一种适用于输气汇管的有源降噪系统的制作方法

1.本发明涉及天然气站场汇管噪声控制技术领域，具体涉及一种适用于输气汇管的有源降噪系统。


背景技术：

2.输气场站的汇管是用来接收上游多条支管的来气，加以调节后分配给下游一条或多条支管，其主要作用就是将不同流速和流量的多条支管来气通过气流汇集、混合，调节好气压气量再分配给下游支管。在汇管内的高压环境下，不同压力和流速的高压气流相遇发生混合，会引发非常剧烈的扰动和气流破碎，进而产生高强高频的湍流噪声，同时，剧烈扰动的湍流壁发生碰撞和摩擦，激发管壁振动，使刚性的汇管表面形成噪声发生器，向四周辐射高强噪声。此时汇管内的流向表现为高混乱的湍流与涡流扰动状态，辐射高强的低频离散噪声和宽带噪声。管内湍流噪声以及扰动气流冲击管壁产生的振动噪声使汇管成为站场噪声的主要来源之一。
3.现输气站场噪声污染治理主要采用吸声材料吸声的方式，但传统的吸声材料对低频噪音吸收效果差，中高频吸声带宽窄，无法应对宽频噪声污染的防控需求，因而不能有效解决汇管噪声污染问题。
4.有源降噪技术是利用电子线路和扩声设备产生与噪声的相位相反的声音，来抵销原有的噪声而达到降噪目的的技术，也称为反声技术。有源降噪装置包括：参考传感器、次级声源、误差传感器和控制器。有源降噪系统对低频噪音降噪控制好，运用较广，但现有专利中有源降噪系统应用于输气汇管并没有考虑输气汇管的特殊工况，降噪效果不够理想。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于输气汇管的有源降噪系统，以解决汇管有源降噪效果不够理想的问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于输气汇管的有源降噪系统，包括汇管、隔声罩和有源降噪装置；
7.所述隔声罩设置在汇管的外围，所述隔声罩与汇管之间形成密闭的降噪腔；
8.所述有源降噪装置设置降噪腔内，包括参考传感器、次级声源、误差传感器和控制器；所述参考传感器、次级声源以及误差传感器分别与所述控制器电连接，所述参考传感器用于获知汇管产生的噪声信息，并为控制器提供参考信号，所述误差传感器用于监测汇管产生的噪声信息，为控制器提供反馈信号，所述控制器利用参考传感器的参考信号和误差传感器的反馈信号计算控制信号，并通过功放驱动次级声源发出反相噪声；所述次级声源安装在隔声罩上并朝向汇管设置；
9.所述有源降噪装置为多个，所述有源降噪装置之间的次级声源均设置在汇管的轴线上方，并沿汇管的轴向间隔布置，且间距为300hz波长的一半。
10.进一步地，所述控制器包括：
11.信号调理和采集模块；与误差传感器和参考传感器电连接，用于接收参考传感器发出的参考信号以及误差传感器发出的反馈信号，并调理处理后得到模拟信号；
12.数模转换模块，与信号调理和采集模块电连接，用于将信号调理和采集模块发出的模拟信号转换成数字信号；
13.信号处理模块，与数模转换模块电连接，用于将数模转换模块转换的数字信号进行算法运算，得到控制指令；
14.功率放大器，与信号处理模块电连接，用于接受信号处理模块的控制指令，并驱动次级声源发出反相噪声；以及
15.电源模块，用于对信号调理和采集模块、信号处理模块、数模转换模块以及功率放大器供电。
16.进一步地，还包括上位机，所述上位机与所述控制器通信，用于对控制器的控制结果进行记录，以及对控制器的参数进行设置。
17.进一步地，所述隔声罩与汇管的支管接触处设有用以减振的柔性阻尼材料。
18.进一步地，所述上隔声罩的顶部设有与降噪腔相连通的多个消声孔。
19.进一步地，所述隔声罩包括上下设置的上隔声罩和下隔声罩，所述上隔声罩与下隔声罩可拆卸连接，所述上隔声罩与下隔声罩之间为止口配合。
