基于广义FIR滤波器的电力设备有源噪声控制

    0 引言

    超高压交流输电和高压直流输电工程中电力设备的噪声污染问题越来越受到人们的关注[1]。变电站(换流站)电力设备噪声和输电线路噪声是输变电工程的主要噪声源[2-5]。这些噪声给人们带来严重的噪声污染[6]。因此，电力设备的降噪势在必行。目前，国内外对噪声控制技术分为无源控制技术和声的控制[7-10]，欲使低频噪声控制获得较好的吸声[11]，这样将使得实际装置体积变大，并将导致电力设备散热的困难。因此，只采取无源控制去抑制电力设备的低频噪声是不现实的。

    有源消声方法是近年来发展起来的一种噪声控制方法[12-13]。与传统的降噪技术相比，有源噪声控制(active noise control，ANC)技术具有以下几个特点：对低频噪声控制的效果好；控制系统体积小、重量轻；可根据所控制噪声的特性相应地设计和改变控制系统特性而使噪声控制具有针对性和目标性[14]。目前，有源噪声控制算法采用较多的是有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)滤波器的LMS 算法，该算法的主要缺点是收敛速度慢、不能处理次级源声路未知的问题[15-16]。

    本文提出基于广义 FIR 数字滤波器估计的ANC 前馈控制算法。广义 FIR 滤波器的一个重要特性和优势是其动态特性能够纳入到基本函数，在不知期望的动态特性的情况下，通过对基本函数的构造，可以将广义 FIR 滤波器简化成常规 FIR 滤波器，但比常规滤波器使用更少的参数，且逼近特性更好，故该算法收敛性能更优，以该算法构建的系统具有实现简单、稳定性好的优点。本文以电力变压器噪声为研究对象，进行噪声控制的研究，仿真结果表明，其降噪量可达到 12~18 dB，降噪效果比相关文献[17]更佳。

    1 有源噪声控制系统设计

    1.1 系统结构及算法

    若能采集与初级声源相关的参考信号，就可构建有源前馈控制系统，这种系统具有实现简单、稳定性好的优点[18]。本文利用传感器检测电力设备的噪声(即初级声源)得到控制系统的参考信号，因此，ANC 采用前馈控制系统。

    目前，最小均方 (least mean square，LMS)[19]算法是有源控制的常用算法[20]，该算法对前馈控制的估计和调整十分有效[21]，稳定性好，但收敛速度不够快[22]。本文使用了参数化线性 FIR 滤波器进行递归估计和调整[23]，实现输出误差的前馈补偿优化，在此基础上，提出基于广义 FIR 数字滤波器估计的 ANC 前馈控制算法。

    1.2 反馈补偿分析

    在标量噪声前馈补偿中，内部采集传感器得到的一个(放大)信号 u ( t )输入到前馈补偿器 F ( q )，该补偿器控制输入扬声器的控制信号cu ( t )，实现声音的补偿。为设计有源消声前馈补偿器，用信号 e ( t )来表示外部干扰和控制扬声器声音的综合效果。H ( q )和 G ( q )分别表示干扰噪声到误差信号和控制输入到误差信号的声音传播离散时间动态特性。它们之间的动态关系如图 1 所示。如果噪声 u ( t )本身不受前馈声音补偿cu ( t )的影响，则从图 1 可知，描述误差信号的方程为