有源吸聲尖劈及其製作方法

2023-12-05 07:39:36 1

專利名稱：有源吸聲尖劈及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種吸聲尖劈，具體地說是一種利用有源控制改善傳統吸聲尖劈低頻吸聲性能的有源吸聲尖劈及其製作方法。

背景技術：
尖劈結構廣泛用在消聲室和消聲間的建造，以及需要全吸聲終端的管道中，尖劈長度根據所要求的低頻下限頻率的波長確定，尖劈越長，截止頻率越低，尖劈的長度增長與截止頻率的降低相比，頻率越低，代價越大，成雙曲線規律變化，這種規律使尖劈在應用中存在一定的空間限制，在不降低尖劈結構吸聲性能的前提下減少尖劈的長度對上述應用具有重大的價值。有源控制低頻效果好，因而可以將有源控制和傳統吸聲相結合來實現更寬頻帶的吸聲。類似於這種主被動結合的混合吸聲主要有釋壓法(Cobo P，Fernandez A，and Doutres O.Low frequencyabsorption using a two-layer system with active control of input impedance.J.Acoust.Soc.Am.114(6)，3211-3216，2003.)和阻抗匹配法(Beyene S，Burdisso R A.A New Hybrid Passive-Active Noise Absorption System，J.Acoust.Soc.Am.101(3)，1512-1515，1997.)。上述方法主要針對規則性吸聲材料，釋壓法對吸聲材料厚度敏感，在吸聲材料為尖劈時不易使用；阻抗匹配法則要求吸聲材料流阻不能很大；因此吸聲材料為尖劈時，都不能完全符合以上兩種理論。現有技術尚未有針對吸聲尖劈的寬頻帶的混合吸聲。


發明內容
本發明的目的是提供一種有源吸聲尖劈及其製作方法，該有源吸聲尖劈利用有源控制改善傳統吸聲尖劈低頻吸聲性能，本發明利用有源控制對吸聲尖劈對低頻吸聲的補償作用，將有源控制系統與傳統吸聲尖劈集成有源吸聲尖劈，比原尖劈在更寬頻帶內有較高的吸聲性能；而且長度較短，體積優勢明顯。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 一種有源吸聲尖劈，其特徵在於該有源吸聲尖劈包括傳統吸聲尖劈、控制源、功率放大器、控制器和誤差傳聲器，放置在聲場中的誤差傳聲器設置在傳統吸聲尖劈的前端並與控制器連接；控制器通過功率放大器與控制源連接，控制源設置在傳統吸聲尖劈的後端。
本發明中，所述誤差傳聲器為兩個傳聲器。所述控制器是數位訊號處理集成電路板，該集成電路板與功率放大器一起放置在控制源後端。
一種有源吸聲尖劈的製作方法，其特徵在於該方法以傳統吸聲尖劈截止頻率為分界，通過使用了反射聲的有源控制改善傳統吸聲尖劈低頻吸聲，形成寬帶的吸聲；包括以下步驟 A)以雙傳聲器作為誤差傳聲器，將誤差傳聲器設置在傳統吸聲尖劈前端，雙傳聲器採集的聲壓信號分別饋給控制器，計算出入射聲壓pi(t)作為參考信號； B)單獨開控制源，用LMS(Least Mean Squares)算法對計算出的反射聲pr(t)建模，獲得次級通道傳遞函數； C)初級源和控制源同時打開，用獲得的次級通道傳遞函數，對計算出的反射聲pr(t)用FXLMX(Filtered-X Least Mean Squares)算法算法進行逼近，使之為零，得到控制器參數。
本發明中，入射聲壓pi(t)和反射聲pr(t)的計算如下 設傳聲器相隔距離為d，兩個傳聲器拾取的信號分別為p1(t)和p2(t)，靠近初級源的是p1(t)；如果兩個傳聲器之間的距離d遠小於所控制頻率範圍聲波最小波長，則兩傳聲器之間中間點的聲壓可近似表示為 駐波管內一點質點速度可近似表示為 式中，u0是質點速度初值，ρ0是空氣密度；而在截止頻率以下，管道中平面波的質點速度又可表示成 式中，c0是聲速，傳聲器之間中間點的聲壓也又可表示成 p(t)＝pi(t)+pr(t) (4) 結合(3)、(4)兩式，可計算得出入射聲壓和反射聲壓 式中p(t)和u(t)由式(1)和(2)用雙傳聲器法獲得。
本發明的有益效果是利用有源控制對吸聲尖劈對低頻吸聲補償作用，通過有源控制系統與傳統吸聲尖劈結合，集成有源吸聲尖劈，比原尖劈在更寬頻帶內有較高的吸聲性能；而跟具有相近吸聲性能的傳統吸聲尖劈相比，本發明長度較短，體積更小。
採用本發明，用20cm長的海綿尖劈和有源系統集成的40cm長的有源吸聲尖劈的性能，跟傳統約80cm的長度的吸聲尖劈性能相當。



