一种可用于特高压输电线路邻近区域声强检测的球形传感装置及实现方法
阅读说明：本技术 一种可用于特高压输电线路邻近区域声强检测的球形传感装置及实现方法 (Spherical sensing device for sound intensity detection of adjacent area of ultra-high voltage transmission line and implementation method ) 是由 吕建勋 赵鹏辉 袁海文 刘颖异 李鑫 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可用于特高压输电线路邻近区域的声强检测装置及实现方法。为了适应高电位、强电场的测量环境,该装置设计为均压性能良好的球形结构,可应用于±1100kV的特高压直流环境中。该装置可同步采集声源处多达14路的声压信号,并根据本发明提出的声强算法实时求解三个正交轴上的声强分量,通过无线传输单元将声强信号发送至本地安全端。本发明在球形结构的7个特定方向以两两配对的方式布置14个声压传感器,以此获取7个不同方向的声强值,然后基于各方向之间特殊的位置关系建立冗余的线性映射模型,可以准确地检测声源位置的三维声强矢量。(The invention relates to a sound intensity detection device for an adjacent area of an ultra-high voltage transmission line and an implementation method. In order to adapt to the measuring environment of high potential and strong electric field, the device is designed into a spherical structure with good voltage-sharing performance and can be applied to the extra-high voltage direct current environment of +/-1100 kV. The device can synchronously acquire up to 14 paths of sound pressure signals at a sound source, solve sound intensity components on three orthogonal axes in real time according to a sound intensity algorithm provided by the invention, and send the sound intensity signals to a local safety end through a wireless transmission unit. The invention arranges 14 sound pressure sensors in a pairwise matching manner in 7 specific directions of the spherical structure so as to obtain sound intensity values of 7 different directions, and then establishes a redundant linear mapping model based on a special position relation among the directions, so that a three-dimensional sound intensity vector of a sound source position can be accurately detected.)
技术领域
本发明属于电力系统特高压输电技术领域，具体涉及一种特高压输电线路邻近区域的球形声强检测装置及实现方法，包含该装置的系统结构、信号采集和声强算法，特别适用于复杂电磁环境中声源位置的声强检测。
背景技术
