GIS击穿现场实验初步分析

乔亮

摘要;本文对GIS击穿现场实验进行了初步分析，从击穿声传播时间、击穿声频谱、仿真及声源定位几个方面做了详细的介绍，通过分析比较，得出实验与仿真结果基本一致。

[关键词] 击穿声;GIS

为了探索现场GIS击穿声场分布规律，在某电科院GIS大厅进行GIS现场击穿试验，在大厅内布置12个麦克风传感器。位置如图1，具体坐标位置如表1。

图1表1现场测试麦克风测点位置图

图2 现场测点布置图

1背景噪声分析

为了确保噪声定位时噪声信号的有效性，需要确保击穿噪声的声压级比背景噪声高10dB以上，因此在测试击穿噪声前测试环境背景噪声。测试结果如下表3，背景噪声源主要有两处，室外噪声和数据采集仪风扇声源。12号点接近大门口，数据采集仪在8号点和9号点之间。因此7-9号点受风扇噪声影响，10-12号点受室外噪声影响。

2击穿声传播时间分析

图3 GIS击穿声信号波形

实验受噪声干扰极小可忽略不及、无需去噪，应用时差定位法采用四传感器为基本定位单元对放电位置进行空间定位。

时差定位法：

图4基于时差法的信号源空间定位

即：

其中，为信号源到传感器x、y距离差，由信號源到传感器x、y的时间差乘信号的传播速度可得，在信号波形上选取标定时刻做差得到时间差。

基于四个传感器的空间定位要求传感器处于同一平面，分别选取编号为1、2、5、8;1、2、5、7的两组传感器对声源进行定位。进行时延估计时，选取各传感器接收信号幅值的1/6处、1/4处及1/2处所对应时刻为标定时刻，将标定时刻相减得到估计时延用于声源定位，定位时声速以空气中经验声速为准取值340m/s。

定位方程为二次方程，故每个方程组均有两组解，关于传感器所在的平面对称，但其中一组坐标在管外舍去，定位结果单位为米，如表4所示：

本次定位测试中声源坐标为（0，0，0），采用基于四传感器的时差定位法对声源进行定位，定位时涉及到的主要问题有：时延估计及声速取值问题。进行时延估计时需在信号上选取特征值进行时刻标定，观察声信号波形特点，选取击穿直达声首上升沿作为标定时刻，分别以波形幅值的1/4、1/2及1/6所对应时刻作为标定时刻进行时延估计，根据经验选取声速为340m/s来定位声源，定位误差在15cm以内，且标定时刻越接近幅值时定位精度越高。时差法定位准确，但是实际应用中时间同步很难做到。

3击穿声频谱分析

对声音信号处理通常有宽带和窄带两种处理方法，宽带处理方法一般有倍频程和1/3倍频程两种。宽带处理方法源于人耳对声音的灵敏度，频率越高，人耳对频率分辨度越差。因此，宽带处理通常使用倍频程来处理，即两个频率相比为2的声音间的频程，倍频程之间为八度的音高关系，即频率每增加一倍，音高增加一个倍频程。例如下图中选取的频率区间是低音6#到中音6#所对应的琴键，中间刚好相差八个键，即八个音符。

图5倍频程处理方法

如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率，使 4个频率之间的比值相同（相邻两频率比值=1.25992倍）。这样将一个倍频程划分为3个频程，称这种频程为1/3倍频程。

1/3倍频程通常使用在环境噪声领域，用于评价对噪声人类生活的影响。因此，宽带信号处理方法相对于窄带处理方法而言，精确度有所欠缺。

窄带分析方法就是传统的傅里叶变换（FFT）分析方法，用窄带分析方法处理后的频谱图也是指数衰减曲线，与以往论文研究一致。如图所示，对用窄带和宽带处理方法对2号和3号点的击穿瞬间声音进行频谱分析，可以看出宽带处理方法，在低频处很低，有滞后性。

