基于声光发电储能的噪声前馈主动声屏障系统

1.本实用新型属于噪声控制、声波发电以及光伏发电领域，具体涉及一种基于声光发电储能的噪声前馈主动声屏障系统。


背景技术：

2.现今建筑设计中“以人为本”的思想不断强调人在建筑中的主体作用，而声环境质量也同样影响着居民的舒适度，尤其在近些年随着城市化的进程不断推进，声环境的好坏更是逐渐成为了人们评判建筑好坏的主要标准之一。
3.噪声控制可以分为主动降噪和被动降噪技术。被动降噪技术，又称无源噪声控制技术，其大多是通过吸声、声屏障及材料结构等途径，利用噪声声波于声学材料或通过结构减小振动，以减小噪声。但是，仅仅使用无源噪声控制，其在使用时总会被诸多因素制约，例如，被动式的降噪方式只适用于抑制中高频噪声传播，针对低频噪声其降噪效果并不理想，并且被动式装置的体积和价格会随着降噪要求的提高而增加，这将会由于空间不足等问题对噪音控制措施的实施产生一定的制约。而主动降噪技术，又称有源噪声控制技术，是根据声波的叠加原理，在空间某一点，通过初级声波与次级声波的相消性干涉达到降噪目的的噪声控制方式，其对于低频噪声控制以及在成本和设备体型等方面具有明显的优势。
4.车辆低速行驶时，此时发动机噪声起主导作用；车辆中速行驶时，轮胎和地面相互作用，二者产生的路噪扩大成为主要噪声源；当汽车高速行驶时，气流与车身相互作用产生气动噪声。随着路面汽车的增多，交通道路上路噪以及汽车发动机和传动系统噪声在城市噪音中的占比与影响程度也随之扩大，特别是在午、晚间时，道路车流量高峰时期，众多汽车在道路中行驶所产生的噪音叠加，产生不可忽视的交通噪声。
5.在噪声的有源控制中存在诸多对系统稳定性产生巨大影响的诸多问题，如：声反馈问题，即前馈系统中次级声源发出的声波对参考传感器的反馈问题；系统迟滞问题，即系统从采集参考信号到次级声源发出刺激声波抵消噪声过程中具有一定的迟滞时间，这将会影响系统的控制效果，有源噪声控制系统往往为降低系统动作时间加快计算时间而在计算精度上做出牺牲。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种基于声光发电储能的噪声前馈主动声屏障系统，用以解决现有技术中的噪声控制中的声反馈问题及系统迟滞问题等。
7.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
8.基于声光发电储能的噪声前馈主动声屏障系统，包括一个参考数据采集点和多个声屏障；
9.所述的参考数据采集点处设置有速度传感器和参考噪声传感器，所述的速度传感器用于采集参考车速，所述的参考噪声传感器用于采集参考噪声；
10.所述的声屏障包括第一侧板、第二侧板、次级声源、噪声抑制单元和供能单元，所
述的控制器设置在第一侧板和第二侧板之间的空腔内几何中心处，次级声源设置在道路侧板的几何中心处，供能单元设置在声屏障外且正对于声屏障；
11.所述的噪声抑制单元包括大数据库、误差传感器和自适应控制器，所述的误差传感器置于次级声源正上方；所述的大数据库用于存储不同车速对应的噪声并根据参考速度和参考噪声从大数据库查询出声屏障处的噪声预测值，所述的误差传感器用于采集各个声屏障处的实际噪声，所述的自适应控制器用于根据噪声预测值和实际噪声获得抑制声波并控制次级声源发出抑制声波；
12.所述的供能单元包括依次相连的声波发电装置、光伏发电装置、供能单元控制器和蓄电池组。
13.进一步的，所述的第一侧板为吸声材料，所述的第二侧板为隔声材料。
14.更进一步的，所述的第一侧板厚度为100mm，所述的空腔厚度为80mm，所述的第二侧板厚度为20mm。
15.进一步的，所述的参考数据采集点设置在立交驶入方向距离居民区直线距离100m处，所述的声屏障设置在距离居民区小于50m处。