随着特高压输电线路电压等级不断提高，电晕放电产生的电磁环境问题已成为线路设计的决定性因素之一，其中电晕引起的可听噪声因为人们能够亲身感受到，目前受到了广泛关注。研究特高压线路电晕放电产生的可听噪声的特性、产生机制、传播规律和地面效应，有助于准确预测甚至控制可听噪声水平，对于建设满足环保要求的输电线路具有重要意义。
可听噪声在传播过程中会发生扩散和衰减，在大地、建筑等障碍物表面会发生反射。一般在距地约1.5m的高度测量噪声的声压级时，也会混杂周围的环境噪声，且难以滤除。因此，地面附近检测的可听噪声存在不同程度的失真。与此相对的，在输电线路邻近区域的声源处检测噪声可以避免诸多干扰，有助于了解噪声的本征特性和规律，无疑是一种更好的研究方法。另外，声压级是表示声源辐射噪声强弱的物理量，但声压级是标量，在不同环境中测得的数据可参考性较差。声强是矢量，可以更好地反映声源的能量、流动和传播状态，对可听噪声具有更好的表现力。目前，声强检测已广泛应用于设备故障诊断与质量控制、声功率测量、声源定位、环境噪声监测等方面。
传统地面测量可听噪声声压级的方法已不能满足对可听噪声声源机理特性的研究需求，但由于特高压输电线路复杂的电磁环境，现有研究中尚未出现应用于特高压真型输电线路噪声源的检测方法。事实上，特高压输电线路邻近区域是电晕放电可听噪声的声源位置，能够直接检测噪声源的信息，据此可直接研究分析可听噪声源的时频域特征及其变化规律。在特高压输电线路邻近区域测量声强，有助于深入了解声源的机理与规律，深化我们对于该现象的科学认识，并指导我们采取针对性措施解决问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种可用于特高压输电线路邻近区域声强检测的球形传感装置及实现方法，包括基于该装置架构的声强算法。本发明的目的是在特高压输电线路高压端并行采集多路声压并计算三维声强矢量，然后通过无线传输模块将检测的声强数据传输至上位机。
为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：一种可用于特高压输电线路邻近区域声强检测的球形传感装置及实现方法，传感装置包括球形固定结构、14路声压传感器、高速数据采集模块、信号处理单元、无线传输单元1和供电单元；实现方法是根据球形结构上14路传感器阵列的排列规则，通过声强算法计算特定的不同直线方向的声强值，然后基于各方向之间特殊的位置关系建立冗余的线性映射模型，以求取球心处的声强矢量。
所述球形固定结构安装于特高压输电线路的邻近区域，将检测装置的其他模块包裹于内部，可在露天环境中保护设备正常工作。由于检测装置处于特高压邻近区域的复杂电磁环境中，选择绝缘和均压效果最好的球形结构可有效避免尖端放电。球体半径设计要考虑输电线路邻近空间的大小和内部其他模块的体积，满足声强检测的要求。球面应打磨光滑，表面以金属网覆盖，在提高装置表面的起晕场强的同时不影响声强检测，确保检测装置在±1100kV特高压环境中安全可靠地工作。
所述14路声压传感器安装于球形结构的14个特定点位：在球心处建立空间直角坐标系，选取坐标轴与球面的6个交点和8个象限对应球缺的中心点，得到7个直径方向上的14个点位。将14个特性相同的声压传感器平均分为7组，沿上述7条直径方向布置于球面14个点位，如图2所示。沿7条直径方向专门设计7条支架，每组传感器以背置式固定于支架两端，传感器的振膜中心关于球心对称，指向外侧声场。声压传感器使用驻极体电容式传声器，它具备普通电容式传声器的优点：频率范围宽、频率响应平直、灵敏度变化小、长期稳定性高。同时，它避免了传统电容式传声器的不足，无需外加200V极化电压，可以简化供电单元的设计。
所述高速数据采集模块包括调理电路和AD采样单元。调理电路采用前置放大器，将声压传感器采集到的微弱的高阻抗输出电压变换为低阻抗电压，同时将电压放大到标准的双极性10V范围；AD采样单元使用16位高精度16通道的采集器，要求转换率可达200kSPS，以完成高精度高速度的模数转换。
所述信号处理单元使用FPGA芯片接收高速数据采集模块的数据，然后依据本发明提出的声强算法进行数字信号处理，并将声强矢量通过无线传输模块发送至安全端。FPGA实现控制和运算两方面功能：作为控制单元FPGA使能AD采样单元工作，设置采样频率和数据输出形式，同时向无线传输单元发送声强数据和控制指令；作为运算单元，FPGA可利用芯片上的硬件乘法器和已综合的功能块IP核，高效地完成并行数字信号处理算法如FFT、FIR等，在时间和功耗上有突出优势，能较好地满足声强算法的实现要求。