20.进一步地，所述上隔声罩与下隔声罩的相接处也设有柔性阻尼材料。
21.进一步地，所述上隔声罩为中空蜂窝隔声材料，所述下隔声罩为柔性吸声材料。
22.进一步地，所述柔性阻尼材料为硬质pur自结膜发泡海绵。
23.进一步地，所述汇管的外围还包裹有用于汇管隔热的隔热层。
24.本发明的有益效果是：本发明在降噪腔内设置多个源降噪装置，有源降噪装置之间的次级声源均设置在汇管的轴线上方，并沿汇管的轴向间隔布置，且间距为300hz波长的一半，这样可以在降噪腔内形成足够面积大小的降噪静区，对汇管的噪音抑制好的同时，有源降噪装置的数目也较少，也有效控制了系统的建设成本。
附图说明
25.图1是本发明的结构示意图；
26.图2是图1的左视图；
27.图3是本发明的有降噪器的结构示意图；
28.图4是本发明的控制器的结构示意图
29.图5是图1沿a-a的剖视图；
30.图6是图5的b处放大示意图；
31.图7是本发明的控制器反馈控制算法的结构；
32.图中所示：汇管1，隔声罩2，降噪腔3，有源降噪装置4，柔性阻尼材料5，上位机6，密封条7，隔热层11，上隔声罩21，下隔声罩22，次级声源41，参考传感器42，误差传感器43，控制器44，信号调理和采集模块411，信号处理模块412，数模转换模块413，功率放大器414，电源模块415。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
34.如图1至图4所示，本发明的一种适用于输气汇管的有源降噪系统，包括汇管1、隔声罩2和有源降噪装置4；所述隔声罩2设置在汇管1的外围，所述隔声罩2与汇管1之间形成密闭的降噪腔3。有源降噪装置4设置降噪腔3内，包括参考传感器42、次级声源41、误差传感器43和控制器44；所述参考传感器42、次级声源41以及误差传感器43分别与所述控制器44电连接，所述参考传感器42用于获知汇管1产生的噪声信息，并为控制器44提供参考信号，所述误差传感器43用于监测汇管1产生的噪声信息，为控制器44提供反馈，所述控制器44利用参考传感器42和误差传感器43的信号计算控制信号，并通过功放驱动次级声源41发出反相噪声；所述次级声源41安装在隔声罩2上并朝向汇管1设置；所述有源降噪装置4为多个，所述有源降噪装置4之间的次级声源41均设置在汇管1的轴线上方，且沿汇管1的轴向间隔布置，且间距为300hz波长的一半。
35.其中，参考传感器可以采用但不限于：声压传感器和加速度传感器；误差传感器一般采用一般为声压传感器。
36.本发明实施例中，次级声源拟采用4英寸喇叭单元，每个次节声源的后腔体积为20cm*20cm*30cm。
37.由于汇管1的主要为100-500hz的低频噪声频段，本发明在降噪腔3内设置多个源降噪装置4，有源降噪装置4之间的次级声源41均设置在汇管1的轴线上方，并沿汇管1的轴向间隔布置，且间距为300hz波长的一半，这样可以在降噪腔内形成足够面积大小的降噪静区，对汇管的噪音抑制好的同时，有源降噪装置4的数目也较少，也有效控制了系统的建设成本。
38.本发明实施例中所述参考传感器42、误差传感器43以及次级声源41集成设置在一起，以提高有源降噪装置的集成度和系统稳定性。
