0引言

Chinese Journal of Ship Research - - 华宏星等:船舶艉部激励耦合振动噪声机理研究进展与展望 -

噪声控制是众多行业和领域必须面对的重要问题。传统方法主要以声学控制技术为主,包括吸声、隔声、使用消声器、隔离与降低振动等,其机理是噪声声波与声学材料或结构相互作用、消耗 声能从而降低噪声,该方法属于无源或被动式的控制方法。总体而言,无源控制方法对于降低中高频噪声较为有效,而对低频噪声的控制效果则Leug 1933不明显。因此,德国发明家 于 年提出有Active noise cancellation源消噪( )思想[ 1 ],但直到70带年代末、80上世纪 年代初才引起重视。历经

30多年已发展为与传统噪声控制互补的新型噪声控制技术——有源噪声控制(Active Noise Control, ANC),即主动噪声控制。该理念的提出与发展在噪声控制领域具有里程碑意义,它推动了声学基础理论、信号处理与控制技术等学科的发展,拓展了声场与振动控制的应用领域[2~4]。有源噪声控制是通过幅度和相位可调的声源(次级声源)声波与需抵消的噪声(初级噪声)声波发生相消性干涉来降噪。其与传统的无源降噪措施相比,除了具备低频降噪效果好这一固有特性外,还有系统重量轻、环境适应性强等优点。有源噪声控制技术已形成了一套较为成熟的基础理论、系统构成及实现方法,成为一种不可或缺的噪声控制手段,目前已开发出具有一定市场前景和社会影响力的产品。舰船作为一种复杂的机电系统,其设计与使用中的噪声与振动问题日渐突出,对有源控制技术的需求十分迫切。

1 典型声场中有源控制的声场分析

在一个特定空间中实现有源控制的本质是使人工产生的声场(次级声场)与需抵消的声场(初级声场)实现空间分布和时间历程上的反相位匹配,其中产生两种声场的声源分别称为初级声源和次级声源。因此,设计有源噪声控制系统的第一步是分析初级声场特性,依据控制目标完成次级声源的布放设计,即确定次级声源的类型、数量和布放位置。有源控制中的初级声场分为自由声场和有界2声场 类,后者可分为一维管道声场和三维封闭2空间声场 种形式。按声模态密度的大小,三维封闭空间声场可进一步细分为驻波声场和扩散声场。为了实现局部空间和全空间的有源消噪,理论上次级声源的最优布放原则应遵循惠更斯原理(Haygens principle),即要求具有三极子(位于同1 1一位置的 个单极子和 个偶极子)特性的次级声源连续布放在包围初级声源或需消声的局部空间的闭合曲面上。此外,需要监测初、次级声场的辐射声功率以实现最大程度的降噪。但实际上次级声源和监测传感器(在自适应有源控制系统中称为误差传感器)的数量和布放位置均有限,因此不同初级声场下的次级声源和误差传感器的布放呈现不同特点。

1.1 自由声场中的有源控制

如果声波仅从声源向四周辐射,不受边界和其他物体的阻碍,也无其他声波的干扰,这种声场 即为自由声场。有源噪声控制研究中常将下列声场近似为自由声场:旷野中变压器辐射的噪声声场、天空中飞机向外辐射的噪声声场、深海中水面舰船及水下航行器向外辐射的噪声声场(忽略地面反射造成的影响)等。因自由声场中的声波传播形式和声场分析方法相对简单,有源噪声控制的作用机理相对容易,故研究历史最为悠久。任意复杂结构的声辐射均可等效为单极子源或者多个单极子源的组合,因此研究的重点是初、次级声源为单极子或单极子阵列的有源噪声控制。如果初级声源阵列由N个点声源组成,次级声源阵列由M个点声源组成,其声源强度矢量可分别记为 q 和q 。为了实现初、次级声源辐射总p s

