用于开口声辐射控制的虚拟声屏障实现 方法及机理研究*

建筑物通常留有开口以便人员物料的进出及室内的自然通风采光,但这些开口也是噪声传播的途径。传统被动噪声控制方法需要将开口封闭,且对低频噪声的控制效果不好,故引入有源噪声控制技术降低室内声源通过开口的声辐射。基于惠更斯原理,均布开口的次级源和误差传声器构成的平面型虚拟声屏障可以实现对开口声辐射的有效控制,数值仿真和实验已证明其有效性。将次级源安装在开口边界更有利于保留开口的功能且方便实际安装,但这样的单层边界虚拟声屏障降噪效果存在上限,仅能在低频段实现全局控制。和单层边界次级源相比,双层边界次级源可显著提高降噪量和有效降噪频率上限。该文回顾了开口声辐射有源控制的相关工作,并讨论了未来可能的研究方向。     

粉碎机的噪声降低

粉碎机噪声,属于撞击性机械噪声源。本文对常用的一种粉碎机进行了系统地噪声和振动分析,结果证明,粉碎机高达118 dBA的噪声,主要由于高速旋转的钢齿撞击声以空气声形式通过开口辐射产生的,机壳的振动和固体传声不起重要作用。采用开口式消声器处理后,噪声已由118dBA降低到80 dBA。这个例子可以表明,噪声控制一定要对具体噪声作具体分析,有针对性地采取措施,即使粉碎机一类的撞击性机械声源,也能有效地进行控制。     

750 kV变电站电晕噪声的影响与防治

电晕噪声不同于的传统的电气设备噪声,其发声位置高、频带宽、声源分散,是750 kV变电站噪声控制的薄弱环节.该文以西北某750 kV变电站为例,使用紫外成像仪定位了36处主要电晕噪声点,基于噪声实测和全站声场仿真分析,研究了电晕噪声对变电站声环境的影响.针对主要电晕点的实际情况,提出了具体的电晕噪声防治措施.治理措施在...     

运动声源快速定位的声达时差法

针对声达时差法只能用于非运动声源定位的问题,本文提出一种运动声源快速定位方法。该方法以声达时差为基本定位原理,基于声源计算位置对多普勒效应进行解耦并进行声信号多普勒效应修正,根据三角定位方法构建声传播空间矩阵,以声源位置偏差度为目标基于单纯形优化搜索算法进行声源位置快速逼近,实现了对匀速直线运动的单声源的定位追踪,提高定位实时性。该方法将声达时差法拓展到运动声源的定位,同时解决了消除多普勒效应带来的计算过程复杂、运算量大的问题,仅用4个传声器就可实现运动声源的快速定位,突破了传统运动声源识别中对大传声器阵列的依赖。仿真实验和实车运动声源识别实验结果证明了该方法的有效性,本研究为短时发声运动声源的识别提供了一种简便、高效的方法。      

反卷积波束形成识别电机冷却系噪声辐射路径

为更准确地识别某电机冷却系噪声的辐射路径,基于FFT-NNLS反卷积波束形成方法对其进行试验研究。结果表明:相比于传统波束形成,FFT-NNLS反卷积波束形成能够显著提高分辨率,更准确地识别声源;224 Hz风扇叶片通过频率和400~1200 Hz频段的噪声水平较高,分别占声源计算面总噪声的17.7%和49.1%;冷却液入口是最主要的噪声辐射路径、进气口次之、出气口相对较弱。     

听觉感知中的噪声特性语义描述及其分析

基于听觉感知的噪声语义描述是噪声声品质研究的基础性问题,已有研究未将语义描述与噪声来源、频谱特性以及产品运行状态等物理信息联系起来。该文分别针对飞机舱内噪声、车辆噪声和空气净化器噪声这3组典型噪声开展了主观评价实验,并通过多维尺度分析和主成分分析描述了3组噪声的语义空间,系统分析了不同类型噪声的描述词,同时解释了描述词与噪声物理属性之间的联系。研究发现：飞机舱内噪声、车辆噪声以及空气净化器噪声可以由4维、4维和3维语义空间进行描述;不同类型噪声在语义描述中具有共性与个性,3组噪声语义的主要维度均与嘈杂感相关,而噪声的个性描述词与其声源的物理属性密切相关;进行声品质建模及应用时,应同时考虑噪声共性和个性描述词对听觉感知的影响,采取有针对性的措施以提升产品声品质。该文从听觉感知的角度进行了噪声特性的语义描述和分析,研究结果可为产品声品质以及噪声控制研究提供帮助。     