圖1是本發明所述的有源吸聲尖劈的結構示意圖； 圖2是本發明的實驗環境示意圖； 圖3是40cm長吸聲棉尖劈在有源控制開和關時候的尖劈的吸聲係數譜； 圖4是20cm長海綿尖劈在有源控制開和關時候的尖劈的吸聲係數譜。

具體實施例方式 下面通過實例參照附圖對本發明進行說明 一種本發明所述的有源吸聲尖劈，見圖1，該有源吸聲尖劈包括傳統吸聲尖劈1、控制源2、功率放大器3、控制器4和誤差傳聲器5，放置在聲場中的誤差傳聲器5設置在傳統吸聲尖劈1的前端並與控制器4連接；控制器4通過功率放大器3與控制源2連接，控制源2設置在傳統吸聲尖劈1的後端。誤差傳聲器5為兩個傳聲器。控制器4是DSP評估板，該DSP評估板與功率放大器3一起設置控制源2後端。
一種本發明所述的有源吸聲尖劈的製作方法，採用一個矩形管道作為實施環境，初級聲源、控制源、吸聲尖劈、誤差傳聲器的位置和測量傳聲器位置如圖2所示。
有源尖劈末端的吸聲係數用傳遞函數法測量。使用B&K PLUSE7700系統和型號4190的傳聲器，用於吸聲係數譜的測量；AD公司的ADSP-21161N系列DSP評估板，用作信號發生器和實現FXLMS算法的控制器，測量信號為白噪聲。另外選用了G.R.A.S.公司型號40AE的傳聲器，型號26CA的傳聲器前置放大器，PCB公司型號482A16的信號調理器用來採集誤差信號，以及Classic牌型號8.0B的功率放大器。誤差傳聲器間距為6cm，誤差傳聲器到吸聲尖劈基底的距離為60cm，控制源和吸聲尖劈基底距離約3cm。實驗中採用白噪聲進行測試。實驗頻率範圍限定為100～1000Hz，在這個頻段管道中傳播的是平面波，並能進行較準確的測量。
雙傳聲器作為誤差傳聲器，誤差傳聲器在尖劈前端，雙傳聲器採集的聲壓信號饋給控制器，計算出入射聲壓pi(t)作為參考信號；反射聲和入射聲計算如下，設傳聲器相隔距離d，兩個傳聲器拾取的信號分別為p1(t)和p2(t)，靠近初級源的是p1(t)。如果兩個傳聲器之間的距離d遠小於所控制頻率範圍聲波最小波長，則兩傳聲器之間中間點的聲壓可近似表示為 駐波管內一點質點速度可近似表示為 式中，u0是質點速度初值，ρ0是空氣密度。而在截止頻率以下，管道中平面波的質點速度又可表示成 式中，c0是聲速，傳聲器之間中間點的聲壓也又可表示成 p(t)＝pi(t)+pr(t) (4) 結合(3)、(4)兩式，可計算得出入射聲壓和反射聲壓 式中p(t)和u(t)由式(1)和(2)用雙傳聲器法獲得。
單獨開初級源，用傳遞函數法(GB/T 18696.2—2002，阻抗管中吸聲係數和聲阻抗的測量第2部分傳遞函數法)測量有源系統關閉情況下的吸聲係數譜。
單獨開控制源，用LMS(Least Mean Squares)對由雙傳聲器聲壓信號饋給控制器計算出的反射聲pr(t)建模，獲得次級通道傳遞函數； 初級源和控制源同時打開，用獲得的次級通道傳遞函數，對由雙傳聲器聲壓信號饋給控制器計算出的反射聲pr(t)用FXLMX(Fi ltered-X Least Mean Squares)算法進行反射聲控制，使之為零，得到控制器參數。
用傳遞函數法測量有源控制開啟情況下的有源尖劈的吸聲係數譜。
圖3為超細吸聲棉尖劈在有源控制開和關時候的吸聲係數譜，尖劈長度為40cm。超細吸聲棉吸聲尖劈在300Hz以上有較高的吸聲係數，在有源控制開後，100-300Hz低頻吸聲性能較控制前得到了較大改善，在100～1000Hz吸聲係數為0.98～1.00，和80cm長的傳統吸聲尖劈的吸聲性能相當。