声功率最小的控制目标,最优次级声源强度矢量

称声传输阻抗矩阵;r 和 r 分别为初级声源和次p s级声源的位置向量;H为对复数矩阵求共轭转置。式(1)和式(2)是有源噪声控制理论研究的基础公式,适用于任意形式的声场,只是不同声场中的声传输阻抗矩阵有所差别。依据以上公式的计算和仿真[ 4 ]结果,自由声场中,初、次级声源的相对距离必须小于声波半波1dB长,单极子次级声源才能达到 以上的降噪效果,同时增加次级声源数量也可以改善控制效果。此外,理论上采用多极子及高阶极子形式的次级声源,亦可增强降噪效果。由于自由声场形式简单,可以利用最优化方法进行次级声源和误差传感器布放方案的解析与优化研究。为了降低有源控制系统复杂度,可通过有源控制进行局部空间降噪,即制造局部有源静2区[6],有源耳罩和有源声屏障就是 个典型案例。

1.2 管道声场中的有源控制

管道声场是指无限长或半无限长管道内部或外部声源在管道内部产生的声场,主要针对次级声源频率小于管道截止频率的工况进行有源控制研究,此时管道中仅传播平面波。平面波声场有

源控制的理论分析较简单,主要需解决次级声源“声反馈”问题。因次级声源会同时向管道下游和管道上游辐射声波,使参考传感器拾取初级信号受到干扰,从而严重影响有源控制过程的稳定2性。为了消除次级声反馈,主要有 种解决方案:一是将声反馈作为整个控制对象的一部分,综合考虑控制器的设计方案;二是采用或设计单指向性次级声源,最大程度地减少声反馈对参考传感器的影响。

1.3 驻波声场中的有源控制

驻波声场中的声波呈现出明显的空间分布,每一个具有驻波形式的声场分布又称为声模态。理论上,为有效降低全空间中的声能或声势能,次级声源的布放原则包括[7]: 1)如果次级声源置于声模态节线上,则无论声源强度多大都不能激发这阶声模态,从而无法控制初级声场;如果次级声源距离声模态节线太近,则其声源强度必须非常大才能控制初级声场,从而不能有效控制空间总声势能。2 )低频条件下,即使初、次级声源的距离大于声波半波长,也能取得明显的降噪效果。3)一个次级声源置于几个主导声模态的最大幅值处时,可以抵消这几个声模态而不会激发其他声模态。4)几个次级声源单独作用不能抵消的声模态,联合作用则可抵消。一般应尽量增加误差传感器的布放数量,其布放原则包括[8]: 1)误差传感器和次级声源的布放原则总体上类似,但不相同。2)误差传感器最好置于声模态反节面处。3)误差传感器置于声模态节面处时无法工作,而且将导致有源控制后的空间总平均声势能比控制前大。

1.4 扩散声场中的有源控制

在扩散声场中通过有源控制不能降低全空间声势能,但可以降低局部空间噪声。研究表明,通过有源控制可降低以观察点或误差传感器为中心的空间区域初级声场声压,形成有源静区。有源静区的范围和降噪量与初级声源频率直接相关,与扩散声场的形成机制也有一定关系[9]。

2 有源控制器设计

一个有源噪声控制系统分为作动—传感结构 2和控制器 大部分,前者指次级源(次级声源和次级力源)、误差传感器和参考传感器(对前馈系统而言),后者指控制次级源输出声波或激励力强度(含幅度和相位)的装置。从硬件实现方式而言, 2控制器可分为模拟控制器和数字控制器 种。模拟控制器完全由模拟器件组成,具有成本低、结构简单等优点,但只能应用于管道消声和有源耳罩等极少数对控制器要求较低的场合。数字控制器包含硬件和软件两部分,硬件主要由数字信号处理器件组成,软件用于实现控制器结构和算法,其算法依附在结构上。数字式有源控制器可以实现多种形式的结构。首先,可应用于前馈系统和反馈系统,前者可获取参考信号,稳定性好,结构简单;后者无法获取参考信号,稳定性差。其次,数字式有源控制器1 1不仅可应用于只有 个次级声源和 个误差传感器的单通道系统,还可应用于有多个次级声源和多个误差传感器的多通道系统。在理论上通常以单通道前馈系统为分析重点。有源控制器的设计方法一般基于维纳滤波(Wiener filtering)原理和现代控制理论,前者为目前的主流理论,后者则适合解决声反馈及初级噪声的时变性问题。前馈有源控制器的设计思路源于自适应滤波器设计,目前自适应有源控制器的FIR基本框架为:控制器为横向结构的 滤波器,算-x LMS(Filtered-x Least Mean Square,法为滤波FXLMS)算法。FXLMS Widrow算法源于 针对电噪LMS声抵消所提出的 算法,目前已成为有源控制法[10],具有操作简单、运算量小等优点。的基准算 FXLMS基于横向滤波器和 算法,已提出了多达数十种的控制器结构与算法。需注意的是,有源控制器的结构和算法既各自独立又相互依存,有时算法与结构无关,可在任意结构上实现,而有时算法必须与特定的结构联系起来才能实现。完成有源控制算法的关键步骤是利用次级通路建模,来获取次级通路传递函数(或脉冲响应)。具体而言,次级通路是指从作动器到误差传感器之间的物理通路,包括声场、作动—传感装置(以电声器件为主)和电子线路,其中声通路特性是需考虑的主要因素。在有源控制中主要利用自适应建模方法获取次级通路传递函数,可分为离2线建模和在线建模 种方法。如果次级通路特性基本不变,则可在有源控制之前进行次级通路建模,获得次级通路传递函数的估计值,并在有源控制过程中保持不变,实现离线建模。离线建模方法分为时延估计法、双传声器法和附加随机噪声

