通过分流扬声器实现管道噪声控制

2017-12-01柳维玮毛崎波

声学技术 2017年5期

柳维玮，毛崎波

通过分流扬声器实现管道噪声控制

柳维玮，毛崎波

(南昌航空大学飞行器工程学院，江西南昌 330063)

提出通过分流扬声器控制管道噪声。首先采用一个干扰扬声器放置在管道的一端作为噪声源，另一个扬声器外接分流电路组成分流扬声器对管道噪声进行控制，并建立管道-扬声器耦合模型。然后设计参数独立可调的分流电路，实现对分流扬声器的固有频率和阻尼比的独立调节，通过优化分流电路的参数，从而使得分流扬声器达到良好的控制效果。最后对所设计的分流扬声器的控制效果进行了数值计算。结果表明：所设计的分流扬声器能够有效控制管道内的声压。与传统的噪声主动控制方法相比，该方法的主要优点在于控制系统不需要误差传感器和控制器，结构简单，实际使用方便。

管道噪声；分流扬声器；分流电路

0 引言

管道消声技术已经广泛用于航空、船舶、车辆舱体等有界空腔的噪声控制。由于噪声频率低于管道一阶截止频率，可以近似为平面声波，所以理论分析和控制方法相对简单[1]。常见的管道噪声消声方法分为主动控制和被动控制[2]。主动控制需要复杂的算法和硬件系统，成本相对较高，该技术在工程应用中受到限制。而被动控制对高频的噪声在特定的环境下控制效果良好，但环境一旦改变，其控制系统的自适应性不佳，控制效果随之减弱。当需要改变被动控制系统的参数时，就要改变吸声材料特性或者改变管道结构，实际操作中不易实现[3-5]。

近年来，压电分流阻尼控制技术在结构振动控制领域受到了广泛关注，它是利用压电效应，将振动产生的机械能转换为电能被消耗，从而起到减振的作用。由于压电分流控制技术不需要传感器和控制器，所以该方法设计简单，电路特性参数调节方便，在振动控制领域得到了广泛应用[6-8]。

根据压电分流阻尼控制技术的特点，将分流电路与扬声器相连接，实现振动能量转换为电能而消耗，由此将扬声器命名为分流扬声器，并应用于管道噪声控制中。本文首先建立了管道-扬声器耦合模型和分流扬声器模型，然后根据所建立的分流扬声器模型设计相应的分流电路，最后运用数值计算，得到了所设计的分流扬声器控制管道噪声的效果。

1 管道-扬声器耦合模型

实验中使用一个扬声器向管道内输入噪声信号，相当于干扰源，将此取名为干扰扬声器。另一个扬声器与分流电路相连接，由发出的噪声激励扬声器纸盆振动，转换为分流电路中的电能而消耗，该扬声器称为分流扬声器。实验装置如图1所示。

图1 管道和扬声器的布置方式

图1中，管道内的声压可表示为[3]

若将整个管道封闭，边界条件：

若选择开口管道，在式(2)的基础上附加边界条件：

假设只考虑低于管道一阶截止频率的噪声，可将其简化为一维模型[1,9]。管道内任意位置的声压可进一步表示为

将式(4)代入式(1)，并考虑管道的黏滞阻尼，可得管道的控制方程[10]：

将式(5)重新表示为状态空间的形式，即：

式(7)中，

为了评价管道的整体降噪效果，可以用管道内各个位置的声压均方来评估[8]。假设管道被平均分为个小段，声压均方为

2 分流扬声器模型

将扬声器与电路相连接，扬声器纸盆受到声压振动，使得背腔中的磁铁相对于音圈运动，从而将声能转化为电能，再由电路中的耗能元件将电能消耗。这类似于压电分流技术的能量转化过程。

扬声器的机械模型如图2所示，扬声器运动方程可表示为[11-12]

