一種應用於有源噪聲控制的組合次級聲源設計方法
2023-05-10 16:47:21 2
專利名稱：一種應用於有源噪聲控制的組合次級聲源設計方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於有源噪聲控制系統中的組合次級聲源。
背景技術：
在有源噪聲控制中，一般採用揚聲器系統作為次級控制聲源。這種單極子次級源結構簡單，次級源的源強調節方便，但每個單極子次級源必須對應一個次級通道，導致控制系統需要的次級通道數較多。Mangiante基於JMC理論設計出一種自指向性三極子源並應用於一維管道的噪聲控制中(G.Mangiante etal.，Proceedings of ACTVIE 99，1999，pp.493-502)，Beauvilain設計出四極子和八極子組合聲源用於三維空間自由場的噪聲控制中(T.A.Beauvilain et al.，J.Acoust.Soc.Am.，Vol.107，No.3，pp.1189-1202，2000)，但這些多極子聲源中揚聲器單元的數量達到了3個甚至4個，且外圍信號處理電路複雜，不便於工程實現。
發明內容
本發明的目的是提供有源噪聲控制中一種組合次級聲源的設計方法，該方法利用組合次級聲源的指向性，提高有源噪聲控制系統的降噪性能。
本發明的目的通過以下技術方案來實現應用於有源噪聲控制的組合次級聲源設計方法，A)測量初級噪聲場噪聲能量最集中頻段的中心頻率f0和初級噪聲場的空間分布特性，根據實際安裝條件、系統大小和成本的要求確定指向性組合次級聲源的數量和空間位置。
對於初級噪聲場分布簡單和頻率較低的情況(如可視為點聲源)，組合次級聲源的數量要求不低於4個；對於較複雜的頻率較低的初級噪聲場，在組合次級聲源圍繞初級源共面均勻布放的情況下，一般要求不低於8個。組合次級聲源到初級噪聲源中心的距離越近控制效果越好，一般不超過噪聲源中心頻率對應波長的0.5倍。
次級聲源的兩個揚聲器單元相互緊靠，且共用一個次級通道。
B)根據初級噪聲場的分布特徵和次級聲源的空間位置，分別計算N個次級聲源中單元1(靠近初級源)與單元2(遠離初級源)的源強幅度比an，12，(n＝1，2，...，N)； C)針對組合聲源的源強幅度比，選取頻率響應接近的兩個揚聲器單元作為組合次級聲源中單元1與單元2，兩個揚聲器單元被設計的反相比例放大電路和功率放大電路驅動，構成組合次級聲源； D)在詳細初級噪聲場特性未知的情況下，可估計初級噪聲場的聲壓梯度分布；據此，選取組合次級聲源兩個揚聲器單元之間的源強比值。控制組合次級聲源源所在處初級噪聲場的聲壓梯度越大，要求源強比的數值也較大。一般而言，源強比值在[-3.00，-1.20]範圍內取值。
對於單、偶、四極子和板等類型的初級噪聲源，組合次級聲源控制系統在噪聲中心頻率附近都能夠得到比單極子次級源系統更好的降噪效果。
E)將指向性組合次級聲源應用於自由場輻射噪聲的有源控制，從而改善組合次級聲源有源控制系統的降噪性能。有源控制器可採用任何一種商用前饋有源控制器，如發明專利ZL200510038525.5中公開的多通道有源控制器。
本發明的有益效果是本發明採用調節組合次級聲源中兩個單元的源強幅度比值的方法，在兩個單元反相位的情況下，調節次級聲源中單元之間的源強比值，達到提高系統降噪性能的目的。本發明設計的次級聲源結構簡單，能有效地節省次級通道數，適用於多種初級聲場。在同等控制通道數的條件下，能提高有源控制系統的降噪性能。
四
圖1是本發明中組合聲源的結構圖。
圖2是有源噪聲控制系統原理圖。
圖3是在本組合源在有源噪聲控制系統中的應用結構圖。
圖4是分別採用組合次級源和單極子次級源的有源控制系統降噪性能的實驗結果。
五具體實施例方式 下面結合實施例參照附圖對本發明進行詳細說明 本發明所述組合聲源如圖1所示，有源控制系統的原理圖如圖2所示，在初級聲源周圍附近放置N個(4-8個由兩個單元構成的組合次級聲源)組合次級聲源，次級聲源源強的矩陣形式為 式中qsn＝(qs(n，1)qs(n，2))T為第N個組合次級源中兩個揚聲器單元的源強分布，在次級源的外部空間布放Ne個使聲壓幅值最小的誤差傳感器。第i個誤差傳感器所在空間位置ri處的聲壓為 pp(ri)為初級噪聲源在ri處的聲壓；zs(n，l)(ri)為第n個次級聲源的第l個單元在ri處的輻射傳輸阻抗。圖2中Ne個誤差傳感器處的聲壓可以用矩陣表示為 pe＝pp+Zsqs(3) 選取Ne個誤差傳感器處的聲壓平方和最小為有源噪聲控制系統的目標函數 J取最小值時控制源的最優源強矩陣為 將(5)式寫成qso＝Gqo，其中