圖4是海綿吸聲尖劈在有源控制開和關時候的吸聲係數譜，海綿吸聲尖劈長20cm，材質為高密度吸聲海綿。海綿吸聲尖劈在600Hz以上有較高的吸聲係數，控制後在100～1000Hz，海綿吸聲尖劈的吸聲係數為0.98～1.00，有源控制系統與20cm長的海綿吸聲尖劈相結合所構成的總長約40cm的有源吸聲尖劈，和80cm長的傳統吸聲尖劈的吸聲性能相當。
本發明利用有源控制對吸聲尖劈對低頻吸聲補償作用，通過有源控制系統與傳統吸聲尖劈結合，集成有源吸聲尖劈，比原尖劈在更寬頻帶內有較高的吸聲性能；而跟具有相近吸聲性能的傳統吸聲尖劈相比，長度較短，體積更小。
權利要求
1、一種有源吸聲尖劈，其特徵在於該有源吸聲尖劈包括傳統吸聲尖劈(1)、控制源(2)、功率放大器(3)、控制器(4)和誤差傳聲器(5)，放置在聲場中的誤差傳聲器(5)設置在傳統吸聲尖劈(1)的前端並與控制器(4)連接；控制器(4)通過功率放大器(3)與控制源(2)連接，控制源(2)設置在傳統吸聲尖劈(1)的後端。
2、根據權利要求1所述的有源吸聲尖劈，其特徵在於所述誤差傳聲器(5)為兩個傳聲器。
3、根據權利要求1所述的有源吸聲尖劈，其特徵在於所述控制器(4)是數位訊號處理集成電路板，該集成電路板與功率放大器(3)一起放置在控制源(2)後端。
4、一種有源吸聲尖劈的製作方法，其特徵在於該方法以傳統吸聲尖劈截止頻率為分界，通過使用了反射聲的有源控制改善傳統吸聲尖劈低頻吸聲，形成寬帶的吸聲；包括以下步驟
A)以雙傳聲器作為誤差傳聲器，將誤差傳聲器設置在傳統吸聲尖劈前端，雙傳聲器採集的聲壓信號分別饋給控制器，計算出入射聲壓pi(t)作為參考信號；
B)單獨開控制源，用LMS算法對計算出的反射聲pr(t)建模，獲得次級通道傳遞函數；
C)初級源和控制源同時打開，用獲得的次級通道傳遞函數，對計算出的反射聲pr(t)用FXLMX算法進行逼近，使之為零，得到控制器參數。
5、根據權利要求4所述的有源吸聲尖劈的製作方法，其特徵在於入射聲壓pi(t)和反射聲pr(t)的計算如下，
設傳聲器相隔距離為d，兩個傳聲器拾取的信號分別為p1(t)和p2(t)，靠近初級源的是p1(t)；如果兩個傳聲器之間的距離d遠小於所控制頻率範圍聲波最小波長，則兩傳聲器之間中間點的聲壓可近似表示為
駐波管內一點質點速度可近似表示為
式中，u0是質點速度初值，ρ0是空氣密度；而在截止頻率以下，管道中平面波的質點速度又可表示成
式中，c0是聲速，傳聲器之間中間點的聲壓也又可表示成
p(t)＝pi(t)+pr(t) (4)
結合(3)、(4)兩式，可計算得出入射聲壓和反射聲壓
式中p(t)和u(t)由式(1)和(2)用雙傳聲器法獲得。
全文摘要
本發明公開了一種有源吸聲尖劈及其製作方法，該有源吸聲尖劈包括傳統吸聲尖劈、控制源、功率放大器、控制器和誤差傳聲器，放置在聲場中的誤差傳聲器設置在傳統吸聲尖劈的前端並與控制器連接；控制器通過功率放大器與控制源連接，控制源設置在傳統吸聲尖劈的後端。製作方法以傳統吸聲尖劈截止頻率為分界，通過使用了反射聲的有源控制改善傳統吸聲尖劈低頻吸聲，形成寬帶的吸聲。與具有相近吸聲性能的傳統吸聲尖劈相比，本發明長度較短，體積優勢明顯。
文檔編號G10K11/00GK101521008SQ20091002616
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月2日 優先權日2009年4月2日
發明者史東偉, 馮聲振, 邱小軍 申請人:南京大學