纸盆表面所受的压强为：

由于式(13)中的扬声器输入电流并不能直接得到，根据扬声器的等效电路原理图(如图3所示)，可以得到扬声器的输入电压与电流的关系[13-14]：

图3 扬声器的等效电路原理图

Fig.3 Equivalent circuit of loudspeaker

本文提出的分流电路目的是通过改变分流电路的元件参数，调节扬声器质量、阻尼和刚度，从而改变扬声器的固有频率和阻尼比。为此采用如图4所示的分流电路。基本思路为：首先通过集成运放实现负电阻和负电感来抵消扬声器自身的电阻值及电感值，再加入一组并联的LRC电路，使得扬声器的固有频率和阻尼比可以独立调节。

图4 分流电路原理图

Fig.4 Principle diagram of shunt circuit

由图4所示电路元件的连接方式可以得到分流电路的等效阻抗为

把式(17)代入式(15)，整理可得：

如果把式(18)代入式(10)，整理后可得：

运用Matlab软件后，再分别绘制得到：通过改变分流电路的电容、电感和电阻值；分流扬声器系统输出为位移、输入为压强的频域特性bode图(如图5所示)。

(a) 改变电容C

(b) 改变电感L

从图5中可以发现，通过改变电路的元件参数，可以实现对扬声器的固有频率和阻尼比独立调节。

3 数值计算

根据前面所建立的扬声器-管道模型，运用Matlab软件编程计算所设计的分流扬声器的控制效果。管道参数及扬声器参数如表1、2所示。

分别以封闭和开口管道为例进行数值计算，分流扬声器放置在封闭及开口管道的位置均为=0.9 m，结果分别如图6和图7所示。例如，为了控制管道的第一阶声模态，通过调节分流电路参数，使分流扬声器的固有频率与管道噪声的第一阶固有频率一致，并使其达到最优阻尼比。控制效果如图6(a)和7(a)所示。若需要控制第2、第3、第4阶模态时，同样可以通过调节分流电路，使得分流扬声器具有良好的控制效果，其效果分别如图6(b)、6(c)、6(d)和图7(b)、7(c)、7(d)所示。

表1 管道参数表

表2 扬声器参数表

(a) 分流扬声器控制第1阶模态

(b) 分流扬声器控制第2阶模态

(d) 分流扬声器控制第4阶模态

图6 封闭管道噪声控制效果图

Fig.6 Closed duct noise control effect diagram

(a) 分流扬声器控制第1阶模态

(b) 分流扬声器控制第2阶模态

(d) 分流扬声器控制第4阶模态

图7 开口管道噪声控制效果图

Fig.7 Opening duct noise control effect diagram

4 结束语

运用分流扬声器控制管道噪声，是通过所建立的管道-扬声器耦合模型和分流扬声器模型设计了分流电路，模型可以应用于封闭或者开口管道。根据所要控制的某阶模态调节分流电路中元件参数来改变分流扬声器的固有频率和阻尼比，使之达到最佳的控制效果。数值计算结果表明，所设计的分流扬声器能有效实现管道的噪声控制，并且不需要传感器和控制器，结构简单，这说明本方法有一定的实用价值。本文的实验工作已在进行中。

[1] 吴斌, 周大森, 费仁元, 等. 管道有源消声实验系统的阻抗控制研究[J]. 中国机械工程, 2003, 14(6): 457-504. WU Bin, ZHOU Dasen, FENG Renyuan, et al. Study on the impedance control of duct active sound attenuation experimental system[J]. China Mechanical Engineering, 2003, 14(6): 457-504.

[2] 史东伟, 冯声振, 邱小军. 有源吸声尖劈的实验研究[J]. 声学技术, 2009, 28(6): 773-777. SHI Dongwei, FENG Shengzhen, QIU Xiaojun. Experimetal study of active acoustic wedge[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(6): 773-777.

[3] ZHANG Yumin, CHAN Yumji, HUANG Lixi. Thin broadband noise absorption through acoustic reactance control by electro- mechanical coupling without sensor[J]. J. Acoust. Soc. Am., (S0001-4966), 2014, 135(5): 2738- 2745.

[4] TAO Jiancheng, JIAO Qijin, QIU Xiaojun. Sound absorption of a finite micro-perforated panel backed by a shunted loudspeaker[J]. J. Acoust. Soc. Am. (S0001-4966), 2014, 135(1): 231-238.

