题   目

基于谱减法语音增强技术的变压器声音信号降噪技术研究

课题类别

设计□  论文R

作者姓名

学  院

信息与电气工程学院

专  业

电气工程及其自动化

学  号

指导教师

吴晓文

开题日期

选题的目的和意义

当今社会，随着经济和技术的快速发展，电力设备在国家经济和社会发展中占有重要的地位。而变压器作为电力系统和分配系统中的最基本、最广泛应用的电力设备之一，其在电力传输、变换、配电等环节中起着至关重要的作用，在电力系统中具有非常重要的地位，已广泛应用于电力系统中。变压器的重要指标之一是噪声水平，其能够反映变压器的运行状态和性能。噪声水平如果超标，可能会对变压器运行产生不良影响，例如增加变压器的损耗和磨损，降低变压器的寿命，对变压器的可靠性和安全性产生了影响。除此之外，其也是评估变电站噪声排放是否符合标准的重要评估指标之一。随着我国电力工业蓬勃发展，电网规模持续扩大，电压等级不断攀升，越来越多的变电站出现在居民区周边，引起了严重的噪声纠纷与投诉问题，也已经逐渐成为亟待解决的紧迫难题。因此，为了准确评估输变电工程噪声污染程度、分析噪声信号源的强度、掌握噪声的分布规律和变化趋势，以便有针对性地预防和控制噪声，并有效地解决噪声污染问题，提高变压器噪声测量的精度具有至关重要的意义。在变电站噪声控制、环境评估、纠纷处理以及变压器运行状态声纹监测与评估等方面，噪声监测扮演着至关重要的角色，其准确性对于服务国家生态文明建设、提高供电服务质量以及推动电网建设发展均具有重要意义。

目前，电力公司普遍采用声级计或者多通道信号采集系统等测量设备对变电站噪声排放水平进行评价。其中，声级计是最基本、使用最广泛的仪器。然而，现有噪声测量装置均为常规设备，使用过程中主要存在如下问题：由于变电站周边环境噪声类型较为复杂，变电站噪声监测往往受到外界环境噪声（包括虫鸣、鸟鸣、蛙鸣、车辆声音等突发间歇性噪声）的干扰，且其外界环境噪声的产生与持续时间具有不确定性和非平稳性。这些外环境噪声将混合在变压器本身产生的噪声信号中，使得检测到的信号变得复杂而难以分析。现有声学测量产品不具备抗环境噪声干扰功能，导致变压器噪声检测难以开展、测量时间显著增长、测量误差大且精度低，测量结果不可靠，无法对变电站实际噪声排放值进行有效评估。尽管GB12348-2008《工厂企业厂界环境噪声排放标准》对测量时段、背景噪声测量、测量结果修正等内容进行了规定，但由于变电站难以停电以及周边环境复杂多变、区域自然与社会环境条件一致性不强，通常难以对变电站或变压器所处环境背景噪声进行准确检测，无法选取声源代表性时段或整个正常工作时段开展源强测试，准确检测变电站实际噪声水平的难度较大。

对变压器噪声测量过程中必须予以关注并解决的环境干扰问题，本文基于谱减法语音增强技术研究了变压器声音信号降噪技术。谱减法语音增强技术主要是通过对噪声信号进行降噪处理，以提高噪声测量的精度和稳定性。由于外部环境所产生的噪声与变压器所产生的噪声在时频域上呈现出一定的差异，可以对变压器的噪声信号使用小波包分析算法进行时频分解，再对分解后的各个频段的小波信号进行谱减法语音处理，可以有效地降低变压器噪声中外部环境噪声的影响。这种方法可帮助准确检测变压器或变电站噪声，为噪声控制和分析提供有价值的参考。

针对变压器及其环境噪声的特点和存在的问题，对变压器及其外环境噪声产生机理和时频特性进行分析，采用谱减法语音增强技术对变压器声音信号进行降噪处理，并对处理效果进行评估。该研究对于提高变压器噪声监测精度、保障测量结果的有效性以及推动电力行业噪声监测技术发展均具有重要的理论意义和实际应用价值。