微穿孔板和小孔喷注——马大猷教授对声学的特殊贡献

微穿孔板吸声体是马大猷教授提出的一项特殊的设计技术,自上世纪80年代以来被广泛地应用在音质处理和噪声控制中。微穿孔板吸声体是一种无纤维的宽带吸声材料,它不仅能够应用在传统的建筑声学和噪声控制等领域中,更有意义的是它适用于高温、高速气流、高洁净、需要透明采光等一些极端条件下。当微穿孔板后面有一定的空腔时,它可以在低频的几个频程内具有很高的吸声系数。在喷注噪声控制理论方面,马教授根据小孔喷注噪声与其压力和直径的关系,根据人的听觉生理和心理特性,提出了在气流或者蒸汽出口的颈部处设计合适的小孔结构,可以大大减少气流噪声对人的干扰作用可听声频段内的声辐射,降噪量一般来说可以达到20~60 dBA的降噪量。这就是小孔喷注理论。本文回顾了马大猷教授在他学术生涯第二个春天里结出的这两颗硕果——微穿孔板和小孔喷注,关于微穿孔板在声场和声源噪声控制中的声学特性理论,主要回顾和讨论了微穿孔板结构的研究进展及其在噪声控制中的实际应用,以及小孔喷注噪声的主要能量转移到超声波频段内的物理概念,这一概念对现代喷注噪声控制的发展依然具有重要意义。      

基于平面声源进行结构声辐射有源控制的实验研究

采用分布式平面声源作为次级声源,对振动钢板的声辐射进行了抵消实验,验证了以往研究中的一系列关键理论。实验研究结果表明:一个平面声源可以控制钢板奇-奇模态的声辐射,两个平面源可以控制结构偶-奇或奇-偶模态的声辐射,同时也可以控制结构奇-奇模态的声辐射;平面声源的面积和布放位置对降噪效果有重要影响,采用单个平面声源控制时,平面声源面积越大,控制效果越好;基于近场声压的误差传感策略是有效可行的,实际中,将近场测量面的声功率作为有源控制的目标函数与总声功率作为目标函数是一致的;控制后远场声压和声强都得到有效降低,部分区域的声能向声源流动,近场声压及声强分布也发生显著变化。     

匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

针对水声信道对舰船辐射噪声声传播的影响,进而导致声源级测量结果不准确的问题,提出了基于匹配场处理的舰船辐射噪声级估计方法。在海洋环境噪声为空间均匀高斯白噪声的假设下,当海洋环境参数已知、信噪比满足一定要求时,匹配场处理能有效地给出被测噪声源的位置信息及该位置处的能量响应。从能量估计角度出发,推导了声源位置处匹配场输出响应的能量修正因子计算公式,从理论上证明了匹配场处理在被测声源位置处输出响应与能量修正因子的乘积为真实声源级的最小方差无偏(MVU)估计。该方法首先选择合适的声场计算模型计算拷贝场向量,对接收到的辐射噪声信号进行匹配场处理,得出接收信号级和被测声源位置;其次利用该位置所对应的拷贝场向量替换能量修正因子公式中的真实信道传输函数以计算能量修正因子的估计值;最后由接收信号级与能量修正因子估计值相乘得出舰船辐射噪声声源级的MVU估计。针对典型的浅海水声信道,进行了计算机仿真试验,结果表明:该方法能有效地进行舰船辐射噪声测量,当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。      

旋转声源辐射噪声的矢量声学研究方法

通过采用频域方法直接求解旋转声源辐射噪声的声压和声粒子速度矢量,建立了旋转声源辐射噪声的矢量声学研究方法。该方法的最大优势在于提供了一种直观、形象的方法显示声能量的传播途径。基于该方法分别分析了旋转声源在自由空间和边界散射情形下的声能量传播特征。     