图6宽带与窄带处理方法对比

对低中高频率（10、100、1000Hz）成分随时间变化曲线，爆炸发生在0.167s，由图可知。宽带信号的频率成分相对爆炸时间有滞后性，而且频率越低滞后越严重。因此采用窄带方法进行信号处理。

图7宽带处理方法各频段分量随时间变化

窄带分析方法就是传统的傅里叶变换（FFT）分析方法。由图可知，频率越高衰减越快，且低频声音反射剧烈。因此，为了避免反射声的影响，主要拾取直达声做分析进行定位。

图8窄带处理方法各频段分量随时间变化

4仿真分析

根据现场尺寸位置，建立现场声学模型。地板、天花板和四面墙面均为反射面，在预知击穿处设置一个点声源。分别发出25Hz、125Hz、975Hz的单频噪声，求解理想状态下的噪声分布。利用声线法进行计算。

图9 空间声学模型

图10 125Hz单频噪声分布

声源是各向同性的点声源，点声源声压级理论上呈圆球状向外衰减。从结果可以看出，云图呈椭锥状向外衰减，原因是声音在管道内形成空腔混响。从而导致声源变成类似长条线声源。沿管道长度方向的传播得到加强。

5声源定位分析

声功率是声源发出的总功率，等于声强在声能流方向垂直表面上的面积分，即

声压或声强表示的是声场中声波的点强度，对于非平面波一般声场，他们随测点至声源距离的增加而减小同时还受到周围声学环境（比如房间边界反射引起混响效应）的影响。

在声功率不变的情况下，随着距声源距离的增加，声能流方向垂直表面积增加，因此声压和声强随距离减小。因此，我们利用此原理进行噪声源定位。另外，大气对声音的吸收也会对声压和声强有衰减。对于热而比较干燥的夏天空气，频率3000Hz的声衰减是0.14dB/m，频率10000Hz的声衰减是0.48dB/m。

因此，利用各点声音窄带单频幅值来推算声源点位置。为了避免外界可能带来的噪声干扰，采用低中高频率（25、125、975Hz）三种频率成分的信号进行识别。如果没有外界噪声干扰，三种频率成分信号识别的结果应该一致。如表5所示，将每种频率下各点的幅值在空间上插值成空间声场分布图，可以看出，三种频率下识别的声源位置大致都在7号测点位置，与实际声源位置有一定距离，原因可能是击穿位置在管路中心线靠左侧区域，而不是在中心线上，导致管路左侧声振强度比右侧大，因此左侧辐射强度大于右侧，造成声源传播带有明显的指向性，而不是类似点声源各个方向均匀传播。

表5 声压级强度判断声源位置图

25Hz 125Hz 975Hz

为了进一步说明验证仿真与实验出现差别的原因，对传播衰减特性进行验证。由于12号点在门口，没有反射面，与仿真条件差别很大。因此，选取7号点和11号点的声压级衰减进行对比，结果如表6所示。可以看出，仿真和实验结果很接近。说明声学仿真边界条件设置与实际比较接近，差别可能是由于声源本身所导致的。

将声源偏移至管壁左侧，不放置在管中间，进行仿真，如图11所示，可以看出中心声压级中心热点有所偏移，偏移至声源的左下方。说明实际声源可能是在管中心偏左位置，引起了管壁的强烈振动，导致左边声压级高于右边，引起声压级热点中心相对声源向左下偏移。

图11 声源偏左仿真结果

6结论

经过试验分析可得出以下结论：

击穿声源时域信号为指数衰减信号，其频域曲线也是呈指数衰减趋势;

窄带频域处理方法比宽带处理方法更加准确;

利用时差法定位较准确，但是实际装置中很难将时间同步;

利用声压级强度进行声源定位的方法，各频率下的判断结果一致，但由于声源不位于管中间，导致声压级热点中心相对于声源向左下偏移，实验与仿真结果一致。