基于平面声源实施结构声辐射有源控制的理论研究

摘要研究了利用分布式平面声源对结构声辐射进行有源控制的问题。首先建立了系统的数学模型,然后推导了有源控制条件下次级声源的强度和声功率降低的计算公式。在实际应用中,次级声源参数(面积大小、安放位置、个数等)对控制效果有重要影响,本文基于有源控制的物理机理和数值仿真研究这些问题。结果表明: -般情况下,次级声源板的振动模态分布与初级结构振动模态分布不相同,因此,在低频范围内,需要至少4个分布式次级声源,方能有效地控制初级结构声辐射。     

应用于有源声辐射控制的一种组合次级声源

在分析多通道单极子次级源控制系统的基础上,提出一种幅度调节型组合次级声源,这种组合源由两个单极子声源构成,单极子声源的间距远小于声波的波长。文中就组合次级源在自由场中对不同初级声源辐射噪声的控制进行理论分析和实验验证,并与同等条件下的单极子次级源控制系统的降噪性能进行了比较分析。数值计算和实验结果均表明,对于不同的初级声场,在次级通道数相同的情况下,组合次级源控制系统可以得到比单极子次级源控制系统高的降噪量。     

平板扬声器用于结构声有源噪声控制实验研究

对NXT技术的分布式平板扬声器和集中参数扬声器的频响和指向性等进行了对比测量，通过对组合平板扬声器的声场研究及有源消声实验，证明了平板扬声器用于有源噪声控制的可行性。综合平板扬声器和集中参数扬声器的物理特点和声场特性，根据基于平面声源有源噪声控制的已有的理论研究结果和本文的实验结果，可以认为，NXT平板扬声器适合作有源噪声控制的次级源，有利于有源噪声控制的工程推广应用。     

基于近场声压传感的结构声辐射有源控制

为了解决有源声学结构中误差信息的传感问题,提出利用近场声压估算结构声辐功率的方法。首先推导了基于近场声压的声辐射功率计算公式,然后针对单频和宽带辐射噪声,提出了不同的有源控制目标函数,推粤了相应的计算有源控制效果的公式,并借助计算机仿真研究了影响有源控制效果的各种因素。最后探讨了实际条件下实现有源控制误差信息传感的各种方法。结果表明:有限阶声压辐射模态和近场均方声压都可以作为自适应声学结构的目标函数。     

次级声源优化布放的局部空间有源降噪

针对区域有源降噪问题,为获得更优降噪效果,根据实际次级通路传递函数,提出次级声源优化布放的有源控制系统并详细比较了两种次级声源优化布放算法与次级声源均匀布放的实际降噪效果。应用的第一种次级声源优化算法是l₂范数约束的约束匹配追踪算法,第二种次级声源优化算法是l₁范数约束的稀疏正则化方法。在全消声室中利用扬声器线阵进行多通道有源降噪实验研究,实验结果表明,在200～1000 Hz,次级声源优化布放的控制系统的平均降噪量比次级声源均匀布放的控制系统的平均降噪量多5 dB左右;在1100～1900 Hz,次级声源优化布放的控制系统的平均降噪量比次级声源均匀布放的控制系统的平均降噪量多11～13 dB左右,次级声源优化布放的控制系统的降噪量分布更加均匀且次级声源输出能量更小。此外,两种优化算法中,稀疏正则化方法的降噪效果更佳。     

基于平面声源的三层有源隔声结构物理机制研究

次级源为平面声源的三层有源隔声结构,深入理解有源隔声的物理机理有助于挖掘降噪潜力及实现系统优化设计。首先对三层有源隔声结构建模并求解系统的振动响应。然后,对控制前三层结构中声能量的传输规律进行深入分析。最后,在辐射板声功率最小条件下,通过分析控制前后声能量传输特性的变化阐述了隔声的物理机理。结果表明,声能量在三层结构中传输形成四个等效的传输通道,中间板与两腔的作用类似带通滤波器,不同的传输通道具有相似的带通特性。有源隔声机理在于,通过控制抑制了通带内的能量传输,显著提高了三层结构整体的隔声性能,从而有效阻止了声波的向后传播。      