3法 种。若在有源控制过程中次级通路特性是时变的,则需在有源控制时对次级通路进行实时建模,实现在线建模。

3 有源控制技术开发与应用

70有源噪声控制技术于上世纪 年代初开始发展。管道中的声源频率低于管道截止频率时可产生均匀平面波,在理论上和技术上均较易实现有源噪声控制,因而管道有源消声器有一定的研发价值。但是管道有源消声系统一般为反馈系统,不易获取参考信号,稳定性差,其有源消声器的结构也相对复杂。此外,在管道有源消声系统中,误差传感器下游会再次产生噪声(即再生噪声),因此需在长管道中布放多个有源消声器,导致整个系统的价格相对昂贵,维修和维护作业相对繁琐,进而阻碍了管道有源噪声控制技术的发展。但在同一时期,有源护耳器的研究逐渐取得了成果,最初利用模拟器件构造的有源控制器被证明可应用于有源耳罩,后期随着数字技术及自适应信号处理技术的发展,出现了有源送话器或受话器。如今,有源耳机(包括有源耳罩、有源送话器或受话器)已形成商品,成为有源噪声控制技术应用的标志性案例[11]。随着研究力量的不断投入,有源噪声控制技术拓展了应用领域,螺旋桨飞机舱内有源噪声控制就是一个典型案例。与此同时,有源噪声控制技术在高档轿车车厢内也得以应用。纵观有源噪声控制技术近几十年的发展历程及现状,按技术成熟度可将有源噪声控制技术分4为 大类:成熟技术、半成熟技术、开发中的技术、处于实验研究中的技术。从技术成熟度和商业推广价值的角度而言,目前最成熟的有源控制技术3有 种[12],分别是有源护耳器、螺旋桨飞机舱内有源噪声控制和轿车车厢内有源噪声控制。有源护耳器分为有源耳罩、有源受话器和有3源头靠 种类型。有源耳罩和有源受话器是采用有源控制技术的头戴式耳罩,两者可统称为有源头戴式耳机(有源耳机)。有源耳机是有源噪声控制技术发展历程中最早进入市场的产品,也是当前最成熟的应用技术。有源耳机已成为常见的电10声产品在销售,已有 余家知名生产厂家,如美Bose NCT国的博士( )公司、 公司 、森海塞尔(Sennhaiser )公司等。螺旋桨飞机舱内有源噪声1 500控制技术也已发展成熟,据报道目前已有 多架军用和民用飞机安装了有源控制系统。至于轿车车厢内有源噪声控制技术,由于成本限制仅有 极少数品牌的高端轿车安装此类系统,市场对该系统的接受程度仍较低。另外还有一类趋于成熟的有源噪声控制技术具备技术可行性,但尚未解决一系列涉及应用的关键问题,其典型代表为管道有源消声器、变压器噪声有源控制和声场有源控制。管道有源消声器的初级声场简单,但管道声场中存在固有的再生噪声,且管道消声器的应用环境大都十分恶劣,同时对成本和维修性的要求较为严格,这些因素限制了实际产品的开发。变压器有源噪声控制的优势在于初级噪声属于低频线谱噪声,对有源控制算法的要求较低,但难点在于降噪空间大,导致控制系统极其复杂,如采用目前的集中式多通道有源控制方式,将使整个系统的成本过高。声场有源控制基于有源控制原理,针对不同的应用目的和应用场合也相应地存在技术难度大、成本过高等问题。目前一些民用或军用领域的有源噪声控制技术已引起了广泛关注,例如下一节所述的舰船噪声有源控制,但该领域的新技术均处于从实验室技术向现场试验技术过渡的研发阶段。还有一些处于理论研究或实验室研究阶段的有源控制技术前景可观,不过距离实际应用还有相当长的路要走[13]。

