一種干式空心電抗器自適應有源降噪系統的制作方法
本發明涉及一種降噪系統，尤其是一種干式空心電抗器自適應有源降噪系統。
背景技術：
作為特高壓交直流輸電工程的主要感性元件之一，干式空心電抗器具有線性度高、結構簡單、免維護等優點，因功能用途不同，在輸電系統中起到無功補償、限制短路電流、濾除高次諧波、減少直流系統諧波分量等作用。隨著輸電工程電壓等級不斷提升，電網規模日益擴大，數量龐大的干式空心電抗器投運到輸電工程中。干式空心電抗器在時變電流激勵下，受時變電流及磁場共同作用的電磁力使得電抗器包封產生受迫振動，進而向周圍環境產生輻射噪聲。受迫振動產生的結構福射噪聲作為輸變電工程中主要噪聲源之一，對周邊居民生活、職業人員健康有一定的負面影響。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種干式空心電抗器自適應有源降噪系統，使它能通過自適應控制器運算產生次級信號來使揚聲器發聲以抵消噪聲。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種干式空心電抗器自適應有源降噪系統，包括內罩和外罩，內罩為上端開口的圓筒形，外罩為下端開口的圓筒形，內罩位于外罩內，內罩與外罩的中心線重合，外罩內分別安裝自適應控制器、第一放大器、第二放大器、揚聲器和功率放大器，外罩側壁開設連接孔，揚聲器與連接孔相對，內罩底部安裝連板，連板上安裝連接架，外罩上表面中間部位設置通孔，通孔內安裝軸承，軸承內安裝固定軸，固定軸下端固定在內罩中間部位，固定軸上端安裝固定板，固定板的直徑大于外罩的直徑，固定板下部分別安裝第一傳感器和第二傳感器，自適應控制器分別與第一放大器、第二放大器和功率放大器連接，第二傳感器與第二放大器連接，第一傳感器與第一放大器連接，功率放大器與揚聲器連接。
本發明為了進一步解決其技術問題所采用的技術方案是：所述的外罩外壁沿水平方向均勻安裝至少三個連桿的一端，每個連桿的另一端均安裝風杯，風杯為碗型。所述的固定板上設置鷹形攝像頭。所述的固定板下部分別安裝兩個豎桿，每個豎桿上分別安裝電動伸縮桿，第一傳感器和第二傳感器分別固定在對應的電動伸縮桿的活動端端部。
本發明的有益效果是：本發明的第一傳感器為參考信號傳感器，第一傳感器采集干式空心電抗器發出的初級噪聲作為參考信號傳遞到自適應控制器，自適應控制器據此輸出一個控制信號作為次級信號驅動揚聲器發出次級噪聲，干式空心電抗器發出的噪聲所建立的初級聲場與揚聲器發出的次級噪聲所建立的次級聲場產生疊加。第二傳感器為誤差傳感器，第二傳感器采集到疊加后的聲壓，并形成誤差信號。由于初級聲源以及周圍環境時刻變化的特性，自適應控制器接收到誤差信號后，能夠根據預設的目標函數時刻調整次級噪聲的幅值、頻率和相位，這一過程會持續至誤差信號滿足目標函數，以使系統達到穩定狀態，從而依靠揚聲器發聲以抵消噪聲，取得良好的降噪效果。避免對周邊居民生活、職業人員健康造成負面影響。
附圖說明：
圖1是本發明結構示意圖；圖2是圖1的a向視圖；圖3是自適應有源降噪系統圖；圖4是自適應有源降噪系統工作示意圖；圖5是干式空心電抗器有源降噪系統數學模型圖；圖6是干式空心電抗器有源降噪系統模型簡化圖連續域；圖7是干式空心電抗器有源降噪系統模型簡化圖離散域；圖8是自適應控制器結構圖；圖9是fir橫向濾波器結構圖；。
具體實施方式