16.进一步的，所述的速度传感器采用cs-10雷达测速模块，所述的参考噪声传感器采用beyerdynamic mm-1麦克风，所述的大数据库采用8051单片机及ssd，所述的误差传感器采用beyerdynamic mm-1麦克风，所述的自适应控制器的硬件采用dsp c5508a软件采用fxlms算法。
17.本实用新型与现有技术相比具有以下技术特点：
18.(1)参考传感器与次级声源距离较远，可有效的避免有源噪声控制过程中声场中产生的次级声波对反馈过程中参考传感器采集的信号产生声反馈影响。
19.(2)参考传感器与次级声源距离较远，从汽车经过参考传感器到汽车接近次级声源留有一定的时间，故对系统的动作时间要求降低，可为系统提供更多可选择的精度更高的算法，能够有效的提高系统噪声控制效果。
20.(3)声屏障为双板结构。内侧材料为吸声材料，可针对系统噪声抵消后形成的残留声场进行二次降噪；外侧材料为隔音材料，一方面可将外侧噪声阻隔，避免系统外声环境对各传感器采集到的数据产生影响，另一方面能够将穿过内侧板的声波进行反射，避免其穿过声屏障传入居民区；双板之间具有一定间隙形成空腔，使透过内侧板的残留声波，该构造可通过被动式降噪手段在一定程度上以被动式消声手段对噪声进行抵消，提高该发明的降噪效果。
21.(4)随着系统使用时间的增多，预测系统内存储数据增多，其预测效果不断提升，使得自适应控制器内输入信号更加精确，能够有效的降低误差，使该系统能够更快的趋于稳定状态。
22.(5)以声波产生的振动以及光伏为能源，转换为电能为该系统进行供电，不为市政电网增加供电压力，实现自给自足。
附图说明
23.图1为本实用新型的结构示意图；
24.图2为本实用新型的系统组成示意图；
25.图3为声屏障的三视图。
具体实施方式
26.首先对本实用新型中出现的技术词语进行解释说明：
27.初级声源：一个将要被控制的声场成为初级声场，其声源为初级声源。
28.次级声源：人为产生的、用于抵消初级噪声的“反”噪声称为次级噪声，产生次级噪声的作动器称为次级声源。
29.fxlms算法：有源噪声控制领域的常用噪声控制算法，出处为陈克安.有源噪声控制[m].国防工业出版社:北京市海淀区紫竹院南路23号,2014.11:1.
[0030]
在本实施例中公开了一种基于声光发电储能的噪声前馈主动声屏障系统，包括一个参考数据采集点和多个声屏障，所述的参考数据采集点设置在立交驶入方向距离居民区直线距离约100m处，所述的声屏障设置在距离居民区小于50m处；
[0031]
所述的参考数据采集点处设置有速度传感器和参考噪声传感器，所述的速度传感器用于采集参考车速，所述的参考噪声传感器用于采集参考噪声；
[0032]
所述的声屏障包括第一侧板、第二侧板、次级声源、噪声抑制单元和供能单元，所述的控制器设置在道路侧板和居民侧板之间的空腔内几何中心处，次级声源设置在道路侧板的几何中心处，供能单元设置在声屏障外且正对于声屏障；
[0033]
所述第一侧板为道路侧，第二侧板为居民侧，所述的供能单元设置在立交公路上远离居民侧；
[0034]
所述的噪声抑制单元包括大数据库、误差传感器和自适应控制器，所述的误差传感器置于次级声源正上方；所述的大数据库用于存储不同车速对应的噪声并根据参考速度和参考噪声从大数据库查询出声屏障处的噪声预测值，所述的误差传感器用于采集各个声屏障处的实际噪声，所述的自适应控制器用于根据噪声预测值和实际噪声获得抑制声波并控制次级声源发出抑制声波。
[0035]
优选的，所述的第一侧板为吸声材料，所述的第二侧板为隔声材料。
[0036]
具体的，速度传感器采用cs-10雷达测速模块，参考噪声传感器采用beyerdynamic mm-1麦克风。
[0037]
