干擾噪聲的1/3倍頻程聲壓級輸出

根據(jù)1/3倍頻程濾波器輸出及當前幀干擾信號存在概率來進行，當干擾信號存在概率較大時，不進行1/3倍頻程聲壓級更新；干擾信號存在概率較小時，進行1/3倍頻程聲壓級更新輸出，即

其中，It(Ω)為每個1/3倍頻程預設的門限值，該值為I′(Ω,l)在多幀估計下的平均值，

2 仿真實驗

本節(jié)將通過仿真來驗證所提方法有效性。實際設計的1/3倍頻程濾波器相對衰減值如圖2所示，藍色曲線是仿真設計的濾波器曲線，紅色虛線為國家規(guī)定的衰減設計標準。從圖2中可以看出，濾波器相對衰減值性能符合相關國家標準?？垢蓴_算法中采取的各項參數(shù)分別如表1所示。

圖2 中心頻率為100 Hz的帶通濾波器圖Fig.2 The bandpass filter with a center frequency of 100 Hz

表1 調(diào)制參數(shù)Table 1 Setting parameters

接下來驗證本文所提出的抗干擾1/3倍頻程方法性能，驗證實驗中采用的變電站噪聲信號和干擾信號如圖3所示。

圖3 不同噪聲信號時域波形圖Fig.3 Time-domain waveforms of different noise signals

從圖3看出，純凈的變電站噪聲為穩(wěn)態(tài)噪聲，而干擾信號為非穩(wěn)態(tài)噪聲，把變電站噪聲加上干擾信號合成得到含干擾信號的變電站噪聲。為了模擬戶外噪聲環(huán)境，實驗測量在半消聲實驗室中進行，如圖4所示，變電站聲源和環(huán)境干擾源分別位于兩個不同位置，傳聲器放置于中間，傳聲器與聲源相距3 m。對含干擾信號(蟲鳴噪聲、鳥叫噪聲、雞叫噪聲、電鋸噪聲)的變電站噪聲進行1/3倍頻程聲壓級測量，測量結(jié)果如表2～5及圖5～8所示。可以看出，對于蟲鳴干擾，在50～300 Hz和2000～10000 Hz等頻段，極大地干擾了1/3倍頻程測量結(jié)果，而采用本文去干擾的方法，可以使得測量結(jié)果更加接近于真實值。對于鳥叫、雞叫、電鋸等其他干擾頻率主要集中在中高頻頻帶的噪聲，同樣采用所提出的方法可以更加精確地得到1/3倍頻程聲壓級。

圖4 信號采集實驗環(huán)境圖Fig.4 Signal acquisition experimental environment

圖5 存在蟲鳴干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Fig.5 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of insect noise

表2 存在蟲鳴干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Table 2 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of insect noise

表3 存在鳥叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Table 3 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of bird call noise

表4 存在雞叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Table 4 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of cock call noise

表5 存在電鋸干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Table 5 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of chainsaw noise

圖6 存在鳥叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Fig.6 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of bird call noise

圖7 存在雞叫干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Fig.7 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of cock call noise

圖8 存在電鋸干擾情況下的1/3倍頻程聲壓級測量結(jié)果Fig.8 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of chainsaw noise

最后，表6直觀展現(xiàn)所提出方法估計變電站噪聲聲壓級的抗干擾性能。由表6可知，所提出的方法對于蟲鳴、鳥叫、雞叫、工廠電鋸等外界干擾影響下的變電站噪聲估計是魯棒的。由于本文的實質(zhì)是在每一頻段設置功率檢測閾限，當被判斷為存在干擾時不進行頻譜能級的更新或測量，這種方法在一定程度上避免了干擾的影響。此外，該方法只針對特定干擾(如仿真中的動物叫聲等沖擊聲)，如背景噪聲為寬頻帶連續(xù)噪聲，即當干擾噪聲在每一幀上均存在時，本文方法的效果較為有限。

表6 干擾情況下的聲壓級測量結(jié)果Table 6 Sound pressure level measurements under the disturbance

3 結(jié)論

變電站附近的干擾噪聲如鳥叫、蟲鳴、雞叫、工廠噪聲等會極大影響到變電站噪聲的測量。本文提出了一種抗干擾的1/3倍頻程聲壓級測量方法。首先進行1/3倍頻程濾波器的設計，采用多速率采樣技術，減小中心頻率較低處所需濾波器階數(shù)。仿真結(jié)果表明，所設計的濾波器可以達到相應的國家標準。而后對輸入信號在每個1/3倍頻程存在干擾信號的概率進行估計。當干擾信號存在概率較大時，不進行1/3倍頻程聲壓級更新；干擾信號存在概率較小時，進行1/3倍頻程聲壓級更新輸出。仿真結(jié)果表明，采用該方法可以在存在瞬態(tài)干擾信號的情況下，實現(xiàn)更準確的1/3倍頻程聲壓級測量，但同時該方法對寬頻帶穩(wěn)態(tài)噪聲效果有限。