主要内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）

主要内容：

1、对变压器及其外环境噪声产生机理进行了分析。主要包括了变压器典型结构分析、变压器噪声产生机理，以及变压器外环境噪声产生机理。其中变压器噪声产生机理包括铁心噪声产生机理、绕组噪声产生机理和冷却装置噪声产生机理，变压器外环境噪声产生机理包括虫鸣、鸟鸣、蛙鸣和车辆等。

2、对变压器及其外环境噪声特性进行了分析。主要包括了声学基本参量、变压器声音特性分析、变压器外环境噪声特性分析、变压器及其周边干扰差异化声音特性分析等方面。其中变压器外环境噪声特性分析主要是对虫鸣、鸟鸣、蛙鸣和车辆噪声的特性进行分析；变压器及其周边干扰差异化声音特性分析主要是对不同干扰下变压器噪声特性的变化进行分析。

3、对基于谱减法语音增强技术的变压器声音信号降噪处理技术进行探讨。具体而言，将采用小波分析与小波包分解算法，以及谱减法语音增强技术来进行降噪处理。此外，该研究还将介绍降噪效果评价指标，并对变压器声音信号进行仿真分析，以评估所提出的降噪处理技术的有效性。研究将以“虫鸣”、“鸟鸣”、“蛙鸣”和“车辆噪声”为例，分别对这四种噪声进行降噪处理并进行仿真分析，还对现场实测效果进行了分析，以验证技术的可行性。

4、对以上进行总结，给出了变压器声音信号降噪处理技术的应用前景和发展方向。

拟解决的关键问题：

1、如何分析变压器及其外环境噪声的产生机理和特性并了解其噪声特征和差异化声音特性？

2、如何利用谱减法语音增强技术对变压器声音信号进行降噪处理去提高信号质量？

3、如何评价降噪效果？如何通过仿真和实测对降噪效果进行分析确定降噪处理的可行性和有效性？

重点与难点，拟采取的研究方法、步骤、技术路线（或主要措施）

重点与难点：

其中的重点是对变压器声音及外环境噪声特性、产生机理以及基于谱减法语音增强技术的变压器降噪技术进行研究。需要对变压器及其外环境噪声产生机理和特性进行深入分析，以便为后续的声音信号降噪处理提供必要的理论基础。还需要深入探讨谱减法语音增强技术的实现原理，利用其对声音信号进行处理，并通过仿真和现场实测来评估降噪效果，这里需要充分考虑方法的可靠性、有效性、实时性等。

其中的难点是由于外环境噪声具有复杂性和多样性，如何准确地分析描述变压器及其外环境噪声的产生机理和特性，以及如何有效地利用谱减法语音增强技术对外环境声音信号进行降噪处理以达到最优的降噪效果。此外，对于变压器噪声的降噪处理还需要考虑实际应用环境的影响。

拟采取的研究方法、步骤、技术路线

1、阅读相关文献：在开始研究前，系统性的阅读文献综述和调研，包括相关的学术期刊、会议论文、专利等资料的收集和整理，了解变压器及其外环境噪声产生机理、声学基本参量、声音特性分析和声音降噪处理技术等方面的研究成果，以便为后续研究提供基础和指导。

