CN102638750A - 电力变压器有源噪声控制用的扬声器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器有源噪声控制用的扬声器设计方法，该设计方法得到的扬声器由一个扬声器单元、三个长方体腔体和三个倒相管组成，可作为电力变压器有源控制***中的控制源，专门用于降低变压器辐射噪声中100Hz、200Hz及300Hz附近的分量，与传统的扬声器相比，在上述频率附近的频响值较高，而在其它频段的频响值则迅速衰减，体积小、效率高，在反馈控制***中可以有效抑制水床效应。

Description

电力变压器有源噪声控制用的扬声器设计方法

一、技术领域

本发明涉及一种扬声器设计方法，尤其涉及一种作为电力变压器有源噪声控制中控制源的带通式扬声器设计方法。

二、背景技术

有源噪声控制技术是噪声传播路径控制的一种有效手段(陈克安，有源噪声控制，北京：国防工业出版社，2003)。目前已经实用的有源控制***包括：有源抗噪声耳罩(王连生、张力滨，有源消噪声耳罩，电声技术，10，5-10，1994；张瑞华，自适应有源抗噪耳罩的DSP实现，电声技术，3，56-58，2003)、管道内的有源噪声控制(任延荣，空调通风管道内低频噪声自适应有源控制研究，西安交通大学博士学位论文，1995；曾成、张奇志，管道低频宽带噪声自适应有源控制的实验研究，电声技术，5，17-21，2001)、飞机和轿车舱内的有源噪声控制以及液压泵的有源噪声控制***(液压泵有源噪声控制***，专利公开号CN1694161)。根据控制源的不同，有源噪声控制可以分为两类：第一类是通过抑制结构表面的振动来降低其声辐射(一种振动结构辐射噪声的有源控制***及控制方法，专利公开号CN101702093A)；第二类是通过改变辐射噪声的空间分布，使其难以传播到远处(王连生、张力滨，有源消噪声耳罩，电声技术，10，5-10，1994；曾成、张奇志，管道低频宽带噪声自适应有源控制的实验研究，电声技术，5，17-21，2001)。

电力变压器产生的远场噪声的频谱特点为以低频的线谱为主，频率为工频的偶数倍频关系，对于我国的供电频率50Hz，噪声峰值主要集中在100Hz、200Hz、300Hz附近。针对电力变压器噪声的有源控制，国内外已经有了一些研究(C.Teoch et al.，Active Noise Control ofTransformer Noise，Proceedings of the 1998 2nd International Conference on Energy Managementand Power Delivery，EMPD Vol.2，747-753，1998；P.Micheau et al.，Implementation ofdecentralized active control of power transformer noise，First European Forum on Materials andMethods for Machinery and Transportation Noise Control，Senlis juillet，2001)。采用第一类方式控制电力变压器噪声时，可以使用惯性激振器作为控制源(X.Li et al.，Tunable inertial shakersfor active control，International Journal of Acoustics and Vibration，6(4)，180-184，2001)；采用第二类方式时，控制源往往使用扬声器(一种应用于有源噪声控制的组合次级声源设计方法，专利公开号CN101389158)。已有学者在电力变压器噪声有源控制中使用了封闭式音箱作为控制源(电力变压器噪声多通道有源控制***，专利公开号CN102208263A)，但是闭箱的频响曲线比较平坦，作为控制源效率较低，且应用在反馈控制***中容易产生水床效应。

扬声器声学性能设计主要通过声学结构和几何结构实现。利用曲面板结构的共振特性可以设计出在100Hz、200Hz、300Hz处频率响应出现峰值的扬声器(Xun Li，Physical systemsfor the active control of transformer noise，The thesis for the degree of Ph.D.of Engineering of TheUniversity of Adelaide，2000)，但是结构体积较大，后腔体的体积达0.985m×0.418m×0.25m，会对实际应用造成不便。另外利用倒相箱、带通箱等声学结构可以改善扬声器的低频响应(曹水轩、沙家正，扬声器及其***，江苏科学技术出版社，1985；葛俊，声学结构对电声器件声学特性的影响研究，南京大学博士学位论文，2010)，其中声学结构参数的优化方法，主要有遗传算法中的多目标线性优化方法(雷英杰等，Matlab遗传算法工具箱及应用，西安电子科技大学出版社，2005)。