所述无线传输单元使用ZigBee传输技术，提供不小于100m的传输距离，可接受FPGA的指令和数据将检测的声强发送至远处安全端的其他无线传输模块。无线传输单元安装于球形固定结构，应指向输电线路下方或侧方地面，然后通过试验确定可稳定接收信号的地面区域，在此区域布置ZigBee接收装置，最终将检测的声强传输至上位机，用于监测和分析声源处的声强信息。
所述供电单元采用大容量电池，确保为声强检测装置的各模块能较长时间供电。同时还需搭建升压、降压、稳压、滤波和耦合等电路，抑制电源干扰，提高供电品质，为各个模块提供所需的标准电源接口。
所述实现方法是根据14路声压传感器的布置特点，以球体直径为标准间距，根据特定方向两个配对传声器测量的声压，求解中点位置在该方向的声强。如此可获取7个不同方向的声强值，各方向的声强可视为实际声强矢量在该方向上的投影。基于各方向投影的特殊位置关系建立线性映射模型，可得到一个包含3个未知量的线性方程组，如下所示：
式中Ix、Iy、Iz是待测位置的声强矢量在三维直角坐标系下的分量；IEF、IAB、ICD、IMR、ILQ、IPH、ING是7个特定方向的声强测量值，如图5所示。
由于方程数量大于未知数的数量，上述方程组一般不存在数学上严格的精确解，只能利用测量数据求得工程上的近似解。传统的近似解是选取与未知数数量相等的部分方程，再求其数学解，但这不能充分利用测量数据，所求解可能有较大误差。
为使上述方程组的误差最小，将线性方程组描述为矩阵形式其中有
根据矩阵理论，求得系数矩阵Q的伪逆设最优解为则最优解等于系数矩阵的伪逆P乘以向量有三维向量即为待测位置声强矢量的最优解。
本发明具有以下技术效果：
一方面，本发明提出的球形结构可灵活地安装于输电线路的内侧或外侧，球形的完全对称性降低了装置表面的电场强度，有较好的均压和电磁防护效果；由于具备良好的抗干扰特性，球形结构可以使用无线传输技术，避免了有线传输线路的架设和防护问题，可以在特高压环境声源处安全可靠地检测并传输可听噪声声强。另一方面，球形结构的传感器布局更加灵活，可选择多个典型位置有冗余地测量声压信号，然后利用多个方向数据，依据本专利提出的声强算法计算待测点的声强矢量，以减小测量中的随机误差，提高声强检测结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的系统构架示意图；
图2是本发明的14路声压传感器排布示意图(图中只展示了部分传感器)；
图3是信号处理单元结构图；
图4是单方向匹配传感器示意图；
图5是本发明的传感器阵列布局点位图；
其中，1-球形固定结构，2-14路声压传感器，3-高速数据采集模块，4-信号处理单元，5-无线传输单元1，6-供电单元，7-无线传输单元2，8-上位机，9-AD采样单元，10-FIFO数据缓存模块，11-Flash存储器，12-声强矢量运算模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细的描述。
本发明为一种可用于特高压输电线路邻近区域的球形声强检测装置及实现方法。如图1所示，本发明包括1-球形固定结构，2-14路声压传感器，3-高速数据采集模块，4-信号处理单元，5-无线传输单元1，6-供电单元，7-无线传输单元2，8-上位机。
所述球形传感装置安装于特高压输电线路的邻近区域，其工作原理如下：14路特性相同的声压传感器采集声源附近的7组声压信息，输出为双极性高阻抗的电压信号(具体范围与声压传感器的灵敏度有关)；高速数据采集模块使用前置放大器将高阻抗信号转化为低阻抗，并放大为标准±10V范围的电压信号，使用16位精度的AD采样单元同步采集14路声压信号；信号处理单元使用FPGA依据本发明提出的声强算法，利用7个方向成对的声压数据换算得到单方向声强，然后用7个不同方向的声强换算得到声源处的声强矢量；无线传输单元将声强传输至安全端的上位机，可以做到实时检测声源声强。
所述球形固定结构用于固定和保护装置的各个模块，确保特高压输电线路声源处声强的安全检测。打磨光滑的球形结构能降低装置表面畸变电场的强度，提高均压性能，有较好的电磁防护效果。通过软件仿真合理设计球体半径，以改变装置的表面曲率，也有助于避免尖端电晕放电，防止装置被强电场击穿。最后，应在±1100kV高电位环境中开展紫外放电试验，确定装置表面和内部没有击穿和电晕现象发生，降压接地后装置无损伤或损坏。否则应重新仿真设计结构参数，提高加工工艺，调整安装位置，以保证声强检测装置稳定可靠地工作于特高压环境中。