39.控制器44的具体硬件结构并不唯一。在一个实施例中，如图4所示，控制器44包括：信号调理和采集模块411、信号处理模块412、数模转换模块413、功率放大器414和电源模块415。电源模块415与信号调理和采集模块411、信号处理模块412、数模转换模块413以及功率放大器414电连接，用于向信号调理和采集模块411、信号处理模块412、数模转换模块413以及功率放大器414供电。信号调理和采集模块411与误差传感器43和参考传感器42电连接，用于接收参考传感器42发出的参考信号以及误差传感器43发出的反馈信号，并调理处理后得到模拟信号。信号调理和采集模块411包括信号调理输入模块以及信号调理输出模块，信号调理输入模块包括信号放大器和抗混叠滤波器，分别用于信号的放大和抑制信号的频谱混叠；信号调理输出模块包括平滑滤波器，用于通过缩小高频，扩大低频可以去除某些噪声。数模转换模块413与信号调理和采集模块411电连接，用于将信号调理和采集模块411发出的模拟信号转换成数字信号。信号处理模块412与数模转换模块413电连接，用于将数模转换模块413转换的数字信号进行算法运算，得到控制指令。功率放大器414与信号处理模块412电连接，用于接受信号处理模块412的控制指令，并驱动次级声源41发出反相噪声
40.本实施例中提供的信号处理模块412，采用ti公司生产的omap-l137芯片，该芯片内部包含tms320c674x和arm926ej-s两个子处理器。其中tms320c674x是一款高性能、低功
耗的数字信号(dsp)处理器，具有强大的浮点运算能力，在系统中主要完成局部声场主动控制算法的运行；arm926ej-s则是一款通用处理器，在系统中主要完成算法运行状态管理、数据通讯等工作；omap-l138外围还设置有flash和sdram芯片，其容量分别为512mb和64mb。另外，omap-l138可通过网口与上位机通讯，实现命令和数据的交互。
41.另外，本实施例中arm926ej-s通用处理器运行的算法，采用4个通道的独立反馈控制方法，由于反馈算法中没有参考传声器，无法直接得到参考信号x(n)，因此使用imc得到参考信号的估计，框图如图7所示，hs(n)为次级通路的估计。由此得到参考信号的估计后，在精确建模条件下，次级声反馈将被完全抵消，此时利用维纳滤波器可实现最优控制。
42.参考信号输入控制器w(n)后，输出次级信号y(n)，次级信号通过次级通道hs(n)，在误差传声器处与初级噪声d(n)相互作用，得到误差信号e(n)，达到有源噪声控制的目的。目标函数为均方误差：
43.j(n)＝e[e2(n)]
ꢀꢀꢀ
(4.36)
[0044]
式中：“e(
·
)”表示对自变量取时间平均。
[0045]
在误差传感器位置处，期望信号d(n)和误差信号e(n)分别为：
[0046]
d(n)＝x(n)*p(n)
ꢀꢀꢀ
(4.37)
[0047]
e(n)＝d(n)+y(n)*hs(n)
ꢀꢀꢀ
(4.38)
[0048]
式中：“*”表示卷积运算。
[0049]
控制器最常用的实现方式是横向结构fir滤波器，设滤波器长度为l,则第n时刻滤波器的权系数和参考输入表示为矢量形式为：
[0050]
w(n)＝[w1(n) w2(n) ... w
l
(n)]
t
ꢀꢀꢀ
(4.39)
[0051]
x(n)＝[x(n) x(n-1) ... x(n-l+1)]
t
ꢀꢀꢀ
(4.40)
[0052]
式中：“t”表示向量的转置。
[0053]
次级信号y(n)为滤波器输出：
[0054]
y(n)＝x(n)*w(n)＝x
t
(n)w(n)
ꢀꢀꢀ
(4.41)
[0055]
滤波-x信号为：
[0056]
r(n)＝x(n)*hs(n)
ꢀꢀꢀ
(4.42)
[0057]
由它组成的列矢量为滤波-x信号矢量：
[0058]
r(n)＝[r(n) r(n-1) ... r(n-l+1)]
t
ꢀꢀꢀ
(4.43)
[0059]
令
[0060]
r＝e[r(n)r
t
(n)]
ꢀꢀꢀ
(4.44)
[0061]
p＝e[d(n)r(n)]
ꢀꢀꢀ
(4.45)
[0062]
则式(1)可以表示为：
[0063]