目前还没有检索到采用带通式声学结构对电力变压器有源噪声控制用扬声器进行优化设计的方法。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于针对变压器噪声频谱的特点，提供一种带通式扬声器设计方法，用于优化电力变压器有源噪声控制***的控制源。

2、技术方案：针对变压器噪声，需要频响曲线在100Hz、200Hz和300Hz处有峰值，本发明采用带通箱结构来实现。

首先选用谐振频率F_s低于100Hz的扬声器单元，测量其TS参数，主要包括音圈磁隙中的磁感应强度与音圈导线长度的乘积Bl，音圈直流阻R_E(信号源内阻很小，一般忽略)，振膜有效面积S_D，扬声器振动***的等效声质量M_AD，支撑***的等效声顺C_AS，支撑***的等效声阻R_AS。

其次由于四阶带通箱在中低频段会有较好的频率响应，而六阶带通箱的频响曲线会在中低频段产生两个峰值，总结这两者的规律可以得出由三个倒相箱叠加而成的扬声器的频响曲线能够在中低频段产生三个峰值。如附图1所示，该***中两个长方体腔体上下叠加，第三个长方体腔体与前两个腔体左右叠加。每个腔体带有一个倒相管，在低频时，每个腔体可以等效为一个霍姆赫兹共鸣器，腔体的大小和倒相管的有效长度以及横截面积决定了每个共鸣器的共振频率，它们之间互相影响耦合，每个共鸣器之间的关系满足电力声类比原理，通过一定的参数选择使得扬声器***的频响曲线在特定的频率处出现峰值。

利用遗传算法中的多目标线性优化方法对扬声器参数进行优化(雷英杰等，Matlab遗传算法工具箱及应用，西安电子科技大学出版社，2005)，以abs(T₁-T₂)、abs(T₂-T₃)、abs(T₁-T₃)、5+T_t/200-T₁、5+T_t/200-T₂、5+T_t/200-T₃为适应值函数(其中T₁、T₂、T₃分别为100Hz、200Hz、300Hz时离音箱正前方1m远处的声压级，Tt为5Hz～1000Hz之间200个频率点上声压级的总和)，权重为(0.15，0.15，0.15，0.2，0.2，0.15)，以V₁+V₂+V₃≤0.006m³为约束条件(其中V₁、V₂、V₃为各个腔体的体积)，先使用约束优化函数fmincon在下限(0.0002，0.0009，0.0002，0.01，0.01，0.01，0.01，0.01，0.01)和上限(0.003，0.0033，0.003，0.03，0.05，0.03，0.05，0.03，0.05)之间搜索出优化解，然后利用无约束局部优化函数fminsearch在此优化解附近搜索最优解。

3、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是在于：(1)频响曲线在100Hz、200Hz、300Hz附近均有峰值，其他频段处声压迅速衰减，有着较好的带通特性(2)扬声器体积较小，使用起来灵活方便(3)效率高，在反馈控制***中可以有效抑制水床效应。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电力声类比示意图；

图3是本发明受1W电功率驱动时位于自由场中1m远处频率响应曲线的设计结果。

图4是本发明样品受1W电功率驱动时位于自由场中1m远处频率响应曲线的实测结果。

五、具体实施方式

实施例：采用本发明中所提出的设计方法设计的作为噪声有源控制***中的控制源。

首先获取扬声器单元的特性，一般选用谐振频率较低、品质因数较好的单元，本发明采用南鲸扬声器。测量其TS参数，主要结果见表1：

表1  扬声器单元的TS参数

名称	符号	大小
			音圈磁隙中的磁感应强度与音圈导线长度的乘积	Bl	5.907Tm
音圈直流阻	RE	7.24Ω

振膜有效面积	SD	95.03cm2
			扬声器振动***的等效声质量	MAD	117.11kg/m4
扬声器支撑***的等效声顺	CAS	3.97×10-8m5/N
			扬声器支撑***的等效声阻	RAS	21259.4ΩA