面向目标的定向声辐射技术及其应用研究

面向目标的定向声辐射是指利用声源特性和阵列信号处理技术,将声波传送至目标方向或区域的声场控制方法。本文介绍了定向声辐射技术的原理和进展,重点阐述了普通扬声器阵列和参量阵扬声器这两种声源形式的理论、算法和应用研究。其中,针对扬声器阵列,主要分析了基于声能量对比度控制的声聚焦技术;针对参量阵扬声器,综述了利用非线性效应产生高指向性可听声的计算方法、信号预处理和应用等进展。面向目标的定向声辐射技术的研究对实现智能声场控制有着重要意义。     

点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究

在分层介质条件下，用本征声线法仿真计算了点声源这距离噪声场的传播损失曲线，仿真结果表明，其传播损失不仅依赖于声速分布，海区深度，海底反射特性等环境条件，也依赖于声源及接收水听器的深度，声传播损失显著不同于球面波衰减规律，其传播损失率差别可达８ｄＢ，这表明在测量舰船目标的辐射噪声声源级时必要的声场校正测量是必须的。     

水下水平阵对空中运动声源的线谱探测

由于空气、海水介质声阻抗差异巨大,空中声源辐射的噪声透射入水的能量损失很大,加之水中声源目标的干扰,从水下探测空中声源相对困难。海试数据分析表明,空中高速运动声源噪声透射入水后信号较弱,在频繁存在干扰的水下声场环境中,常规宽带波束形成方法难以生效.针对空中声源普遍存在线谱的特点,首先利用线谱识别、提取与跟踪以及线谱加密技术对水下水平阵接收信号进行线谱分析,再通过剔除强干扰目标的线谱,成功分离出包含空中声源的线谱信号,实现对空中运动声源的探测,最远距离达16.8 km。通过理论和实验数据分析,验证了探测结果的正确性.      

三通管路管壁声传递损失测试方法

针对汽车进气系统三通管路的特点,提出了多通管路的管壁传递损失测试方法。并以某车型的双涡轮增压发动机进气三通管道为例,采用该方法评价其用塑料代替铝后的声学性能,主要以声传递损失来评价涡轮增压器噪声通过三通连接管路管壁的辐射和透射特性。测试过程中,三通管道的两个连接涡轮增压器端口分别用声源两次发声,靠近进气歧管端口采用两种不同反射末端,然后在每段管路布置两个压力场扬声器进行测试,并基于平面波分离入射波和反射波,同时在三通管道外用声功率半球面十点分布法自由场扬声器测试,经过3次测量来计算管道管壁的声传递损失。由于声传递损失是管道本身特性决定,所以该测试方法能够准确找出塑料件和金属件在不同频率的声学特性差异。而后,在声传递损失测试结果的基础上,结合近场声全息方法和波束形成原理进行声源识别,可知该三通管路材质改为塑料后主要噪声来自焊缝薄弱处的中高频透射声和管壁结构的低频辐射声。     

旋涡声散射的空间尺度特性数值研究

旋涡对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在声源定位、声目标识别及探测、远场噪声预测等方面具有重要的学术研究价值和工程应用价值,如飞行器的尾涡识别、探测及测距,湍流剪切流中声目标预测,声学风洞试验中声学测量和声源定位等.声波穿过旋涡时会产生非线性散射现象,其物理机理主要与声波波长和旋涡半径的长度尺度比相关.本文采用高阶精度高分辨率线性紧致格式,通过求解二维非定常Euler方程,数值模拟了平面声波穿过静止等熵涡的物理问题.通过引入声散射截面法,分析了不同声波波长与旋涡半径的长度尺度比对声波脉动压强、声散射有效声压以及声散射能量的影响规律.研究表明:随着声波波长与旋涡半径的长度尺度比逐渐增加,旋涡流场对声场的影响逐渐减弱,声散射有效声压影响区域先逐渐增大随后逐渐减小,声散射能量最大值呈现4种不同的变化阶段.     

