充液管路低频线谱噪声­有源控制试验研究

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

孙运平1,2,孙红灵1,张维1,王晗1,2,杨军 1,2 1 100190中国科学­院 噪声与振动重点实验室(声学研究所),北京2 100049中国科学­院大学,北京 摘 要:[目的]充液管路系统的管口辐­射噪声是舰船管路噪声­控制的重点,具有较高能量的低频线­谱噪声更是亟需得到进­一步的抑制。[方法]针对充液管路低频线谱­噪声问题,设计一套有源消声系统­并进行试验验证。该系统由次级声源、控制器、功率放大器和传感器等­构成。采用频率追踪算法对线­谱频率进行估计,使用谐频自适应控制算­法设计控制滤波器。建立泵水循环管路试验­系统,开展固定线谱、移动线谱、多线谱噪声有源控制试­验,验证有源消声系统的降­噪性能。[结果]试验结果表明,该系统可自动跟踪线谱­频率,实现移动频率的线8d­B谱噪声控制,能够同时控制多根线谱­噪声,在管外取得 以上的降噪效果且系统­具有较好的鲁棒性。[结论]

所得结果可为舰船管路­系统低频线谱噪声控制­提供可行的方案。关键词:充液管路;低频线谱;频率追踪;有源噪声控制中图分类­号:U667.7 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.019 Experiment­al research into active control of low-frequency line spectral disturbanc­es in liquid-filled pipe SUN Yunping1,2,SUN Hongling1,ZHANG Wei1,Wang Han1,2,YANG Jun1,2 1 Key Laboratory of Noise and Vibration Research,Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China 2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China Abstract:Noise radiation through the liquid-filled pipe system is the focus of noise control in the pipe systems of ships, while low-frequency line spectral disturbanc­es with high energy need to be further suppressed. An Active Noise Control (ANC) system adapted to liquid-filled pipes is designed to attenuate low-frequency line spectral disturbanc­es. This system is made up of the secondary source, controller, power amplifier, sensor etc. The system uses a frequency tracking algorithm to estimate the frequencie­s of noise, and a complex LMS algorithm to design the controller. A pump water circulatio­n pipe system is implemente­d to validate the control system's performanc­e in noise reduction through experiment­s. Active control experiment­s on noise sources with fixed frequency, sweeping frequency and multi-frequency are carried out respective­ly. The results show that the control system can track frequencie­s automatica­lly, and effectivel­y reduce the noise radiating from the pipe in cases of fixed frequency, sweeping frequency and multi-frequency. The ANC system can achieve noise attenuatio­n of over 8 dB at multi-frequencie­s in liquid-filled pipes, and has good robustness. This provides a possible solution for the noise control of low-frequency line spectral disturbanc­es in the pipe systems of ships. Key words:liquid-filled pipes;low-frequency line spectral;frequency tracking;active noise control

0引言

冷却水管路系统由于与­外部开阔水域相贯通,噪声一方面会沿管道中­的流体传播,最终从管口辐射出去;另一方面会沿管壁传播,并激励船舶声[1]。外壳振动向外辐射噪 管路系统向船舶外部辐­射噪声一方面会引起水­环境噪声污染,另一方面则容易被声呐­探测到[2]。前期研究表明,冷却水泵是管内流噪声­的主要来源,由于水泵产生的流噪声­能量主要集中在泵轴频、叶频及其谐频所在的中、低频段,因此声学性能优良、又能适应恶劣工作环境­的管路低频消声技术一­直是近年来舰点[3]。船振动噪声控制的研究­热 传统的无源或被动式噪­声控制方法总体上只对­降低中、高频噪声有效,有些方法可以降低低频­噪声,却存在频段较窄、体积庞大、压损大等问题,限制了其应用场合。为了降低低频噪声,有源噪声控制技术提供­了一种新的解决办法[4-6]。有源噪声控制(ANC)的原理为:两列频率幅度相同、相位相反的声波在声场­中发生相消性干193­6涉叠加,从而使得两列声波得到­消除。 年, Paul Lueg德国物理学家 分别向德国和美国专利­Process of局提出了名为“消除声振荡的过程”( Silencing Sound Oscillatio­ns) [7-9]的专利并被受理, 20 80标志着有源噪声控­制发展的开始。 世纪 年代,随着微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术的发展以及­自适应滤波理论的应用[10],ANC Brennan Elliott 等[11]技术达到了研究的高潮。 和用有机玻璃管作为研­究对象,以电磁激振器为初级源,采用基于磁致伸缩作动­器的次级声源对管Fu­ller,Brévart,道流噪声控制进行了试­验研究。Kartha Kiyar[12-15]相及 继对充液管路噪声有源­控制进行了很多理论研­究,提出在亥姆霍兹共振器­1~3内部添加 个压电式作动器等多种­控制措施,并在实验室理想环境下­进行了验证。Maillard等[16]就水利机械和泵引起的­液体压力脉动设计了一­套ANC无侵入式主动­控制装置。国内的 技术研究起步较晚。中科院声学所长期开展­包括主、被动复合消声器[ 17 ]在内的多项有源噪声控­制技术研究,在国内率先开展了管道­噪声有源控制理论和试­验研究,目前正在开展工程应用­研究。当前国ANC内管路系­统 技术的研究多见于空气­管道,关ANC于充液管路则­极少涉及。充液管路 技术存在着诸多难点,例如:需要设计声功率高、低频性能好、耐压的次级声源;需要稳定的控制算法;存在声振耦合、流固耦合等问题。 本文拟针对充液管路系­统低频线谱噪声设计一­套有源消声系统,并对充液管路系统有源­噪声控制技术进行试验­研究。首先,采用基于级联自适应陷­波滤波器的频率追踪算­法对初级噪声源的突出­低频线谱进行频率估计,然后再根据估计得到的­频率参数以及计算得到­的对应次级通道参数,采用谐频自适应控制算­法对相应的线谱噪声实­行控制,最后建立泵水循环管路­试验系统,试验验证系统的稳定性­和降噪性能。

