有源吸声尖劈的实验研究

Beyene 等[3]又提出了一种新的阻抗匹配的方法 (简称阻抗匹配法)，通过反射波有源控制使吸声材 料背面的声阻抗率接近空气的特性阻抗，从而减少 材料正面的反射声波。他们对四种吸声材料分别用 释压法和阻抗匹配法进行了数值模拟，结果表明后 者的声吸收效果更好。用阻抗匹配法对一种聚氨酯 泡沫塑料进行了实验，表明垂直入射下 100~2000Hz
律变化，这种规律使尖劈在应用中存在一定的空间 限制。
尖劈结构广泛用在消声室和半消声室的建造、 以及需要全吸声终端的管道中，在不降低尖劈结构 吸声性能的前提下减少尖劈的长度对上述应用具 有重大的价值。本文尝试将有源控制技术用在尖劈 结构中制成有源尖劈结构，其中以截止频率为分界 点，传统尖劈针对截止频率以上的吸声，而用有源 控制针对截止频率以下的吸声，从而提高整个结构 的低频吸声性能，减少其长度。国内外目前还没有 这方面的尝试。本文的贡献体现在：尖劈结构和前 人研究的混合吸声结构中的吸声材料不同，因而现 有混合吸声结构研究的结果在此可能不完全适用， 尖劈的优点是在中高频有较高的吸声系数，且吸声 系数谱更平滑。本文分别对尖劈背面、正面阻抗用 有源控制与空气阻抗进行了匹配，比较了在两种误 差传声器位置下对吸声性能的影响，优化了传声器 的位置。
低频段吸声性能的补偿效果；比较了用有源控制分别对吸声尖劈正面和背面声阻抗与空气阻抗进行匹配两种误差策
略，发现将误差传声器放置在尖劈前更合理，既能保证较好的低频吸声效果，又能占用较少的空间。实验结果表明，
有源控制系统与 20cm 长的传统尖劈相结合所构成的总长约 40cm 的有源吸声尖劈，在 100~1000Hz 频率段，吸声系
第 28 卷第 6 期 2009 年 12 月
声学技术 Technical Acoustics
Vol.28, No.6 Dec., 2009
有源吸声尖劈的实验研究
史东伟，冯声振，邱小军
(南京大学声学研究所近代声学教育部重点实验室，南京 210093)
摘要：提出了一种利用有源控制改善吸声尖劈低频声吸收的方法。实验研究了正入射下，有源控制系统009 年
的吸声系数可以达到 0.8~1，较控制前有了较大改 观。Smith 等[4]在 Beyene 的基础上对释压法和阻抗 匹配法进行了更深入的实验研究，同样得出了阻抗 匹配法优于释压法的结论。2003 年，Cobo 等[5]在 Beyene 等的基础上改进了混合吸声的分析模型，对 释压法和阻抗匹配法进行了数值理论对比研究，研 究发现，两种方法吸声性能优劣还取决于吸声材料 自身的特性。如流阻系数、吸声材料厚度等。结论 显示当吸声材料的流阻和空气的特性阻抗接近时， 释压法可以获得最优的吸声性能，效果优于阻抗匹 配法；当吸声材料的流阻小于 0.7 倍的空气特性阻 抗时，阻抗匹配法可以获得很好的吸声性能，效果 优于释压法。
1 引言
1936 年，Paul Lueg 提出了噪声的有源控制， 利用产生和噪声相位相反的声波来实现噪声消除[1]。 近些年，随着电子技术的飞速发展，基于数字信号 处理技术的前馈有源控制系统得以成熟，并被广泛 应用。有源控制低频效果好，因而可以将有源控制 和传统吸声相结合来实现更宽频带的吸声。类似于 这种主被动结合的混合吸声，在 20 世纪 80 年代国 外就有所研究，最早公开发表的混合吸声系统是由 德国哥廷根大学 Guicking 和 Lorenz 设计和实现的[2]。 他们在驻波管中使用了一块多孔板进行实验，通过 用有源控制使多孔板背后声压为零的方法实现混 合吸声，实验表明在 100~600Hz 有非常好的吸声效
收稿日期: 2009-04-10; 修回日期: 2009-07-13 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(10674068)。 作者简介: 史东伟(1981-), 男, 江苏常州人, 硕士研究生, 研究方向为
有源噪声控制。 通讯作者: 史东伟, E-mail: nattyhair@
果。这种在吸声材料后使声压为零的控制方法简称 释压法。Thenail[2]等对混合吸声系统也做了类似的 研究，在玻璃纤维吸声材料层背面施以声压为零的 边界条件，数值模拟和实验都表明这种结构下的混 合吸声效果还与吸声材料的厚度相关，优化吸声材 料厚度后，可使 200~800Hz 频率范围内吸声效果得 到增强。Furstoss 等人[1]对吸声材料后的阻抗优化进 行了研究。他们认为通过吸声材料背面阻抗优化可 以使吸声材料正面不产生声波的反射。实验中他们 用传声器和粘在扬声器上的加速度计直接测量背 面的阻抗，通过控制器进行阻抗优化，在 150~500Hz 范围内吸声系数有较大提高。
SHI Dong-wei, FENG Sheng-zhen, QIU Xiao-jun
(Key Laboratory of Modern Acoustics, Ministry of Education, Institute of Acoustics, Nanjing University, Nanjing 210093, China)
