一种抗干扰变电站1/3倍频程噪声测量方法*

卢 铃 蔡 炜曹 浩武帅兵吴 鸣彭继文

(1国网湖南省电力有限公司电力科学研究院 长沙410007)

(2国网电力设施噪声与振动实验室 长沙410007)

(3国网湖南省电力有限公司娄底供电分公司 娄底417000)

(4中科传启(苏州)科技有限公司 苏州215010)

0 引言

长时检测及合理估计变电站噪声源的声压级对评价噪声污染指标及后续治理都至关重要[1-6]。然而环境中的其他噪声如鸟叫、虫鸣，以及各种人为噪声如车辆行驶、鸣笛声等都会对变电站噪声测量产生不良影响。目前已有的变电站噪声测量技术，多采用声级计等设备进行测量，其不具备抗干扰功能，导致测量结果不准确。

如何有效去除外界干扰信号，实现变电站噪声的准确测量是本文研究的主要目的。对于干扰信号的去除可以从时域和频域两个方向进行。时域去除方法即根据外界干扰噪声和变电噪声的时域特点，如能量、相关性等进行去除。如文献[7]采用相关性分析，来判断是否存在干扰信号，从而利用分时测量方法去除背景干扰噪声。频域去除方法是利用变电站噪声与干扰信号不同的频谱特点，通过采用通带与阻带梳状滤波器从变电站混合声信号中分离出变电站声信号[8]。然而，由于变电站背景噪声复杂，发生的时刻与强度具有随机性，因此这两类方法效果均有限。而文献[9]提出了一种基于小波分解与谱减法相结合的变电站噪声预处理方法，采用小波包分析算法将变电站声信号时频分解，对分解后的带噪频段小波包信号进行谱减法处理。但该方法只能测量整体声压级，而无法测量1/3倍频程声压级。

在噪声的测量中，采用1/3倍频程频谱分析能更加详细地反映出噪声源的频谱特性，便于较全面地了解声源产生机理和提出最佳的降噪对策[10-13]。为此，本文针对性地提出了一种抗干扰的1/3倍频程声压级测量方案。首先采用最小值控制递归平均(Minimum control recursive average,MCRA)方法[13-14]来判断当前帧各个1/3倍频程是否存在干扰信号，对于存在干扰信号的1/3倍频程，不进行声压级更新，从而确保1/3倍频程声压级估计准确程度。

1 抗干扰变电站噪声估计方法

本文提出的抗干扰变电站噪声估计方法整体算法框图如图1所示。传声器接收信号为式(1)中，s(n)为所需测量的变电站噪声信号，v(n)为测量时的噪声干扰信号，包括鸟叫、虫鸣、鸡叫、工厂电锯噪声等信号。而后设计1/3倍频程滤波器求得每个1/3倍频程滤波器对应的输出值；同时，采用MCRA算法求解出每个时频点干扰信号存在概率，并综合成1/3倍频程干扰信号存在概率；最后根据干扰信号存在概率，对当前时刻1/3倍频程估计值进行相应加权处理，最终得到去外界干扰的1/3倍频程声压级输出阈值，该阈值将作为应对各种干扰情况下，时域1/3倍频程滤波输出后功率谱更新的阈值。

图1 抗干扰变电站噪声估计方法Fig.1 An estimation method of anti-disturbance substation noise

1.1 1/3倍频程干扰信号存在概率估计

利用MCRA方法对干扰信号存在概率进行估计。采集的信号y(n)进行重叠加窗处理并进行傅里叶变换，表达式为

式(2)中，k、l分别是频段索引和时间帧索引，w(n)是长度为N的窗函数，M为帧步长。

在频域对每一帧输入信号频谱进行频率点平滑，

其中，b(i)表示归一化窗函数，窗函数的长度为2ω+1。接下来再进行帧间平滑，

将式(3)带入式(4)中，得其中，αs为平滑参数，代表一个窗长为的矩形平滑窗，S(k,l-2)表示前一帧输入信号功率谱。接下来跟踪平滑功率谱S(k,l-1)的最小值，

再定义

其中，Bmin是噪声谱最小值估计偏置补偿因子而后求得各时频点干扰信号存在值为

I(k,l-1)=1代表干扰信号不存在，而I(k,l-1)=0代表干扰信号存在。而后依据1/3倍频程定义，综合所有得到1/3倍频程干扰信号存在概率为

其中，Ω表示对应的1/3倍频程，k∈Ω表示位于该1/3倍频程通带内的所有频率点。

1.2 1/3倍频程滤波器实现

依据GB/T 3241.3-202倍频程和分数倍频程标准，1/3倍频程滤波器应满足的性能需符合2级标准[15]。对于变电站噪声测量，其测试最高频率为20 kHz，因此本文所采用的采样频率为48 kHz，整体1/3倍频程采用多速率处理技术，对于中心频率大于50 Hz的1/3倍频程，采样频率为48 kHz；当中心频率小于50 Hz的3个1/3倍频程，将原始信号进行4 kHz低通滤波。所采用的低通滤波方法为5阶无限脉冲响应(Infinite impulse response,IIR)滤波。之后，将低通滤波后的信号经过抽取，从48 kHz降采样为8 kHz进行处理。每个1/3倍频程对应带通滤波采用3个二阶IIR滤波器级联实现。

