第 36 卷第 5 期声学技术 Vol.36, No.5 7 年 月 Techical Acoutic Oct., 7 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 3363) 摘要 : 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 关键词 : 管道噪声 ; 分流扬声器 ; 分流电路中图分类号 :O4.8 文献标识码 :A 文章编号 :-363(7)-5-455-6 DOI 编码 :.63/j.cki.-363.7.5. Duct oie cotrol by uig hut loudpeaker LIU Wei-wei, MAO Qi-bo (School of Aircraft Egieerig, Nachag Hagkog Uiverity, Nachag 3363, Jiagxi, Chia) Abtract:The theoretical calculatio ad ethod of hut loudpeaker cotrollig duct oie are give i thi paper. Firtly, with a diturbace peaker placed at oe ed of duct a the oie ource, aother peaker coected hut circuit i placed at ide of the duct a a cotrol uit of duct oie. The duct-loudpeaker couplig odel i et up. Secodly, adjutable paraeter of hut circuit are deiged to realize idepedet regulatio for the atural frequecy ad dapig coefficiet of the cotrol peaker. Accordig to the iized paraeter of hut circuit, the cotrol peaker ca achieve good cotrol effect. Fially, the cotrol effect of the hut peaker i calculated uerically by uig Matlab oftware. Reult how that the deiged hut peaker ca cotrol the preure i the duct effectively. Copared with the covetioal active oie cotrol, the ajor advatage of thi ethod i that the cotrol yte doe ot eed error eor ad cotroller, o the tructure i iple ad coveiet for applicatio. Key word: duct oie; hut loudpeaker; hut circuit 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 [] 常见的管道噪声消声方法分为主动控制和被动控制 [] 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 收稿日期 : 6--5; 修回日期 : 7--6 基金项目 : 国家自然基金项目 (4643,56537); 航空科学基金项目 (5ZA56); 江西省高校科技落地计划资助项目 (KJLD75); 江西省研究生创新专项资金项目 (YC6- S336) 作者简介 : 柳维玮 (99-), 女, 广西桂林人, 硕士研究生, 研究方向为噪声与振动控制 通讯作者 : 毛崎波, E-ail: qbao@chu.edu.c 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
456 声学技术 7 年 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 所示 图 管道和扬声器的布置方式 Fig. Locatio of duct ad loudpeaker 图 中, 管道内的声压 p 可表示为 [3] p p c = t 若将整个管道封闭, 边界条件 : xp ρ, 干扰扬声器表面 t p = x ρ t, () h, 分流扬声器表面 () 刚性管壁表面 式 () 中, ρ 和 c 分别是空气密度和声速 ; 为垂直于扬声器振动面向里的法向量 ; x p 和 x h 分别是干扰扬声器和分流扬声器纸盆表面的位移 若选择开口管道, 在式 () 的基础上附加边界条件 : p=, 开口处 (3) 假设只考虑低于管道一阶截止频率的噪声, 可 [,9] 将其简化为一维模型 管道内任意位置 X 的声压可进一步表示为 p( X) = Ω( X) P (4) 式 (4) 中, P 为对应的第 阶模态坐标下的声压系数, Ω 为第 阶归一化的声模态函数 将式 (4) 代入式 (), 并考虑管道的黏滞阻尼, 可 [] 得管道的控制方程 : ( ) P ɺɺ + ζ ω P ɺ + ω P= ρ c F + F (5) p, h, 式 (5) 中 : ζ 是管道第 阶声模态的阻尼比 ;ω 为第 阶固有频率 ; F p, 和 F h, 分别是由干扰扬声器 [] 和分流扬声器在第 阶所产生的模态压强, 其表达式分别为 F ( ) =ɺɺ x Ω X S, F =ɺɺ x Ω ( X ) S (6) p, p p p 式 (6) 中 : X p 和 h 在管道中的位置 ; p 流扬声器纸盆的面积 h, h h h X 分别是干扰扬声器和分流扬声器 S 分别是干扰扬声器和分 S 和 h 将式 (5) 重新表示为状态空间的形式, 即 : Pɺ N N IN N N N x P p ρc ɺɺ = + p p p Sp p S h h x ɺɺ ɺ (7) P ω ζω P Ω Ω ɺɺh 式 (7) 中, 为 [9] ω p= diag ( ω, ω,, ωn), ζ p= diag ( ζ, ζ,, ζn), T P = [ P, P,, P N ], T Ω p= [ Ω ( X p), Ω( X p),, ΩN ( X p)], T Ω = [ Ω ( X ), Ω ( X ),, Ω ( X )] h h h N h 在管道内任意位置 X 处的声压 p( X ) 可表示 T P p( X ) = Ω P ɺ (8) 为了评价管道的整体降噪效果, 可以用管道内 [8] 各个位置的声压均方来评估 假设管道被平均分为 N 个小段, 声压均方为 A= ( ) (9) N p Xi N i = 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 所示, 扬声器运动方 程可表示为 [-] M ɺɺ x + C xɺ + K x = Bl I ps () h h h h 式 () 中 : M C 和 K 分别是扬声器的移动质量 阻尼和刚度 ;Bl 是音圈的力电耦合因子 ;I 为电流 ; p 是作用在纸盆上的压强 纸盆表面所受的压强为 : p= p p () F R hρo o S c pr= xh () V 式 () 中, p F 和 R V 是扬声器背腔体积 p 分别是纸盆前面和背面的压强, 扬声器的等效刚度可表示为 K T K Shρoco / V 结合式 ()~ 式 () 可得扬声器的状态空间方程为 = +, x h x ɺ h I KT C Bl S h x = h x + h p (3) ɺɺ F M M ɺ M M