如图2所示是14路声压传感器排布示意图。以球心为原点的3条直角坐标轴将球形结构分为8个象限，确定3条坐标轴与球面的6个交点和8个球面象限的中心点。根据球体的对称性，14个交点分别位于7条直径所在的直线上。将14个特性相同的声压传感器每两个一组分为7组，沿上述7条直线方向分别布置于球面。传感器固定于7条直线方向的支架上，采用背置式结构，振膜与球面平齐，透过保护球面的金属网检测声源附近各个点位的声压。优选地，声压传感器选用丹麦GRAS Sound&Vibration公司的40AZ型1/2英寸驻极体电容式传声器。该传声器测量频段为0.5Hz～20kHz，满足可听噪声的频段范围；声压测量范围14dB～148dB，且具有50mV/Pa高灵敏度。传声器尺寸较小，振膜直径13.2mm，高度16.3mm，可以很方便地安装于固定支架上，完全满足高精度声压测量的要求。
所述高速数据采集模块包括调理电路和AD采样单元。针对上述所选40AZ型传声器，在标准的消声室校准其灵敏度，然后估算噪声源处的声压范围，根据灵敏度计算传声器的输出电压。调理电路采用前置放大器，进行阻抗变换的同时将传声器输出信号放大至标准的双极性±10V范围内，然后通过AD采样单元对标准电压信号进行模数转换。优选地，AD采样单元选用AD7616芯片。AD7616是一款16位数据采集系统，内置一个双路16位电荷再分配SAR模数转换器，支持对16个通道进行双路同步采样，每个通道的数据吞吐速率达到1MSPS。可使用该芯片同步采样同方向相互匹配的两路声压信号，以此分别完成7个方向的声压采集。
所述信号处理单元使用FPGA作为控制单元和运算执行单元。优选地，FPGA选择Altera公司Cyclone系列EP4CE10F17C8芯片。该芯片系列器件在基本FPGA架构资源的基础上，加入了时钟管理单元PLL、嵌入式存储器单元M9K和硬件乘法器。在使用时，可以把M9K模块配置成单端口、双端口RAM以及FIFO缓冲器或者ROM，以方便对运行过程中的各种数据存储。使用乘法器，可以设计实现更加高效的并行结构的数字信号处理算法如FFT、FIR等。因此，该芯片可以较好地满足信号处理中数据存储、多路并行FFT运算等要求。
FPGA芯片作为控制单元，可控制AD采样单元、FIFO数据缓存模块、Flash存储器、声强矢量运算单元模块和无线传输单元1协同有序工作。使用Verilog HDL设计程序的输入输出、逻辑控制和数据运算，然后完成功能仿真和时序仿真，最后将配置好的逻辑电路下载到芯片中并进行实验验证。优选地，Flash存储器使用M29W640GT7AN6F芯片，该芯片可采用3.3V供电，有64M字节的存储空间，可以存储较大规模的数据。
如图4所示为信号处理单元结构图。FIFO数据缓存模块用FPGA芯片上的M9K模块配置，AD采样单元输出的16位精度的数字信号暂时存储在该模块中，防止数据阻塞或丢失。Flash存储器用于大规模存储数据，包括14路16位精度的原始声压数据和运算得到的声强矢量数据。在缓存模块溢出时将数据转存至Flash存储器中；声强矢量运算模块利用FPGA芯片上丰富的计算资源如硬件乘法器、综合功能块IP核等做信号处理，将采集的声压按照本专利给出的声强算法转换为声强，然后通过无线传输单元实时发送至安全端。
所述无线传输单元采用ZigBee模块。ZigBee无线通信技术是一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信网络技术，相较蓝牙或者WiFi传输待机时间可提高几十倍，同时降低了对通讯控制器的要求，传输距离最长不小于100m。Zigbee模块包括发送和接收两部分，分别安装在高压端的声强检测装置和安全端的上位机接收模块中，用于声强检测结果的通信，可以满足设计应用的要求。
根据球形结构在7个特定方向得阵列式传感器排布，本专利提出的声强检测算法分为两步：首先是单方向声强换算，即通过特定单一直线上两个成对匹配的声压传感器，获取该方向上的声强值；然后是三维声强矢量换算，即根据7个直线方向上特殊的几何映射关系建立方程组，通过系数矩阵的伪逆将求解误差最小化，计算得到声强矢量的最优解。