2、使用理论分析和实验验证相结合的方法，对变压器及其外环境噪声产生机理进行研究，包括铁心噪声、绕组噪声、冷却装置噪声等方面。

3、数据采集和处理：通过一些方法，获取变压器及其周边环境产生的声音信号（如虫鸣、鸟鸣、蛙鸣、车辆声），并对其进行特性分析，获取有效的数据。

4、降噪处理技术研究：基于对变压器及其外环境噪声产生机理和特性的分析，结合小波包分析算法与谱减法语音增强技术，针对变压器噪声信号进行降噪处理。

5、降噪效果评价：使用适当的评价指标如相关系数、声压级等，对降噪效果进行评价和比较。

6、现场实测：进行现场实测，并对实测结果进行分析和比较，验证降噪处理方法的可行性和有效性。

7、根据实验结果，结合已有文献研究成果，对变压器声音信号降噪处理技术进行总结和评价，并提出改进建议，为实际应用提供参考。

进度安排

2022.11.15-2023.1.9 完成毕业论文的选题。

2023.1.10-2023.2.15 完成对毕业论文任务书的填写，并对文献和资料进行调研和收集，了解变压器噪声和信号降噪的相关研究。

2023.2.16-2023.2.28 确定论文的研究目的、内容和框架，制定具体的计划和时间表以及论文写作的时间安排。

2023.3.1-3.10完成开题报告的填写。

2023.3.11-2023.3.17撰写引言，介绍变压器噪声和信号降噪的背景和意义；进行文献综述，总结国内外变压器噪声和信号降噪的研究现状。

2023.3.18-2023.4.7变压器及其外环境噪声产生机理和特性分析

2023.4.8-2023.4.31对变压器声音信号降噪处理方法进行研究，包括小波分析与小波包分解算法、谱减法语音增强技术等；确定降噪效果评价指标；进行仿真实验和现场实测效果分析，评估降噪效果。

2023.5.1-2023.5.7撰写结论和参考文献：对前面章节的研究进行总结和归纳，得出结论；列举参考文献，保证论文的学术可靠性和权威性。

2023.5.8-2023.5.23论文修改和定稿：仔细检查论文的格式、用词和语法等方面；与导师进行讨论和交流，获取反馈意见；完成论文的修改和定稿。

参考文献（资料）

[1] 赵力．语音信号处理[M]．机械工业出版社．2016．

[2] 赵健，王宾，马苗．数字信号处理[M]．北京：清华大学出版社，2011：133-141．

[3] GB 12348-2008．工业企业厂界环境噪声排放标准[S]．2008．

[4] 许卫东，王林富，汪进等．电力变压器噪声分析及控制技术研究综述[J]．广东电力，2020，33(08)：86-94．

[5] 易梅生，吴华林，蔡炜，等．居民区内110kV变电站噪声检测与治理技术[J]．智慧电力，2018，46(11)：83-87．

[6] 刘帮虎，胡胜，郑武略，等．变压器远场噪声预测模型应用研究[J]．广东电力，2021，34(01)：113-120．

[7] 韩学，肖伟民，宋文乐，等．配电变压器噪声测试与特征分析[A]．中国环境科学学会环境工程分会．中国环境科学学会2019年科学技术年会——环境工程技术创新与应用分论坛论文集（四）[C]．中国环境科学学会环境工程分会：《环境工程》编辑部，2019：678-680+399．

[8] 陈晓琳，张明，张体强，等．城区典型变电站噪声预测及治理措施研究[J]．四川环境，2022，41(02)：118-123．

[9] 吴晓文，周年光，裴春明，等．特高压交流GIS变电站噪声特性测量与分析[J]．高压电器，2017，53(06)：13-18．

[10] 崔秀艳．噪声与声级计[J]．计量与测试技术，2015，42(09)：30+32．

[11] 兰程．声级计的发展[J]．电子产品可靠性与环境试验，2013，31(S1)：357-359．

[12] 彭任华，郑成诗，丁茫，等．高压变电站噪声分离算法及其应用[J]．高电压技术，2015，41(05)：1680-1686．

[13] 吴晓文，周年光，裴春明，等．特高压交流变电站电晕噪声提取方法研究[J]．高压电器，2017，53(11)：78-84．

[14] 杨鹏，应黎明，陈敏，等．ANC系统次级通道背景噪声的处理方法[J]．电测与仪表，2017，54(08)：99-103．

[15] 查诚，杨平，潘平．小波包分解下的多窗谱估计语音增强算法[J]．计算机工程，2012，38(05)：291-293．

导师意见（在选题意义、技术指标或研究内容、是否同意开题等方面提出具体意见）

导师签名：                               系主任审核签名：

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