Abstract: An approach to improving the low-frequency sound absorption of acoustic wedges is proposed by using active control of sound. Active compensation on low-frequency sound absorption of acoustic wedges under normal incident is studied experimentally in a square duct. By comparing two different strategies of implementing the impedance-matching boundary condition in front and at back of the acoustic wedge, it is found that the error microphones had better be put in front of the acoustic wedge. This can not only improve sound absorption at low frequencies but also save more space. For the 40 cm long active acoustic wedge which consists of a 20 cm long traditional acoustic wedge and an active control system, the sound absorption coefficients can be from 0.98 to 1.00 in the frequency range from 100 Hz to 1000 Hz. To achieve the same low frequency sound absorption with the traditional acoustic wedge, the length of the wedge needs to be about 80 cm long. Key words: acoustic wedge; reflection of sound wave; active control of sound
p(t)
−
ρ0c0u(t))
式(5)中 p(t)和 u(t)由式(1)、(2)用双传声器计算
获得。
2.2 反射声的有源控制
图 1 给出了反射声有源控制系统的实验框图。 图 1 中，信号发生器产生的噪声驱动初级声源，双 传声器作为误差传声器测量管道中的反射声声压， 馈给控制器驱动控制源，使误差传声器处的反射声 减小。
pr
(t))
(3)
式(3)中，c0 是声速，传声器之间中间点的声压
也可表示成：
p(t)= pi(t)+ pr (t)
(4)
结合式(3)、(4)，可计算得出入射声压和反射声
压分别为：
第6期
史东伟等：有源吸声尖劈的实验研究
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pi
(t)
=
1 2
(
p(t
)
+
ρ0c0u(t))
(5)
pr
(t)
=
1 2
(
2 反射声的有源控制
2.1 反射声的测量和计算
反射声的计算方法目前主要有以下几种方法： 质点速度计算法[7]、时延法[7]和基于 K-H 积分方程 的计算方法[8]。本文使用质点速度计算法计算反射
声。设传声器相隔距离 d，两个传声器拾取的信号 分别为 p1(t)和 p2(t)，靠近初级源的是 p1(t)。如果两 个传声器之间的距离 d 远小于所控制频率范围内声 波的最小波长，则两传声器间中间点的声压可近似
数可以达到 0.98~1.00，和 80cm 长的传统尖劈的吸声性能相当。
关键词：吸声尖劈；反射声；有源控制
中图分类号：O42
文献标识码：A
文章编号：1000-3630(2009)-06-0773-05
DOI 编码：10.3969/j.issn1000-3630.2009.06.018
Experimental study of active acoustic wedge
本实验采用前馈控制算法。在实验中，信号发 生器产生的噪声信号直接馈给控制器作为参考信 号，在实际应用中，可以使用计算得出的入射声作 为参考信号或者在管道上游放置一个传声器拾取 参考信号。在实验中，采用通用的 FXLMS 算法进 行控制，控制系统的采样频率为 4.8kHz，控制 FIR 滤波器长度为 256 阶。次级通道传递函数通过预先 建模得到。即控制源单独发声时，控制器利用式(1)、 (2)、(5)通过在传声器处测量得到的信号计算出管道 中两传声器中间点处的反射声 pr(t)，用 LMS 算法 对 pr(t)建模得到次级通道的传递函数。在有源控制 系统工作时，用获得的次级通道传递函数对管道中 两传声器中间点处的反射声 pr(t)用 FXLMS 算法逼 近，使 pr(t)逐渐减小，最终使反射声 pr(t)为零，从 而实现反射控制。