气体绝缘金属封闭开关设备声成像定位基本原理、典型应用案例、声成像定位装置的布置方法.docx

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1、附录A(资料性附录)声成像定位基本原理A. 1基本原理声成像定位基本原理如图A.1所示。以被测设备为观测对象布置检测单元，通过传声器阵列同步接收到多个通道的声音信号，根据声成像算法获得设备基准发射面上的声源定位云图。将检测过程中同步记录的被测设备可见光图像为背景，通过几何配准将声源定位云图与可见光图像叠加显示，形成声成像定位图。声成像定位图可直观显示被测设备的声源位置、强度、频率等特征。T:声场声源定位云图图A.1声成像定位基本原理A.2声成像算法声成像算法是声成像定位技术的核心，不同的算法具有不同的特点。为满足被测设备的不同检测场景，基于传声器阵列的声成像定位算法主要可以分为4类：基于最大输

2、出功率的可控波束形成(Beamforming,BF)的定位技术;波达角估计(AngIeofArriVaLAOA)的定位技术；基于声压幅度比(SoundpressureAmplitudeRatio,SPAR)的定位技术；以及基于声音到达时间差(TimeDelayOfAnival,TDOA)的定位技术。(1)基于最大输出功率的可控波束形成技术(BF)基于最大输出功率的波束形成技术的基本思想是将阵列接收到的信号进行滤波、加权与求和，通过波束形成技术对麦克风阵列的接收方向进行调节，并改变权值使得阵列的输出功率达到最大，此时，波束最大输出功率的位置就是目标声源的位置。该类定位算法主要有以下几种代表性的方

3、法：常规波束形成(COnVemkmalBeamForming,CBF)算法、最小方差无失真响应(MinimUmVarianCeDiStOrtionleSSResponse,MVDR)算法等。(2)波达角估计的定位技术(AOA)波达角估计的定位技术是一种基于超分辨率的估计技术，也称为高分辨谱估计声源定位技术、子空间声源定位技术。该算法之所以称为子空间分解，是因为它的核心思想就是将接收到的信号划分为不同的子空间。对麦克风接收到的语音信号进行空间划分，将其划分为信号子空间和噪声子空间，利用两个子空间之间的正交关系来获取声源的位置信息。它的空间分辨率不受信号采样频率的影响，在一定的前提条件下，可以实现

4、任意定位。该算法主要利用各个麦克风信号之间的相关矩阵获取声源的方位角。该类定位算法主要有以下几种代表性的方法：最小方差谱估计(MV)算法、旋转不变子空间(ESPRlT)算法、信号子空间拟合(SSF)算法、多重信号分类(MUSlC)算法等。(3)基于声音到达时间差的定位技术(TimeDelayofArrival,TDOA)基于到达时延的声源定位算法它是依据所测量的不同的麦克风传感器之间的一组到达时间差的估计值，进而获得目标声源信号的方位。其定位的原理为：由于声波所经过的路径不相同，并且入射到不同麦克风阵元所用时间也不同，所以它会存在一定的声程差。正是根据到达不同阵元的声程差，然后根据麦克风阵列的

5、空间模型，可以通过几何算法获得声音信号位置的估计值。根据对基于时延估计的声源定位算法描述可知，影响声源定位精度的主要因素在于准确的时延估计以及阵列结构的科学性。所以在麦克风阵列阵型已经确定的情况下，对于时延估计成为该算法的重点。对于时延估计算法，如何快速精准地获取到稳定的时延估计值是进行定位的基础。目前用来获取时延值的方法主要有广义互相关(GeneraIiZedCrOSSCOrrelatiOn,GCC)算法、最小均方(LeaStMeanSqUare,LMS)算法等。BF算法、AOA算法、TDOA算法特点见表A.1。表A.1声成像定位算法特点算法名称优点缺点应用场景BF稳定，计算效率高低频声源精

6、度低各类场景均可使用AOA定位精度高算法复杂性高、鲁棒性差背景噪声干扰小，且无实时性要求的场景TDOA算法简单易于实现，计算效率高仅能识别单声源放电击穿等瞬态单个声源附录B（资料性附录）典型应用案例（更多参考）8. 1GIS运行异响检测某变电站252kVGIS在运行期间出现了间歇性的“嗡嗡”异响，采用声成像定位装置进行了检测分析。结果显示异响位于被测设备的支架处，在4003000Hz频段存在大量谐波分量，且有明显的间隙波动特征。若异响信号的主导能量在4003000Hz频段，则符合GIS机械结构振动所辐射出来的声音特征。因此判断是GIS各个位置的支撑受力不完全均匀，导致出现局部微量扭曲，产生相比

7、于其它位置更大的嗡嗡声。通过调整GIS外部支撑，采用先释放应力后重新锁紧的方式，GIS异响消失，后在同一位置进行了复测，结果显示GlS未见异常声源、异响特征消失。36.7dB34.7dB图B.2GlS运行异响声成像定位结果8. 2GIL运行异响检测某GIL运行期间在法兰处出现了连续的“嗡嗡”振动声，采用声成像定位装置进行了检测分析。结果显示异响频率以IOOHZ基频及其谐频为主，1005000Hz频段均存在明显的谐波成分，主导能量位于5001500Hz（,基于在各特征频率上的声成像识别结果，逐一判断声源位置主要集中于抱箍和法兰中间以及接近抱箍位置。图B.3GlL运行异响声色谱图图B.4GIL运行

8、异响声成像定位结果B. 3GIS耐压击穿GIS内部击穿放电会引起放电点周围绝缘介质的剧烈振动，经气体和固体等介质传播会形成高幅值的声波信号。GIS击穿放电时的声信号主要表现为衰减振荡型的高幅值宽频脉冲信号，如图B.5所示，其时域波形如图B.6所示，具有明显的对称特征。声成像定位结果如图B.7所示。击穿后的能量会有传播效应，沿着气室快速传播，在某处的盆子会再次出现冲击波（非击穿），形成反击信号，反击信号出也会出现较大的声音，因此会对现场击穿位置的确定造成干扰。现场采到的反击信号，与击穿信号不同，时域波形在峰值处都有不对称特点，判断原因反击信号是由击穿信号沿着壳体（及盆子）传播过来，由于壳体（及盆子）具有一定的阻尼比，反击信号会出现衰减，这种衰减可能在某个方向上更加明显，进而造成了反击信号的不对称特点，典型反击时域波形如图B.8所示。(Time)图B.5GlS耐压击穿声色谱图500e-3-500e-30.01.02.03.04.05.06.07.08.0图B.6GlS耐压击穿声时域波形附录C（资料性附录）声成像定位装置的布置方法声成像定位装置的检测单元应平稳放置于地面上，阵列面应朝向被测设备结构，检测期间不应出现移位、倾覆等现象，布置方式如图C.1所示。图C.1声成像定位装置的布置方式