j(n)＝e[d2(n)]+2p
t
w+w
t
rw
ꢀꢀꢀ
(4.46)
[0064]
对于平稳初级噪声，j(n)是滤波器权矢量w(n)的二次型函数，由于自相关矩阵r是正定对称的，因此j(n)存在一个唯一的最小值，对应最佳滤波器系数的维纳解为：
[0065]
w0＝-r-1
p
ꢀꢀꢀ
(4.47)
[0066]
式中：“r-1”表示对矩阵r求逆。
[0067]
数模转换模块413包括数模转换芯片、模数转换芯片以及其对应的fpga芯片。本发明实施例中，数模转换芯片采用的是ti公司的ads7066芯片，它具有总共8个通道输入，每个
采样点位数为16位，最高采样频率可以达到250khz；其采用的是sar方式进行转换，转换时间仅为3.2微秒，满足主动控制需求。模数转换芯片采用的是ti公司的dac8820芯片，其输出分辨率为16位，配合外围附属电路其输出动态范围可达
±
5v；对应的逻辑控制电路采用altera公司的ep2c的fpga实现，完成ad芯片的时序控制，采样数据格式转换，da芯片的时序控制，数据格式转换。
[0068]
本发明实施例中，电源模块415采用迪龙dla100ha-220s24，其交流输入电压为220v，直流输出电压为+24v，最大功率为100w。
[0069]
本发明还设有上位机6，上位机6与控制器44通信(具体与信号处理模块412通信)，用于对控制器44的控制结果进行记录，以及对控制器44的参数进行设置。上位机与控制器通信具体可采用有线或无线的方式。
[0070]
需要说明的是，上位机的主要功能包括通道建模，即发送命令给控制器，执行次级通道建模操作，计算出4个次级通道信息hs(n)。控制器建模主要完成控制滤波器系统w0的计算。
[0071]
隔声罩2受声波影响会振动，为了防止隔声罩2与汇管1的支管12之间产生振动噪音，本发明在隔声罩2与汇管1的支管12接触处设有用以减振的柔性阻尼材料5。
[0072]
本发明中所述上隔声罩21的顶部设有与降噪腔3相连通的多个消声孔23。如此，消声孔23不仅可以作用，还可以通过通孔23排出降噪腔3内的可能聚集的泄漏天然气，可以防止泄漏的天然气在降噪腔3内聚集。消声孔23的孔径通常在2-5mm。
[0073]
本发明中所述隔声罩2包括上下设置的上隔声罩21和下隔声罩22，所述上隔声罩21与下隔声罩22可拆卸连接，所述上隔声罩21与下隔声罩22之间为止口配合。在检修时可以将上隔声罩21和下隔声罩22拆卸开，方便对汇管1的检修。上隔声罩21与下隔声罩22之间具体可采用螺栓连接和卡接等。上隔声罩21与下隔声罩22之间为止口配合，方便安装且可使隔声罩的隔音效果更好。上隔声罩21与下隔声罩22之间具体可采用螺栓连接、卡接等
[0074]
如图6所示，为了防止上隔声罩21、下隔声罩22之间因相互振动产生噪音，上隔声罩21与下隔声罩22的相接处也设有柔性阻尼材料5。
[0075]
柔性阻尼材料5可以采用但不限于：橡胶、沥青以及硬质pur自结膜发泡海绵，本发明中柔性阻尼材料5优选硬质pur自结膜发泡海绵，其具有低密度，高弹性及韧性好的优点。
[0076]
上隔声罩21与下隔声罩22的相接处的柔性阻尼材料5两侧可设置密封条7，以增强降噪腔3的隔音效果。
[0077]
上隔声罩21可采用实心板材，为了进一步提高隔音效果，本发明中上隔声罩21为中空蜂窝隔声材料，如：铝蜂窝板。下隔声罩21可采用硬质吸声材料，如：钢板、木板，也可采用柔性吸声材料，本发明中下隔声罩22优选为柔性吸声材料，以提供更多的阻尼耗能，柔性吸声材料可采用橡胶板、塑料板。
[0078]
本发明的所述汇管1的外围还包裹有用于汇管1隔热的隔热层11。隔热层11由涤纶或涤氨纶或涤棉氨纶材料加工制成。