其次，选用如附图1所示的带通式扬声器***，共有三个带倒相管的腔体，在低频下每个腔体均能等效成亥姆霍兹共鸣器，调节腔体参数可以使共鸣器的共振频率发生变化，三个腔体互相影响耦合，建立附图2所示的电力声类比模型。由类比模型得到自由场中距离该扬声器r处的声压级为SPL＝20log p_r/(2×10^-5)，其中

p_r＝fρ₀|U_c|/2r    (1)

$U_c=\frac{I-I_1-I_3}{\mathrm{j\ω}{C}_3(\mathrm{j\ω}{M}_3+R_{\mathrm{AP}3}+1/\left(\mathrm{j\ω}{C}_3\right))}---\left(2\right)$

$I=\frac{e_g\mathrm{Bl}/R_E{S}_D}{R_A+\mathrm{j\ω}{M}_{\mathrm{AD}}+1/\left(\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{AS}}\right)+R}---\left(3\right)$

$R_A=R_{\mathrm{AS}}+\frac{{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2}{R_E{S_D}^2}---\left(4\right)$

$\frac{I_1}{I}=\frac{(\mathrm{j\ω}{M}_2+R_{\mathrm{AP}2}+R_b)R_1+(\mathrm{j\ω}{M}_2+R_{\mathrm{AP}2}-\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1})R_b}{R_1{R}_2+R_b{R}_1+R_b{R}_2}---\left(5\right)$

$\frac{I_3}{I}=\frac{(\mathrm{j\ω}{M}_2+R_{\mathrm{AP}2}+R_b)R_2-(R_2+R_b)(\mathrm{j\ω}{M}_2+R_{\mathrm{AP}2}-\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1})}{R_1{R}_2+R_b{R}_1+R_b{R}_2}---\left(6\right)$

$R_b=1/(\mathrm{j\ω}{C}_3+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{M}_3+R_{\mathrm{AP}3}})---\left(7\right)$

$R_1=\mathrm{j\ω}{M}_1+R_{\mathrm{AP}1}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}---\left(8\right)$

$R_2=\mathrm{j\ω}{M}_2+R_{\mathrm{AP}2}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_2}---\left(9\right)$

$R=\frac{I_1}{I}\frac{1}{\mathrm{j\ϖ}{C}_2}+(1-\frac{I_3}{I})\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}---\left(10\right)$

式中：ρ₀为空气密度，e_g为信号源电动势，f为频率，ω为角频率，U_c为流经倒相管3的电流，C₁、C₂、C₃分别为腔体1、2、3的等效声容，M₁、M₂、M₃分别为倒相管1、2、3的等效声质量，R_AP1、R_AP1、R_AP1分别为倒相管1、2、3的等效声阻，I为附图2中干路中的总电流，I₁为流经C₂的电流，I₃为流经倒相管1的电流。