式中Asn＝(an，121)T，an，12＝qso(n，1)/qso(n，2)，為第N個次級聲源中第1單元與第2個單元的源強比，單元之間的源強比矩陣G由初級聲場的分布確定。
在N個組合次級聲源的設計中，先將2N個次級揚聲器單元看作獨立的單極子源，由(5)式計算qso的最優值，再根據(6)式得到源強比矩陣G。在有源控制過程中，保持源強比矩陣G不變，源強矩陣qo的強度隨初級噪聲源的變化由控制系統自適應調節，可以達到改善控制系統降噪性能的目的。數值模擬和實驗表明，如果初級噪聲源未知，可以通過估計或者測量聲壓梯度分布，選取組合次級聲源的比值，聲壓分布梯度大的區域需要的2個次級揚聲器單元的源強比值也相應較大，比值的變化範圍一般在[-3.00，-1.20]之間。
四通道(四個次級聲源，每個次級聲源均由兩個揚聲器單元構成)指向性組合次級聲源控制系統如3所示，組合次級聲源的揚聲器單元選用外徑55mm，紙盆直徑45mm的揚聲器，安裝在外尺寸為100mm×86mm×130mm的箱體上構成閉箱式音箱，音箱壁為10mm厚的中密度板，箱內填充吸聲棉。初級聲源可以視為點源，聲源頻率變化範圍為200—500Hz。初級噪聲源中心到次級聲源較近單元中心的距離為0.27m，次級源中兩個揚聲器單元之間的距離為0.085m。整個有源控制系統置於消聲室中。組合次級聲源的兩個揚聲器單元的源強比按照初級聲源頻率為400Hz優化，最優比值為-1.46。實驗測得的降噪量隨頻率的變化關係曲線如圖4所示。組合源次級源控制系統的降噪性能明顯優於同等條件下的單極子次級源控制系統，在300Hz以上差值達到了5dB以上，450Hz處差值超過了10dB。有源控制器採用的是發明專利ZL200510038525.5中公開的多通道有源控制器。
權利要求
1、應用於有源噪聲控制的組合次級聲源設計方法，其特徵是測量初級噪聲場噪聲能量最集中頻段的中心頻率f0和初級聲場的空間分布特性；組合次級聲源的數量N為4個至8個；次級聲源到初級噪聲源中心的距離不超過噪聲源中心頻率對應波長的0.5倍；
次級聲源由兩個揚聲器單元相互緊靠，且共用一個次級通道；
根據初級噪聲場的分布特徵和次級聲源的空間位置，分別計算N個次級聲源中靠近初級源的揚聲器(單元1)與遠離初級源的揚聲器(單元2)的源強幅度比an，12，(n＝1，2，...，N)；針對次級聲源的源強幅度比，選取頻率響應接近的兩個揚聲器單元作為組合次級聲源中的單元1和單元2，兩個揚聲器單元被設計的反相比例放大電路和功率放大電路驅動，構成組合次級聲源；
選取組合次級聲源兩個揚聲器單元之間的源強比值；組合次級聲源所在處初級噪聲場的聲壓梯度越大，要求源強比的數值也較大。源強比值在[-3.00，-1.20]範圍內取值，其中負號表示兩個單元的源強相位相反。
在N個組合次級聲源的外部空間布放Ne個使聲壓幅值最小的誤差傳感器；第i個誤差傳感器所在空間位置ri處的聲壓為
pp(ri)為初級噪聲源在ri處的聲壓；zs(n，l)(ri)為第n個次級聲源的第l個單元在ri處的輻射傳輸阻抗。Ne個誤差傳感器處的聲壓可以用矩陣表示為
pe＝pp+Zsqs(3)
選取Ne個誤差傳感器處的聲壓平方和最小為有源噪聲控制系統的目標函數
J取最小值時控制源的最優源強矩陣為
將(5)式寫成qso＝Gqo，其中
式中Asn＝(an，l2 1)T，an，l2＝qso(n，l)/qso(n，2)，為第N個次級聲源中第1單元與第2個單元的源強比，單元之間的源強比矩陣G由初級聲場的分布確定。
全文摘要
應用於有源噪聲控制的組合次級聲源設計方法，測量初級噪聲場噪聲能量最集中頻段的中心頻率f0和初級聲場的空間分布特性；組合次級聲源的數量N為4個至8個；次級聲源到初級噪聲源中心的距離不超過噪聲源中心頻率對應波長的0.5倍；次級聲源由兩個揚聲器單元相互緊靠，且共用一個次級通道；根據初級噪聲場的分布特徵和次級聲源的空間位置，分別計算N個次級聲源中靠近初級源的揚聲器與遠離初級源的揚聲器的源強幅度比an，12，(n＝1，2，...，N)；針對次級聲源的源強幅度比，選取頻率響應接近的兩個揚聲器單元作為組合次級聲源中的單元1和單元2構成組合次級聲源，在降噪性能方面有明顯提高，且該組合源結構簡單，適用於多種聲場環境。
文檔編號H04R29/00GK101389158SQ20081015545
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月22日 優先權日2008年10月22日
發明者陳衛松, 蒲宏傑, 邱小軍 申請人:南京大學