1.3 抗干扰噪声的1/3倍频程声压级输出

根据1/3倍频程滤波器输出及当前帧干扰信号存在概率来进行，当干扰信号存在概率较大时，不进行1/3倍频程声压级更新；干扰信号存在概率较小时，进行1/3倍频程声压级更新输出，即

其中，It(Ω)为每个1/3倍频程预设的门限值，该值为I′(Ω,l)在多帧估计下的平均值，

2 仿真实验

本节将通过仿真来验证所提方法有效性。实际设计的1/3倍频程滤波器相对衰减值如图2所示，蓝色曲线是仿真设计的滤波器曲线，红色虚线为国家规定的衰减设计标准。从图2中可以看出，滤波器相对衰减值性能符合相关国家标准。抗干扰算法中采取的各项参数分别如表1所示。

图2 中心频率为100 Hz的带通滤波器图Fig.2 The bandpass filter with a center frequency of 100 Hz

表1 调制参数Table 1 Setting parameters

接下来验证本文所提出的抗干扰1/3倍频程方法性能，验证实验中采用的变电站噪声信号和干扰信号如图3所示。

图3 不同噪声信号时域波形图Fig.3 Time-domain waveforms of different noise signals

从图3看出，纯净的变电站噪声为稳态噪声，而干扰信号为非稳态噪声，把变电站噪声加上干扰信号合成得到含干扰信号的变电站噪声。为了模拟户外噪声环境，实验测量在半消声实验室中进行，如图4所示，变电站声源和环境干扰源分别位于两个不同位置，传声器放置于中间，传声器与声源相距3 m。对含干扰信号(虫鸣噪声、鸟叫噪声、鸡叫噪声、电锯噪声)的变电站噪声进行1/3倍频程声压级测量，测量结果如表2～5及图5～8所示。可以看出，对于虫鸣干扰，在50～300 Hz和2000～10000 Hz等频段，极大地干扰了1/3倍频程测量结果，而采用本文去干扰的方法，可以使得测量结果更加接近于真实值。对于鸟叫、鸡叫、电锯等其他干扰频率主要集中在中高频频带的噪声，同样采用所提出的方法可以更加精确地得到1/3倍频程声压级。

图4 信号采集实验环境图Fig.4 Signal acquisition experimental environment

图5 存在虫鸣干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Fig.5 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of insect noise

表2 存在虫鸣干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Table 2 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of insect noise

表3 存在鸟叫干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Table 3 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of bird call noise

表4 存在鸡叫干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Table 4 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of cock call noise

表5 存在电锯干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Table 5 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of chainsaw noise

图6 存在鸟叫干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Fig.6 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of bird call noise

图7 存在鸡叫干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Fig.7 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of cock call noise

图8 存在电锯干扰情况下的1/3倍频程声压级测量结果Fig.8 1/3 octave sound pressure level measurements under the disturbance of chainsaw noise

最后，表6直观展现所提出方法估计变电站噪声声压级的抗干扰性能。由表6可知，所提出的方法对于虫鸣、鸟叫、鸡叫、工厂电锯等外界干扰影响下的变电站噪声估计是鲁棒的。由于本文的实质是在每一频段设置功率检测阈限，当被判断为存在干扰时不进行频谱能级的更新或测量，这种方法在一定程度上避免了干扰的影响。此外，该方法只针对特定干扰(如仿真中的动物叫声等冲击声)，如背景噪声为宽频带连续噪声，即当干扰噪声在每一帧上均存在时，本文方法的效果较为有限。

表6 干扰情况下的声压级测量结果Table 6 Sound pressure level measurements under the disturbance

3 结论

变电站附近的干扰噪声如鸟叫、虫鸣、鸡叫、工厂噪声等会极大影响到变电站噪声的测量。本文提出了一种抗干扰的1/3倍频程声压级测量方法。首先进行1/3倍频程滤波器的设计，采用多速率采样技术，减小中心频率较低处所需滤波器阶数。仿真结果表明，所设计的滤波器可以达到相应的国家标准。而后对输入信号在每个1/3倍频程存在干扰信号的概率进行估计。当干扰信号存在概率较大时，不进行1/3倍频程声压级更新；干扰信号存在概率较小时，进行1/3倍频程声压级更新输出。仿真结果表明，采用该方法可以在存在瞬态干扰信号的情况下，实现更准确的1/3倍频程声压级测量，但同时该方法对宽频带稳态噪声效果有限。