基于分布式体积速度传感的结构声辐射有源控制实验研究

以简支矩形薄板为研究对象,首先在波数域内对结构振动体积速度与辐射声功率的关系进行分析,推导出反映结构模态对体积速度贡献规律的数学表达式。在此基础上,结合PVDF (Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性,给出一种方法来设计体积速度传感器,并针对具体模型进行了结构体积速度测量实验。结果表明,所设计的分布式体积速度传感器具有较好的传感精度。在此基础上,利用所设计的传感器进行了结构声辐射有源控制实验研究,分别针对单频和带宽信号激励情况下的有源控制实验取得了满意的控制效果,从而验证了本文PVDF体积速度传感器设计方法的正确性以及通过PVDF膜传感结构声辐射并作为误差传感器进行有源控制的有效性。     

通过声辐射模态研究结构声辐射的有源控制

以简支平板为例,通过声辐射模态建立了弹性结构声辐射的有源主动控制策略。并分析了声辐射模态的数学和物理意义。研究发现在中、低频时,声辐射模态对应的辐射效率随着模态阶数的增加而迅速降低。在此基础上,本文提出了一种新的控制策略,即抵消前k阶声辐射模态的伴随系数,使得前k阶声辐射模态的声功率为零。本文以点力作动器作为控制力源进行了数值计算研究。     

基于声辐射模态的有源结构声传入及其辐射控制

从辐射模态的概念和角度研究利用结构误差传感方法对弹性封闭空间结构声辐射进行传感和有源控制。首先分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系。通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射传感和有源控制模型,并提出了通过传感器阵列测量结构表面有限点的振速分布和设计特定的辐射模态空间滤波器来获得控制所需的误差信号。在此基础上对封闭空间结构声辐射有源控制和误差传感策略进行了深入的理论和数值仿真分析,重点讨论了传感器的数量和布放对辐射模态传感及其有源控制效果的影响。结果表明:辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;利用结构传感技术传感封闭空间的辐射模态时测点不足或空间采样不足将可能产生较严重的模态泄漏问题,使得不希望的结构模态泄露进所测的辐射模态当中来。在低频范围内,一般只需传感并最小化前三阶有效辐射模态声势能,在更低频和空间声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样。     

空间有源消声实验研究

本文分别在半声室和普通房间进行有源消声实验，证明了作者以前提出的算法是收敛的，稳定的，以此算法构成的多通道有源消声系统对直达声和混响声都能进行了有效的控制。     

A compound secondary source for active noise radiation control

Based on the analysis of active noise control system with multi-channel monopole secondary sources, a kind of compound secondary source is proposed in this paper. The proposed compound secondary source consists of two closely located monopole sources with their distance much smaller than a wavelength. The characteristics of the compound source are analyzed, and the performances of the active noise control system with the compound secondary sources on the monopole primary sound field and sound radiated by a plate are investigated both numerically and experimentally. It has been found that the proposed compound secondary sources control system can provide higher noise reduction for free field noise radiation control with the same number of control channels. It is shown that the better performance in noise reduction of the compound secondary sources control system is mainly due to the directivity of the secondary sources where the energy radiation pattern of the compound sources is similar to that of the primary sources.     

基于时域多普勒修正的运动声全息识别方法

由于运动声源测量信号中多普勒效应的存在,一般声全息方法无法直接使用,而阵列信号波束成形处理方法无法进行定量分析.本方法建立了基于测量面、辐射面和全息面的运动学几何关系,提出了声源与测量信号之间的非线性时间映射方法,基于运动声源的声源特征函数,构造了消除多普勒效应的全息面时域声压分布.全息重建得到运动声源表面有效声压分布,实现了对主要声源处声压幅值的定量估计.实际运动声源的测量实验结果证明了该方法的有效性.     