一種干式空心電抗器自適應有源降噪系統，包括內罩3和外罩5，內罩3為上端開口的圓筒形，外罩5為下端開口的圓筒形，內罩3位于外罩5內，內罩3與外罩5的中心線重合，外罩5內分別安裝自適應控制器12、第一放大器11、第二放大器18、揚聲器14和功率放大器19，外罩5側壁開設連接孔15，揚聲器14與連接孔15相對，內罩3底部安裝連板2，連板2上安裝連接架1，外罩5上表面中間部位設置通孔，通孔內安裝軸承7，軸承7內安裝固定軸4，固定軸4下端固定在內罩3中間部位，固定軸4上端安裝固定板6，固定板6的直徑大于外罩5的直徑，固定板6下部分別安裝第一傳感器16和第二傳感器17，自適應控制器12分別與第一放大器11、第二放大器18和功率放大器19連接，第二傳感器17與第二放大器18連接，第一傳感器16與第一放大器11連接，功率放大器19與揚聲器14連接。連接架1固定在干式空心電抗器上。第一傳感器16為參考信號傳感器，第一傳感器16采集干式空心電抗器發出的初級噪聲作為參考信號傳遞到自適應控制器12，自適應控制器12據此輸出一個控制信號作為次級信號驅動揚聲器14發出次級噪聲，干式空心電抗器發出的噪聲所建立的初級聲場與揚聲器14發出的次級噪聲所建立的次級聲場產生疊加。第二傳感器17為誤差傳感器，第二傳感器17采集到疊加后的聲壓，并形成誤差信號。由于初級聲源以及周圍環境時刻變化的特性，自適應控制器12接收到誤差信號后，能夠根據預設的目標函數時刻調整次級噪聲的幅值、頻率和相位，這一過程會持續至誤差信號滿足目標函數，以使系統達到穩定狀態，從而依靠揚聲器發聲以抵消噪聲，取得良好的降噪效果。避免對周邊居民生活、職業人員健康造成負面影響。這種結構還能夠通過揚聲器14播放超聲波刺激鳥類的神經系統，使其生理紊亂而逃離，沒有地域性限制，由于超聲波頻率高于人耳所能聽到的范圍，所以能盡量減少其對人類生活造成的影響，威嚇鳥類，使其遠離電抗器。外罩5和內罩3能防止雨水和灰塵進入外罩5，避免放大器和自適應控制器12因此損壞，提高了放大器和自適應控制器12的使用壽命。固定板6能夠防止雨水自軸承7進入外罩5內，還能起到保護外罩5，避免外罩5被鳥類筑巢或鳥糞腐蝕損壞。由參考傳感器和誤差傳感器采集到的信號一般比較弱，因此須經過前置放大器的放大才能作為自適應控制器的輸入。同樣，自適應控制器輸出的信號不足以驅動揚聲器發聲，因此需要功率放大器進行比例放大。第一傳感器16和第二傳感器17分別安裝在固定板6下部，能夠使固定板6起到避免灰塵雨水腐蝕第一傳感器16和第二傳感器17的作用，避免第一傳感器16和第二傳感器17受損導致采集信息不準確。
所述的外罩5外壁沿水平方向均勻安裝至少三個連桿8的一端，每個連桿8的另一端均安裝風杯9，風杯9為碗型。這種結構能夠利用風力通過風杯9帶動外罩5繞固定軸4轉動，從而使揚聲器14發出的聲音能夠到達各處，從而可以進一步抵消干式空心電抗器發出的噪聲。
所述的固定板6上設置鷹形攝像頭10。鷹形攝像頭10為將攝像頭安裝在鷹形模型內的結構。鷹形攝像頭10與自適應控制器12連接。這種結構能夠通過鷹形攝像頭10的外形，配合超聲波威嚇鳥類，使其遠離電抗器，也能夠通過鷹形攝像頭10監控電抗器的工作狀況以及是否有鳥類在電抗器附近筑巢或排泄，以便于工作人員及時處理。
所述的固定板6下部分別安裝兩個豎桿20，每個豎桿20上分別安裝電動伸縮桿13，第一傳感器16和第二傳感器17分別固定在對應的電動伸縮桿13的活動端端部。電動伸縮桿13分別與電源和自適應控制器12連接。當傳感器距離噪聲源較遠，干式噪聲源發出的噪聲較小，不方便采集時，自適應控制器12能夠控制電動伸縮桿13伸長，使對應的傳感器靠近噪聲源，以方便采集噪聲。電動伸縮桿13上安裝濕度傳感器，濕度傳感器與自適應控制器12連接。濕度傳感器能夠感知空氣濕度，下雨時濕度傳感器能夠將測得的濕度信號傳送至自適應控制器12，從而使自適應控制器12控制電動伸縮桿13縮回，以使第一傳感器16和第二傳感器17回到固定板6下部，使固定板6保護第一傳感器16和第二傳感器17不受雨水沖擊。