第 5 期柳维玮等 : 通过分流扬声器实现管道噪声控制 457 图 扬声器的机械模型 Fig. Mechaical odel of loudpeaker 由于式 (3) 中的扬声器输入电流 I 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 ), [3-4] 可以得到扬声器的输入电压与电流的关系 : L Iɺ+ R I= V Bl xɺ (4) i h 式 (4) 中, L 和 R 是扬声器自身的电感和电阻 ; V i 是外接在音圈两端的输入电压 图 3 扬声器的等效电路原理图 Fig.3 Equivalet circuit of loudpeaker 对于本文所提出的分流扬声器, 由于没有外接电源, 所以 V i为分流电路两端电压, 可以将其电压定义为 V i = Z I (5) h 式中, Z h 为分流电路的阻抗 由式 (4) 和式 (5) 可以得到分流电路电流 I 与速 度 h xɺ 之间的传递函数 : I Bl Hh( ) = = xɺ L + R + Z h h (6) 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 Priciple diagra of hut 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 Z = L R + + + C R L h 式 (7) 中, C R 和 电阻和电感 (7) L 分别是分流电路中的电容 把式 (7) 代入式 (5), 整理可得 : I = Hh( ) = Bl + + C xɺ h R L 如果把式 (8) 代入式 (), 整理后可得 : + ɺɺ + + ɺ + [ M ( Bl) C] xh [ C ( Bl) ] xh R [ KT+ ( Bl) ] xh= pfsh L (8) (9) 从式 (9) 可以发现, 分流电路中的电容 C 电阻 R 和电感 L 分别改变的是扬声器的等效质量 等效阻尼和等效刚度 运用 Matlab 软件后, 再分别绘制得到 : 通过改变分流电路的电容 C 电感 L 和电阻 R 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 ) 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 分流扬声器在控制管道噪声中的作用, 类似于 Helholtz 共振器 对分流电路的优化, 等同于对分流扬声器的固有频率和阻尼比的优化 根据 (a) 改变电容 C
458 声学技术 7 年 (b) 改变电感 L 表 管道参数表 Table Duct paraeter 长 宽 高 L x / L y / L z / 值....5 344 参数 参数 空气密度 ρ /(kg/ 3 ) 表 扬声器参数表 Table Loudpeaker paraeter 圆锥面积 S h / 移动质量 M /kg 固有频率 ω /Hz 声速 c /(/) 背腔体积 V / 3 值 9-4 9.6-3 47.5 9-5 力电耦合因子电感电阻 Bl/(T ) L /H R /Ω 值 4.5.8-3 5.6 参数 (c) 改变电阻 R 图 5 分流扬声器参数变化的 Bode 图 Fig.5 The Bode diagra of hut loudpeaker paraeter chage Helholtz 共振器的理论可知, 其最优固有频率 [9] 与目标声模态的固有频率 ω 一致 : h [ KT ( Bl) ]/[ M ( Bl) C] ω L ω h ω = + + = () [5] 而最优阻尼比 ζ h 可以由以下方程得到 : 4 4 3 ε ( ) + 4 ε ζ( ) + ε ( ) = () ζ h ζ h ζ h V 为 h= h /[ T+ ( ) / ] 式 () 中, ε = Ω ( xh) Vh / Vd V d 为管道体积, h 分流扬声器的等效体积 : V ρ c S K Bl L 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 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 X h =.9, 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 第 3 第 4 (a) 分流扬声器控制第 阶模态 (b) 分流扬声器控制第 阶模态 (c) 分流扬声器控制第 3 阶模态
第 5 期柳维玮等 : 通过分流扬声器实现管道噪声控制 459 (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 Cloed duct oie cotrol effect diagra (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 Opeig duct oie cotrol effect diagra 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 4 结束语 (a) 分流扬声器控制第 阶模态 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 参考文献 (b) 分流扬声器控制第 阶模态 (c) 分流扬声器控制第 3 阶模态 [] 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, 3, 4(6): 457-54. WU Bi, ZHOU Dae, FENG Reyua, et al. Study o the ipedace cotrol of duct active oud atteuatio experietal yte[j]. Chia Mechaical Egieerig, 3, 4(6): 457-54. [] 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, 9, 8(6): 773-777. SHI Dogwei, FENG Shegzhe, QIU Xiaoju. Experietal