水下噪声及其控制技术进展和展望

针对水下结构远场低频辐射噪声的控制问题, 提出了基于水下结构近场法向声能流的噪声自适应控制方法。该方法以结构近场的法向声能流作为控制物理量, 利用有源控制系统自适应调节次级声源, 抑制结构法向方向上的能量传播, 实现远场低频辐射噪声控制。以圆柱壳为模型的试验结果表明, 在1000~3000 Hz的频段内, 相比于传统的以近场声压作为控制物理量的有源控制方法, 能流法能够在保证总辐射声功率不升高的前提下, 实现远场周向52.8%~76.3%区域内的噪声控制, 且频率越低, 降噪范围越广。

     

基于声压-振速测量的平面近场声全息实验研究

常规的近场声全息均是采用全息面声压或质点振速作为输入量求解,由于采用单一输入量无法分离来自全息面背向声波的干扰,因此要求所有声源均位于全息面的同一侧,即测量声场为自由声场,这种要求大大限制了近场声全息的实际应用.基于声压-速度测量的近场声全息以全息面上声压和质点振速同时作为输入量,通过建立和求解两侧声源在全息面上的声压和质点振速耦合关系,可以实现全息面两侧声波的分离,从而解决上述问题.文中在前期对声场分离技术研究的基础上,基于欧拉公式和有限差分近似,推导了新的基于声压-速度测量的平面近场声全息理论公式.随后通过实验检验了该方法在有背景源干扰情况下实现声场分离和重建的有效性.     

环境噪声学进展

本文简要地回顾了30年来中国环境噪声学的发展，并从飞机噪声、地面运输噪声、环境噪声影响与评价以及工业噪声控制四个方面介绍了近年来环境噪声学的进展。     

识别运动声源随机阵列生成法研究

针对随机阵列结构设计方面欠缺高效的生成方法这一问题,在保证阵列对声源识别精度的前提下,提出一种在极坐标下用于识别运动声源的随机阵列生成方法。根据声阵列识别运动声源的原理,推导了非等间距基本同轴圆环的半径,再通过降列分区、极坐标下条件筛选和模拟评价三个步骤,生成适用于识别运动声源的目标随机阵列,最后进行数值模拟和运动汽车噪声源识别实验进行验证。研究结果表明,用该方法能够高效地生成目标随机阵列,与常用规则阵列相比具有更良好的声源识别特性,并且具有准确的运动声源识别性能。     

空气中快速运动声源水下声场的波数积分模型

本文采用二维波数积分，对空气中高速运动声源激发的水下声场进行建模。针对二维波数积分计算声场时域解计算量大的问题，提出一种快速计算方法。用本文提出的方法，对深海和浅海情况下，空气中高速运动单频点声源激发的水下声场进行了计算和仿真。计算结果表明：在深海，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间发生变化；接收器深度、接收器与声源运动轨迹的最小距离对接收信号的变化快慢有较大影响，而声源高度的影响较小；在浅海中，接收信号呈现快速的幅度起伏，明显的多普勒频移和大的频率展宽效应。与简正波方法相比，本文方法主要适用于近场计算，而简正波方法适用于远场。另外，当声源频率较高时，二维波数积分方法的计算量将迅速增大。     

基于脉冲声分离的刚性球散射声控制

提出了一种基于脉冲声的三维空间中刚性球散射声分离方法,并利用前馈、固定系数控制方式对分离出的散射声进行有源控制,抑制散射声强度,实现了刚性球散射体在观测点处“声学不可见”。该方法利用脉冲信号作为初级噪声,通过有无刚性球时传声器采集脉冲信号的差值确定散射声大小,实现散射声与声源直达声的分离。对分离出的散射声进行多通道有源控制以验证该文所提分离方法及控制系统的有效性。实验结果表明,700~1000 Hz范围内,有源控制开启后,双通道散射声的平均降噪量大于5 dB,多通道散射声的平均降噪量大于8 dB,且误差传声器处采集的残余声场与无刚性球时采集的初级声场信号波形基本一致,实现了刚性球散射体在误差传声器处“声学不可见”。此外,参考传声器布放位置的选取问题也在该文做了详细讨论。