具体的，所述的第一侧板(即声屏障吸声板)厚度约100mm，空腔厚度为80mm，所述的第二侧板(即隔声板)厚度约为20mm，所述声屏障的结构如图3所示。
[0038]
具体的，大数据库由8051单片机及ssd组成，实现对噪声数据的建立、存储与调用，当速度传感器与参考传感器采集到的信息输入单片机后，单片机读取ssd卡内以存储的数据，并寻找数据库内与采集数据最相似的数据所对应的各声屏障处噪音预测值读出，后作为噪声控制系统的输入信号；并将本次速度传感器及参考传感器采集到的数据连同各误差传感器所采集到的噪音实际值存储进ssd内，以使ssd内数据更加完善，更具有普适性。
[0039]
具体的，误差传感器采用beyerdynamic mm-1麦克风，自适应控制器硬件选用dsp c5508a搭载程序，软件部分使用有源噪声控制领域的fxlms算法。
[0040]
声屏障的工作原理如下：当汽车经过参考数据采集点后，预测单元计算得出到达执行点n处时噪声预测值x(t)，将x(t)作为自适应控制器的输入，自适应控制器根据fxlms算法规则计算出次级信号y(t)，输出后经功率放大器驱动次级声源发出次级声波，此时初
级声源和次级声源分别形成初级声场和次级声场，在re误差传感器同时接收到初级声场和次级声场的升压，叠加后形成误差信号e(t)，自适应控制器接收误差信号，根据预先设定的控制目标调整控制器权系数，从而改变次级信号强度(包括幅度和相位)。这样的过程储蓄不断持续下去，直至满系统达到稳定状态。
[0041]
具体的，供能单元包括声波发电装置、光伏发电装置、供能单元控制器和蓄电池组。声波发电装置产生的电能和光伏发电装置产生的电能均通过控制器转换为能够给蓄电池组充电的直流电。
[0042]
优选的，供能单元控制器选用at89s51单片机，蓄电池选择铅酸蓄电池。
[0043]
具体的，声波发电装置用于将声波转换成电能，该转换的电能通过ac/dc转换器变为直流电，该转变的直流电经过控制器的脉冲宽度调节pwm调整电压，再将调整后的电压用于给蓄电池充电。光伏发电装置包括太阳能光伏板和支架，用于将太阳能转换成电能，该转换的电能通过dc/dc转换器变为直流电，该转变的直流电经过控制器的脉冲宽度调节pwm调整电压，再将调整后的电压用于给蓄电池充电。基于声光发电储能的噪声前馈主动声屏障系统，采用声光互补发电技术以实现为该系统进行供电。
[0044]
本实用新型的供能单元，还包括充电管理模块和与充电管理模块连接的电压检测模块，充电管理模块选用cn3768芯片，电压检测模块选用pcf8591芯片。
[0045]
充电管理模块用于采集蓄电池的电压信息来判断蓄电池是否达到充电电压，当蓄电池达到充电电压时，电压检测模块用于将声光发电装置的电压信息和光伏发电装置的电压信息均发送给控制器，控制器控制声波发电装置和光伏发电装置两者之间电压较高的一者给蓄电池充电，当蓄电池处于充满状态时，由充电管理模块控制停止对蓄电池充电；蓄电池连接有直流升压模块，直流升压模块连接有给电动汽车充电的无线充电装置，其中，直流升压模块选用xl6009升压芯片。
[0046]
当正在充电的蓄电池充满后，再由充电管理模块控制停止对蓄电池充电；若充电管理模块一开始判断出所有蓄电池处于一个充满的状态，充电管理模块直接控制不对蓄电池充电，即电压检测模块不会给控制器发送声波发电装置的电压信息和光伏发电装置的电压信息；当蓄电池为该系统进行供电，蓄电池电量下降到一定程度时，即蓄电池达到充电电压，更换满电蓄电池为该系统供电，需充电的蓄电池重复上述的充电过程。
[0047]
本实用新型能针对临近居民区的高速公路或轻轨以及建立在居民密度较大的城市立交等处的噪音问题进行治理。针对该汽车在其未接近居民密度较大区域时车速以及噪声情况进行预测，并在其进入距离居民密度较大区域时对其产生的噪声进行控制。