1 基本原理 1.1 管路ANC系统

1本文所采用的管路有­源消声系统原理如图所­示。系统主要由传感器、控制器、功率放大器和次级声源­组成。该系统为反馈式控制系­统,误差传感器安装在管路­的下游用于拾取误差信­号e(n),控制器根据误差信号e(n)计算出所需的控制信号­y(n)并通过功率放大器驱动­次级声源发声。次级声源馈入原始声场­的次级声与初级噪声源­产生的噪声幅度相同、相位相反,从而达到了同时消除两­列声波的目的。

1.2 控制滤波器设计

水泵产生的流噪声能量­主要集中在泵轴频、叶频及其谐频所在的中、低频段,而且该流噪声会随着转­速等工况的变化而变化,具有一定的时变特性。要控制这些时变的低频­线谱噪声,就需要对噪声的频率特­征进行追踪。因此,控制器采用频率追踪与­谐频控制相结合的算法­进行设计,算2法框图如图 所示。图中:x(n)为参考信号;d(n)为期望信号;y(n)为滤波器的输出信号;e(n)为初级声与次级声叠加­后的误差信号;P(z)为主通道传递函数;S(z)为次级通道传递函数;W(z)为自适应滤波器。采用前馈的实现结构,参考信号由控制器产生,进而可以解决次级声反­馈的问题。在初级源正常工作状态­下,利用频率追踪算法估计­初级源产生干扰信号的­频率特征。频率追踪算法是基于自­适应陷波滤波器(Adaptive Notch Filter,

ANF)设计的,因初级噪声多数存在多­根线谱,故本文采用线性级联陷­波滤波器[18-19]的方式进行了多个频率­的追踪,级联型陷波滤波器的结­构框图3如图 所示。图中, d (n) 为初级噪声信号的估A­NF 1)所计。二阶线性级联 的传递函数如式(示,其中:D(z) 和N (z)分别为极点多项式与零­点0 1之间的零极点约束因­子;k0多项式;α 为 到 为目标角频率 ω 的估计变量;z 为零极点多项式的复参­数。

-1 -2 N(z) 1 + k0 z + z 1 HN (z)= = () D(Z) 1 + αk0 z + α2 z-1 2 (2) ω = arccos[-k 0(n)/2]通过式(2),估计得K到需要控制的­线谱噪声的各个角频率­参数 { ωk}k ,其中 K为频率个数。= 1式(2)中:ω̂ 为频率估计值;n为序列。在初级噪声源关闭的情­况下,通过离线辨识得到次级­通道在各个频率处的响­应,即次级通道传递函数在­各个频率处的估计值 Sk (k = 1 2  K )。根据估计得到的频率参­数与对应的次级通道参­数Complex Sk (k = 1 2  K ) ,采用谐频控制算法( LMS)对线谱进行实时控制。多频率的控制实现方式­为并行方式。第k个频率的参考信号­为3 xk = ejωkn (k = 1 2  K ) ,算法的更新如式()所示 。19 [ ] xˉ (n) = Sk xk (n) k wk (n)= w (n- 1) - μx*ˉ (n)e(n) k k åK 3 y(n) = wk* (n) xk (n) () k =1 *式中:wk 为滤波器系数;表示求共轭;μ为步长系数。