自適應有源降噪系統是指通過自適應控制器運算產生次級信號來使揚聲器發聲以抵消噪聲的一種方法，由于初級聲源以及周圍環境時刻變化的特性，自適應控制器必須能夠時刻調整次級噪聲的幅值、頻率和相位，才能取得良好的降噪效果。自適應有源降噪系統主要由自適應控制器和電聲器件兩部分構成，因此自適應控制器的設計是該系統能否實現降噪的關鍵之一。根據聲源和應用環境的特點，有源降噪系統可以分為前饋系統和反饋系統、單通道系統和多通道系統等，相應的控制器的設計也會有所差異。
前饋系統是指在次級聲源削弱初級噪聲之前，用傳感器采集初級噪聲輸入到控制器中的一種控制系統，前饋控制系統相對比較穩定，且易于實現。反饋系統僅根據殘余噪聲信號的變化對控制信號進行調整，適用于無法采集初級噪聲信號的場合。因此，倘若能在降噪現場采集初級噪聲，即可使用前饋系統進行有源降噪。否則，就必須采用反饋系統作為自適應控制器的結構，但此時必須特別關注其穩定性。
單通道系統和多通道系統的不同之處在于多通道系統擁有較多的次級聲源和誤差傳感器，以便擴大降噪范圍，提高降噪效果。但是由于各通道之間會發生相互干涉，這就需要對各信號進行解耦，因此會增大算法的復雜性和系統的穩定性以及實時性。
從以上分析中可知，前饋系統擁有比反饋系統更加良好的穩定性，且在對干式空心電抗器進行有源降噪過程中，可以比較容易地獲得初級噪聲作為參考信號，因此前饋系統更加容易實現且能取得更優的系統穩定性。雖然多通道系統能夠擴大降噪范圍，鑒于目前其還存在許多難以解決的問題，因此本發明將使用單通道前饋系統作為有源降噪系統。
干式空心電抗器有源降噪系統如圖3所示，電抗器為初級聲源，發出的噪聲為初級信號p(t)；揚聲器p為次級聲源，發出次級噪聲y(t)；聲壓探頭s1和s2分別為參考信號傳感器和誤差傳感器，其接收到的信號分別稱為參考信號x(t)和誤差信號e(t)。
干式空心電抗器作為初級聲源發出噪聲，由傳感器s1采集初級噪聲作為參考信號x(t)傳遞到控制系統中，控制系統據此輸出一個控制信號作為次級信號y(t)驅動揚聲器p發出次級噪聲。干式空心電抗器發出的噪聲所建立的初級聲場與揚聲器p發出的次級噪聲所建立的次級聲場產生疊加，由誤差傳感器s2采集到疊加后的聲壓，并形成誤差信號e(t)。自適應控制器接收到誤差信號后，會根據預設的目標函數來調整次級信號的相位和幅值等。這一過程會持續至誤差信號滿足目標函數，此時系統將達到穩定狀態。
圖4是自適應有源降噪系統的工作示意圖，在上述系統基礎上稍作改進增加了兩個前置放大器和一個功率放大器。這是因為由參考傳感器和誤差傳感器采集到的信號一般比較弱，因此須經過前置放大器的放大才能作為自適應控制器的輸入。同樣，自適應控制器輸出的信號不足以驅動揚聲器發聲，因此需要功率放大器進行比例放大。
由圖4可以明顯看出整個自適應降噪系統主要由三條回路來完成整個降噪過程，初級回路的功能是拾取初級噪聲作為系統的參考信號，次級回路完成次級信號的放大與輸出工作，反饋回路則將參考信號和誤差信號輸送至自適應控制器運算產生次級信號。
2.干式空心電抗器有源降噪系統數學模型
在圖3中，假設自適應控制器、參考信號傳感器、誤差傳感器的頻響函數分別為w(ω)、s1(ω)和s2(ω)，次級聲源p的頻率響應為p(ω)。假設聲波從電抗器傳播到參考信號傳感器s1的傳播路徑的傳遞函數為hs1(ω)，從電抗器和次級聲源p到誤差傳感器間的傳遞函數分別為hs2(ω)、hps(ω)。假設初級回路中前置放大器等器件頻率響應為n1(ω)，次級回路中功率放大器等器件頻率響應為n2(ω)，反饋回路中的前置放大器等器件的頻率響應為n3(ω)。整個干式空心電抗器有源降噪系統的數學模型如圖5所示。