球形装置上布置的传感器测得的是声压信号，因此本专利提出单方向声强换算，将同一直线上两个匹配传感器测得的声压转化为声强。假设球形装置的直径为d，将该长度作为两个匹配传感器之间的标准距离，采用背置的排布方式，如图4所示，其中参考点1和2是待测点0的两个临近点，两者到0处的距离相等。该方法可通过1、2两点处的声压近似求得中心点0处的声强。
根据理想流媒体运动方程，质点振速与声压之间存在的关系是
声压可以通过声压传感器直接测量，但式(1)中的声压梯度无法直接测量。根据有限差分原理，声场中某点0处沿x方向的声压梯度可以用其在该方向上邻近两参考点的声压值近似估算，则质点0处在x方向的振速为
0点处的声压可以近似表示为两参考点处声压的平均值，即p＝(p1+p2)/2，因而0点的瞬态声强矢量在x方向的投影分量可表示为
这两只声压传感器应具有相同的频率响应特性，相位和幅值应当完全匹配。根据公式(3)，相位和幅值的失配直接影响声强测量值。因此，测量前必须对单一直线方向的两个匹配的传感器进行相位和幅值校准，必要时采取适当的补偿，以控制测量误差。
上述公式给出了瞬时声强的计算方法，但是一般情况下，我们需要计算一定时间段内的平均声强，或者分析该时间段内声强在各个频率的分布特点，因此本专利给出声强频率分布的理论推导。
首先计算声压p和质点振速u之间的互相关函数
一个周期内平均声强和互相关函数的关系为
互相关函数经过傅里叶变换称为互谱密度函数，再对其做傅里叶逆变换，得到原函数，可以表示为
结合式(5)和(6)，有
式(7)表明压强与振速的互谱密度函数Spu(ω)是平均声强在频域中的分布函数。式(6)中定义的互谱密度函数是双边的，对于正负频率均有意义。这里取单边互谱密度函数Gpu(ω)，它与双边互谱密度函数的关系为
则声强在频域中频域点ω处的分布函数可以表示为
I(ω)＝Spu(ω)+Spu(-ω)＝Re[Gpu(ω)] (9)
设p(t)和u(t)的傅里叶变换为P(ω)和U(ω)，根据傅里叶变换的线性和积分特点，有
根据维纳-辛钦定理，两信号的互谱为一个信号傅里叶变换与另一个信号傅里叶变换共轭值的乘积，有
将式(10)代入(11)中，得
式中G22、G11分别是点2和点1处声压的单边自谱密度函数，G12是点1和点2处声压的单边互谱密度函数，Im表示虚部。
将式(12)代入(9)中，可得到平均声强的频率分布函数：
公式(13)表明，通过距离为d的两个匹配的声压传感器，可以得到在此标准化间距下其中心点处的平均声强。因此，使用该方法可以分别求出7个特定方向的声强值。
三维声强矢量换算方法是通过7个方向的声强值，根据其特定的几何关系建立方程组求解待测点处的声强矢量。传感器几何布局模型如图5所示。确定3个坐标轴与球面的交点A、B、C、D、E、F，沿直径方向在球面上布置三组声压传感器。然后确定8个挂限对应球缺的中心点，沿直径方向布置四组传感器。
记体心0点在x、y、z三个正交方向的声强分量为Ix、Iy、Iz，三个正交方向的单位向量分别为i、j、k，则O点处的声强Io＝Ixi+Iyj+Izk。各个方向测得的声强值实为IO在该方向的投影，也可以看作是三个正交方向的声强分量Ix、Iy、Iz在该方向上的投影。以体直径MR方向为例，根据数学关系可知MR与x轴、y轴、z轴夹角的余弦值分别为：
IO在MR方向的声强值IMR，等于Ixi+Iyj+Izk分别在该方向投影的和：
同理，可以列出其他直径方向的投影方程，建立如下方程组：
式中Ix、Iy、Iz是待测位置体心O点的声强矢量在三维直角坐标系下的分量；IEF、IAB、ICD、IMR、ILQ、IPH、ING是7个特定方向的声强测量值。
由于单一方向的声强是根据有限差分原理近似求得的，所以上述方程组的左右两端是近似相等而非严格相等。方程组中有3个未知量和7个方程，属于超定线性方程组，无法求出精确解。为使该方程组解的误差最小，本专利基于矩阵理论，提出一种声强矢量换算方法。首先将方程组(16)写成线性方程组的矩阵形式：其中有
对于上述无解的线性齐次方程组，设是使方程组误差最小的解，即它可以使范数达到最小值。根据矩阵理论，可知其中P是系数矩阵Q的伪逆。计算得 那么该线性方程组在此条件下的最优解为
根据公式(18)，即可得到O点处的声强矢量的最优解：
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。