4 有源控制技术在舰船中的应用

民用船舶和军用舰艇对噪声控制的需求十分迫切,但侧重点不同。舰船噪声控制分为外部辐射噪声控制和舱内噪声控制两部分。民用船舶的外部噪声控制源于海洋环境保护的需求,以避免对水下生物造成灾难性的影响,舱内噪声控制源于乘员对声环境舒适性的要求,这一点与军用舰艇相同。军用舰艇尤其是水下航行器的外部噪声关乎其声隐身能力,影响战技指标,是目前的关注焦点。

4.1 水下航行器外部声学性能的有源控制

水下航行器外部声学性能指标分为辐射噪声2水平和声目标强度 种。向外的辐射噪声主要分为螺旋桨噪声、通海管道辐射噪声、艇体结构振动3声辐射 类。螺旋桨噪声属于低频线谱噪声,宜采用有源控制技术,实验室研究已证实了理论可行性,但存在次级声源研制、布放及安装等问题。通海管道辐射噪声控制本质上属于管道声场的有源控制,理论上和技术上均可行,但工程应用还需投入大量、深入细致的工作。

艇体结构振动声辐射控制则寄希望于智能声学结构或有源声学结构的研究取得突破。对于有源声学结构,它包括产生次级声场的作动材料或元件、检测振动与声场信息的传感材料(误差传感器)和嵌入式的微控制器[14]。有源控制目标为总辐射声功率和反射声功率,相应的有源声学结构2分别为有源隔声结构和有源吸声结构。这 种结构均可位于双层耐压壳之间而单独存在,也可与现有结构(如艇体或声学覆盖层)复合在一起。有源隔声结构可用于降低艇体结构振动产生的低频声辐射[15],而有源吸声结构可降低敌方主动声呐发射声波的反射强度,从而降低本艇声目标强度[16]。有源声学结构的研究仍处于初级阶段,目前正致3力于解决 个方面的问题:近场误差传感策略、可工程应用的分布式作动—传感结构(层)、微型化的有源控制器。

4.2 舰船舱内噪声的有源控制

从有源控制的视角看,舰船舱内噪声分为舱内集中声源发出的噪声、舱内或舱外机械振动(分布式声源)引起的舱内噪声、穿越舱室的管道辐射2噪声。前 种噪声可采用舱内布设的次级声源实现有源控制,或对集中声源进行有源隔声,而管道辐射噪声则可通过加装管道有源消声系统来降低。根据已有的研究结果,基于次级声源的舱内噪声控制的可行性最高。但前提是初级噪声低频成分的能量与噪声总能量相比占主导地位,其中,低频的含义是此频率下的舱室声场为驻波声场。若初级噪声仅为数个线谱组成的低频声源,其有源控制的效果将更好。

5结语

目前有源噪声控制技术已被确立为一种有效的低频噪声控制技术,工程应用已取得实质性进展,部分应用的产业化也指日可待,总体而言,它仍然处于不断向前发展的阶段。舰船领域可采用的有源控制技术大部分处于研发阶段,部分还处于概念或实验室研究阶段。目前有源控制技术的发展方向如下: 1)有源控制系统或产品工程化,尤其是有源控制专用误差传感器和次级声源的研制与生产。2)特种用途有源控制系统的开发,如有源隔声罩、有源消声器、冲击声有源控制器等。3)基于有源控制原理的智能声学结构研究。4)有源—无源复合式噪声控制系统的开发。5)有源控制原理在声场主动控制、振动主动 控制、声品质控制等方面的应用。

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