[5] TAO Jiancheng, JIAO Qijin, QIU Xiaojun. A composite sound absorber with micro-perforated panel and shunted loudspeaker[C]// Proceedings of Meetings on Acoustics (S1939-800X). Acoustical Society of America, 2013, 19(1): 015068.

[6] Kim J, Jung Y C. Piezoelectric smart panels for broadband noise reduction[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures (S1045-389X), 2006, 17(8/9): 685-690.

[7] ZHANG Yumin, HUANG Lixi, ZHANG Zeyi. Tunable noise absorption by shunted loudspeaker[C]//International Congress on Sound and Vibration (ICSV). Beijing, 2014.

[8] Lissek H. Electroacoustic metamaterials: achieving negative acoustic properties with shunt loudspeakers[C]//Proceedings of Meetings on Acoustics. Acoustical Society of America(S1939-800X), 2013, 19(1): 1-8.

[9] MAO Qibo, Pietrzko S. Control of noise and structural vibration[M]. London: Springer (S0018-1560), 2013: 213-355.

[10] Pietrzko S, MAO Qibo. Noise reduction in a duct using passive/semiactive shunt loudspeakers[C]//The 16th International Congress on Sound and Vibration, Kraków, Poland. 2009: 5-9.

[11] 陆晓, 徐楚林, 温周斌. 动圈式扬声器数值分析方法[J]. 声学技术, 2012, 31(4): 407-412. LU Xiao, XU Chulin, WEN Zhoubin. Research on a new numerical simulation method of moving-coil loudspeaker[J]. Technical Acoustics, 2012, 31(4): 407-412.

[12] Černík M, Mokrý P. Sound reflection in an acoustic impedance tube terminated with a loudspeaker shunted by a negative impedance converter[J]. Smart Materials and Structures (S0964-1726), 2012, 21(11): 1-9.

[13] Lissek H, Boulandet R. Design of shunt electric networks in view of sound absorption with loudspeakers[C]// Proceedings of the 6th European Congress on Acoustics, 2011: 1-6.

[14] 刘成, 沈勇, 董桂官. 蠕变效应对微型扬声器小信号参数建模的影响[J]. 声学技术, 2011, 30(3): 250-253. LIU Cheng, SHEN Yong, DONG Guiguan. The influence of creep effect on small signal parameters modeling of microspeaker[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 250-253.

[15] Fahy F J, Schofield C. A note on the interaction between a Helmholtz resonator and an acoustic mode of an enclosure[J]. Journal of Sound and Vibration(S0022-460X), 1980, 72(3): 365-378.

Duct noise control by using shunt loudspeaker

LIU Wei-wei, MAO Qi-bo

(School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063,Jiangxi,China)

The theoretical calculation and method of shunt loudspeaker controlling duct noise are given in this paper. Firstly, with a disturbance speaker placed at one end of duct as the noise source, another speaker connected shunt circuit is placed at side of the duct as a control unit of duct noise. The duct-loudspeaker coupling model is set up. Secondly, adjustable parameters of shunt circuit are designed to realize independent regulations for the natural frequency and damping coefficient of the control speaker. According to the optimized parameters of shunt circuit, the control speaker can achieve good control effect. Finally, the control effect of the shunt speaker is calculated numerically by using Matlab software. Results show that the designed shunt speaker can control the pressure in the duct effectively. Compared with the conventional active noise control, the major advantage of this method is that the control system does not need error sensor and controller, so the structure is simple and convenient for application.

duct noise; shunt loudspeaker; shunt circuit

O422.8

1000-3630(2017)-05-0455-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.05.010

2016-11-25;

2017-01-16

国家自然基金项目(11464031，51265037); 航空科学基金项目(2015ZA56002); 江西省高校科技落地计划资助项目(KJLD12075); 江西省研究生创新专项资金项目(YC2016- S336)

柳维玮(1992－), 女, 广西桂林人, 硕士研究生, 研究方向为噪声与振动控制。

毛崎波, E-mail: qbmao@nchu.edu.cn