论室内声场

室内声场的经典理论中只有简正波(混响声)而缺乏直达声,这不符合实际。实际上声源具有二重作用,或说声源的作用有两项功能。一是声源按自由空间辐射声波,只要不遇到室的墙壁、边界,就不会改变。自由辐射达到任一边界后,就逐渐失去其球面波的特性,成为被反射为壁面上的一系列小波,时间、空间、方向都是无规分布,但是小波的来源都可推到声源上,这是第二功能。这些小波继续传播、反射,最后形成室内允许的驻波,这些就是简正波了。所以声源既是直达声波的声源,又是室内驻波的声源。据此可改正室内声波方程,解出室内声场,包括直达声波和简正波,并求得直达声和混响声的关系。声衰变过程的特性。声衰变中,稳态声中的直达声不会立刻停止,其后果值得注意。PACS数: 43.20,43.55     

矢量气动声学的理论研究进展及应用

气动声学的声比拟理论以密度、声压等标量为波动算子变量,建立非齐次波动方程,描述流体运动及与边界作用诱发声音的辐射,但标量无法直接描述声能量的传播过程和途径.在流体力学研究中,标量用于描述当前当地的物质状态,而矢量用于描述质量和能量的传输.借鉴上述思想,开展了矢量气动声学的研究,概述矢量气动声学的理论研究进展及应用,主要包括:（1）以声粒子速度为变量,采用声比拟理论的思想直接从Navier-Stokes方程出发推导建立了气动声学的矢量波动方程及两种频域解;（2）综合利用声压和声粒子速度的积分解,直接求解声源周围的瞬时和有功声强矢量场,直观显示声能量的传播途径,应用于旋转声源辐射声能量的传播分析,揭示了亚音速旋转声源辐射声能量的3种传播模式:螺旋模式、声学黑洞模式和R-A模式;（3）采用球谐级数展开方法建立旋转点/紧凑声源辐射噪声的声压和声粒子速度的频域解析解,在此基础上推导了声功率谱的频域解析解,建立了识别旋转叶片声源在空间域和频域分布特征的方法;（4）综合利用矢量气动声学方法和等效源方法,显示声源和散射边界周围声强矢量场的分布特征和能量传播途径,直接揭示了阻抗边界主要的吸声位置以及直接计算得到阻抗边界的吸收声功率.      

噪声和振动的有源控制

用和实际噪声源(振源)反相的二次声源产生声,进行干涉,来减小甚至抵消噪声,这不是一个新鲜事,原理也不复杂。但具体实现却取决于声源(振源)的尺寸,辐射分布和抵消场的产生与控制。近期的进展是以控制论和自适应滤波的最新发展和用于自适应信号处理的高速微电子线路的出现为基础的。     

传声器阵列对高频弱声源的声成像识别方法

研究了传声器阵列对高频弱声源的识别定位方法。该方法根据高频声源的指向性和阵列探测特性等特点,提出了利用信噪比加权方法提高有效阵元对声成像的贡献,根据信噪比的大小对每个阵元添加不同的权值,可以显著提高传声器阵列对高频弱声源的声像清晰度。仿真分析了阵元加权和不加权两种方法对阵列声成像结果的影响,以某型号笔记本电脑电路板噪声为对象进行的实验表明,在阵列测量中充分利用有效阵元信号可以实现对声压级低达10~20dB的微弱噪声源的精确测量。      

空腔流动的大涡模拟及气动噪声控制

大涡模拟(LES)和三维的Ffowcs Williams-Hawkings声学比拟方法相结合,研究空腔过流的一种噪声控制措施.空腔的底板/后墙使用多孔壁板,因此流体可以穿透空腔壁面,多孔效果使用Darcy压力-速度关系模拟.声源流场由LES计算,声辐射和远声场由声学比拟获得.结果表明,这种措施有效地减弱了空腔内的压力脉动和远场声辐射,低频脉动Rossiter模数对应的波动幅值被有效抑制,声源中偶极子占优项大幅度减小,从而抑制了声辐射.