要使扬声器的频率响应在100Hz、200Hz和300Hz附近出现峰值，利用遗传算法中的多目标线性优化方法对扬声器的腔体体积和倒相管尺寸等9个参数进行优化(雷英杰等，Matlab遗传算法工具箱及应用，西安电子科技大学出版社，2005)，以abs(T₁-T₂)、abs(T₂-T₃)、abs(T₁-T₃)、5+T_t/200-T₁、5+T_t/200-T₂、5+T_t/200-T₃为适应值函数(其中T₁、T₂、T₃分别为100Hz、200Hz、300Hz时离音箱正前方1m远处的声压级，T_t为5Hz～1000Hz之间200个频率点上声压级的总和)，权重为(0.15，0.15，0.15，0.2，0.2，0.15)，以V₁+V₂+V₃≤0.006m³为约束条件，先使用约束优化函数fmincon在下限(0.0002，0.0009，0.0002，0.01，0.01，0.01，0.01，0.01，0.01)和上限(0.003，0.0033，0.003，0.03，0.05，0.03，0.05，0.03，0.05)之间搜索出优化解，然后利用无约束局部优化函数fminsearch在此优化解附近搜索最优解，考虑实际情况后得到优化结果为：腔体1的体积V₁＝0.0019m³，腔体2的体积V₂＝0.0026m³，腔体3的体积V₃＝0.0042m³，倒相管1的横截面半径a_p1＝0.0214m，倒相管1的长度l_p1＝0.0184m，倒相管2的横截面半径a_p2＝0.0057m，倒相管2的长度l_p2＝0.0314m，倒相管3的横截面半径a_p3＝0.0233m，倒相管3的长度l_p3＝0.01m。经过附图3中的电力声类比数值模拟证实，本发明的频率响应曲线符合电力变压器的噪声频谱特点，能够应用于电力变压器的有源噪声控制。

附图4为本发明样品在自由场中频响曲线的实测结果，由于加工因素，实际尺寸与优化结果存在偏差：腔体1的体积V₁＝0.00192m³，腔体2的体积V₂＝0.00256m³，腔体3的体积V₃＝0.00456m³，倒相管1的横截面半径a_p1＝0.018m，倒相管1的长度l_p1＝0.018m，倒相管2的横截面半径a_p2＝0.007m，倒相管2的长度l_p2＝0.031m，倒相管3的横截面半径a_p3＝0.018m，倒相管3的长度l_p3＝0.03m。

相对于一般扬声器***，本发明通过参数优化，可以使频响曲线在100Hz、200Hz和300Hz附近均有峰值，而其他频段处声压迅速衰减，有着较好的带通特性，***体积小且效率高。

Claims (4)

1.变压器噪声有源控制***中控制源扬声器的一种设计方法，其特征在于：第一步选用谐振频率低于100Hz的扬声器单元，测量其TS参数；第二步设计带通箱结构并建立电力声类比模型；最后利用遗传算法优化模型参数，设计出频响曲线仅在100Hz、200Hz、300Hz附近有三个峰值的扬声器。

2.根据权利要求1所述设计方法中的一种带通式扬声器结构，其特征在于：该扬声器***包括一个扬声器单元、三个腔体、三个倒相管，扬声器单元位于腔体2中，每个腔体各带有一个倒相管。

3.根据权利要求1所述设计方法中使用遗传算法多目标参数优化时选取的参数，其特征在于：以abs(T₁-T₂)、abs(T₂-T₃)、abs(T₁-T₃)、5+T_t/200-T₁、5+T_t/200-T₂、5+T_t/200-T₃为适应值函数(其中T₁、T₂、T₃分别为100Hz、200Hz、300Hz时离音箱正前方1m远处的声压级，T_t为5Hz～1000Hz之间200个频率点上声压级的总和，abs表示取绝对值)，权重为(0.15，0.15，0.15，0.2，0.2，0.15)，以V₁+V₂+V₃≤0.006m³为约束条件(其中V₁、V₂、V₃为各个腔体的体积)。

4.根据权利要求1所述设计方法设计的带通式扬声器结构的尺寸，其特征在于：腔体1的体积V₁＝0.0019m³，腔体2的体积V₂＝0.0026m³，腔体3的体积V₃＝0.0042m³，倒相管1的横截面半径a_p1＝0.0214m，倒相管1的长度l_p1＝0.0184m，倒相管2的横截面半径a_p2＝0.0057m，倒相管2的长度l_p2＝0.0314m，倒相管3的横截面半径a_p3＝0.0233m，倒相管3的长度l_p3＝0.01m。

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