圖5中，p(t)、x(t)和e(t)分別為初級信號、參考信號和誤差信號。將各個回路的傳遞函數作如下整理：
hr(ω)＝s1(ω)hs1(ω)n1(ω)(1)
hp(ω)＝hps(ω)(2)
hs(ω)＝hs2(ω)n2(ω)p(ω)(3)
hf(ω)＝s2(ω)n3(ω)(4)
由上可知，hr(ω)、hp(ω)、hs(ω)和hf(ω)分別為參考回路、初級回路、次級回路和反饋回路的傳遞函數，因此圖5可簡化為圖6。為了后續計算的方便，可以將該簡化圖轉化為離散域，如圖7所示，相應地控制器和各回路的傳遞函數即可記為w(z)、hr(z)、hp(z)、hs(z)和hf(z)。
3.自適應控制器
自適應控制器主要由濾波器和算法兩部分組成如圖8所示，濾波器完成濾波任務，算法用來調整濾波器的權系數。
圖8中，x(n)和d(n)分別稱為參考信號和期望信號，y(n)次級聲源信號，e(n)＝d(n)-y(n)為誤差信號。有源降噪系統的目的是使誤差傳聲器處的誤差信號最小，對應的自適應濾波算法的目的則是使均方誤差(也稱為目標函數)最小即
j(n)＝e[e2(n)]＝e[(d(n)-y(n))2]→min(5)
(1)自適應濾波器
線性自適應濾波器有兩種結構包括有限長沖激響應(finiteimpulseresponse，fir)濾波器和無限長沖激響應(infiniteimpulseresponse，iir)濾波器。其中，fir濾波器的脈沖響應在n個采樣周期后變為0，主要有三種結構：橫向結構、對稱橫向結構及格型結構。橫向結構較為常用，且容易實現和保持系統穩定，利用抽頭延遲線做成的橫向濾波結構如圖9示。
第n時刻濾波器輸出為
其中，l為橫向濾波器的長度，wl(n)(l＝1，2，…，l)為加權系數。式(6)表明，y(n)為l個過去輸入的線性加權和。
根據圖6和圖7定義自適應濾波器的權矢量和參考矢量分別為
w＝[w1，w2，…，wl]t(7)
x(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-l+1)]t(8)
則y(n)可表示為
y(n)＝xt(n)w＝wtx(n)(9)
(2)自適應算法
為了使有源降噪系統在自適應過程中獲得最佳權矢量，通常采用最小均方(leastmeansquare，簡稱lms)算法，該算法簡單、運算量小且易于實現，它是windrows與hoff于1959年提出的。該算法既無需求相關矩陣，也不涉及矩陣求逆，而是運用最陡下降法來獲得權系數。按照最陡下降法原理，第n+1時刻的權矢量w(n+1)等于第n時刻的權矢量w(n)減去正比于梯度
其中，μ為收斂系數，也稱為步長。實際應用中，取單個誤差樣本的平方e2(n)的梯度作為均方誤差e[e2(n)]的梯度的估計，即
可證明，梯度估計值
但兩者仍存在差異，有
其中，n(n)為梯度噪聲，它是因為在每次迭代過程中，僅使用有限的輸入數量，導致梯度估計值存在一定的偏差。用
式(14)所示的權矢量迭代的方法稱為lms算法。
基于lms算法的自適應濾波器的結構圖，如圖9所示，濾波器采用fir橫向濾波器。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明未詳盡描述的技術內容均為公知技術。
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