tudy of active acoutic wedge[j]. Techical Acoutic, 9, 8(6): 773-777. [3] ZHANG Yui, CHAN Yuji, HUANG Lixi. Thi broadbad oie aborptio through acoutic reactace cotrol by electroechaical couplig without eor[j]. J. Acout. Soc. A., (S-4966), 4, 35(5): 738-745. [4] TAO Jiacheg, JIAO Qiji, QIU Xiaoju. Soud aborptio of a fiite icro-perforated pael backed by a huted loudpeaker[j]. J. Acout. Soc. A. (S-4966), 4, 35(): 3-38. [5] TAO Jiacheg, JIAO Qiji, QIU Xiaoju. A copoite oud aborber with icro-perforated pael ad huted loudpeaker[c]// Proceedig of Meetig o Acoutic (S939-8X). Acoutical
46 声学技术 7 年 Society of Aerica, 3, 9(): 568. [6] Ki J, Jug Y C. Piezoelectric art pael for broadbad oie reductio[j]. Joural of Itelliget Material Syte ad Structure (S45-389X), 6, 7(8/9): 685-69. [7] ZHANG Yui, HUANG Lixi, ZHANG Zeyi. Tuable oie aborptio by huted loudpeaker[c]//iteratioal Cogre o Soud ad Vibratio (ICSV). Beijig, 4. [8] Liek H. Electroacoutic etaaterial: achievig egative acoutic propertie with hut loudpeaker[c]//proceedig of Meetig o Acoutic. Acoutical Society of Aerica(S939-8X), 3, 9(): -8. [9] MAO Qibo, Pietrzko S. Cotrol of oie ad tructural vibratio[m]. Lodo: Spriger (S8-56), 3: 3-355. [] Pietrzko S, MAO Qibo. Noie reductio i a duct uig paive/eiactive hut loudpeaker[c]//the 6th Iteratioal Cogre o Soud ad Vibratio, Kraków, Polad. 9: 5-9. [] 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,, 3(4): 47-4. LU Xiao, XU Chuli, WEN Zhoubi. Reearch o a ew uerical iulatio ethod of ovig-coil loudpeaker[j]. Techical Acoutic,, 3(4): 47-4. [] Čerík M, Mokrý P. Soud reflectio i a acoutic ipedace tube teriated with a loudpeaker huted by a egative ipedace coverter[j]. Sart Material ad Structure (S964-76),, (): -9. [3] Liek H, Bouladet R. Deig of hut electric etwork i view of oud aborptio with loudpeaker[c]// Proceedig of the 6th Europea Cogre o Acoutic, : -6. [4] 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,, 3(3): 5-53. LIU Cheg, SHEN Yog, DONG Guigua. The ifluece of creep effect o all igal paraeter odelig of icropeaker[j]. Techical Acoutic,, 3(3): 5-53. [5] Fahy F J, Schofield C. A ote o the iteractio betwee a Helholtz reoator ad a acoutic ode of a ecloure[j]. Joural of Soud ad Vibratio(S-46X), 98, 7(3): 365-378. 中国声学学会水声学分会 7 年换届会议纪要 7 年全国声学学术会议于 9 月 ~5 日在哈尔滨工程大学召开 在此期间, 水声学分会于 7 年 9 月 3 日进行了 7 年换届工作会议, 共有来自中国科学院声学研究所 西北工业大学 北京大学 哈尔滨工程大学等 7 个单位的参会代表 5 人, 其中应到水声学分会委员 45 人, 实到 4 人 本次会议由副主任委员 中国科学院声学研究所东海研究站胡长青研究员主持 会议在哈尔滨工程大学启航活动中心黄河厅拉开帷幕, 第八届主任委员李琪教授首先总结了中国声学学会水声学分会第八届委员会的工作, 然后胡长青介绍了水声学分会 7 年换届方案以及各单位酝酿推荐产生委员候选人的过程 大会选举产生了第九届水声学委员会委员 45 名, 并选举产生了第九届水声学委员会主任委员 名 副主任委员 7 名 西北工业大学杨益新教授当选主任委员, 海军研究院刘清宇研究员 哈尔滨工程大学殷敬伟教授 中国科学院声学研究所李整林研究员 中国科学院声学研究所东海研究站许伟杰研究员 中国船舶重工集团公司第 75 研究所杜栓平研究员 中国船舶重工集团公司第 76 研究所杜选民研究员 海鹰企业集团有限责任公司刘宇研究员等当选副主任委员 选举结束后召开了水声学分会第九届委员会第一次会议 杨益新主任委员主持会议, 与会委员踊跃发言, 献计献策, 围绕本届委员会的工作计划 水声学的发展问题以及如何更好地开展学术交流来为广大会员服务等问题进行了深入的讨论 会议研究部署了分会在 8 年的工作重点, 明确了本届委员会工作的方向和目标, 并重点强调了要重视青年学生和青年科技工作者的培养, 做到水声学科研工作后继有人, 研究工作具有延续性, 从而提高我国水声学研究的水平 参会的水声学分会委员表示一定会努力工作, 团结联系广大水声科技工作者, 推动我国水声学事业蓬勃发展 中国声学学会水声学分会委员会