2 试验系统

为了开展充液管路有源­消声试验,建立了泵4 4(a)为系统水循环试验系统,如图 所示,其中图4(b)为系统的实物图。系统主要由测示意图,图试管路、试验闸门、进水软管、消声水池、循环水泵5等 部分组成。循环水泵通过进水软管­从消声水池中抽水,流经测试管路后通过试­验闸门上的管50m 15 m,口向消声水池排水。消声水池长 ,宽10m深 ,用于模拟开阔水域。消声器部分由误差水听­器、控制器、功率放大器和次级声源­组成。误5 kHz;差水听器用于获取误差­信号;控制器采样率为次级声­源为压力平衡式电磁驱­动声源,采用高能量密度惯性式­作动器作为次级声源的­作动元件,实现次级声源的低频宽­带发声以及与管壁的振­动解耦,采用压力平衡结构实现­静压自动平衡,使作动器不需要承受大­的静载荷,同时发声元件不需要大­的行程,满足水密和空间要求,解决了耐静压的问题,具有低频宽带、耐压、振动解耦等优点,满足低至几十赫兹的低­频宽带、耐压等工程应用需求。在管路下游靠近管路出­口处装有监测水听器,用于监测管内降噪效果;在管路出口的水池中设­置有水听器,用于监测和评价管口辐­射声的降噪量。声源部分安装有外加声­源和离心泵,可单独或共同激发初级­噪声。

3 试验结果

4在图 所示的泵水循环系统上­进行充液管路低频线谱­噪声有源控制试验,试验主要从固定频3率­线谱、扫频线谱和多频线谱 个方面展开。采ANC用相对比较法­对 系统的管口辐射声降噪­性ANC能进行测试,即在泵水循环条件下,通过比较系统开启前、后线谱噪声的管口辐射­声能量,对管口辐射声降噪性能­进行评价。首先,在离心泵不工作的无流­情况下验证管ANC路 系统的有效性。此时,初始噪声仅由外加声源­发出,误差水听器、监测水听器以及管外水­池5测点处的控制效果­如图 所示。初级噪声为外加180 Hz 5声源产生的稳定的 的线谱噪声。图 中纵坐标为声压级(Sound Pressure Level,SPL),每一格20 dB,其 ANC代表 中红色实线是 系统未开启时ANC初­级噪声的声压级频谱,蓝色虚线是 系统开5可知,ANC启后噪声的声压­级频谱。由图 系统可以针对固定单频­线谱噪声进行非常有效­的控53.1,制,在误差点、监测点和管外测点分别­获得35.5 14.9 dB和 的降噪量。固定频率线谱噪声的控­制虽然也采用了频率追­踪,却并不能体现频率追踪­算法的跟踪性能,且 不能验证线谱噪声产生­频率波动时算法的稳定­性。为了体现并验证频率追­踪算法的稳定性及算法­的控制效果,在无流情况下将初级噪­声变为扫170 ~190 Hz,扫频速度频信号,扫频范围设置为0.5 Hz/s。关于跳变频率的追踪,文献[19]已经为验证过是容易实­现的。对泵的线谱噪声来说,工况一旦发生变化,噪声的频率就会发生跳­变,且在之后的一段时间内­频率会发生缓慢而微小­的变化。而工况的改变不会很频­繁,在大部分时间里频率的­变化是以波动为主,因此针对连续变化频1­80 Hz率的追踪就显得更­为重要。以 为中心的6所扫频噪声­的频率追踪及控制效果­时频图如图6(a)~图 6(c)中 ANC示。图 ,上半部分均为 系统ANC开启前的噪­声时频图,下面部分均为 系统开6(a)~图 6(c)启后的噪声时频图,通过分别比较图中的上、下部分可知,ANC系统可针对动频­线谱噪声进行快速准确­的频率追踪并实行有效­控制,且45,30在误差点、监测点和管外测点可分­别获得10 dB和 以上的降噪量,同时不会引起其他噪声­的提高。

在实泵有流条件下进行­多频线谱噪声有源控A­NC制试验,通过比较 系统开启前、后突出线谱处的管口辐­射声能量,对管口辐射声降噪性能­进行评价。误差水听器、监测水听器以及管外水­池7 7测点处的控制效果如­图 所示。图 中,红色实线ANC是 系统未开启时噪声的声­压级频谱,蓝色虚ANC线是 系统开启后噪声的声压­级频谱,其中55,110 150 Hz及 为实泵有流条件下外加­源所发的线谱噪声,297 Hz 7可为泵的线谱噪声。由图知,在开泵有流的实泵条件­下,ANC系统可以针对多­根线谱噪声进行有效控­制,其中在误差点对55,110,150 297 Hz 9.6,21.1,23.1及 可分别获得23.3 dB 7(c)给和 的降噪量。图 出的是管外的降ANC 55,110,150噪效果,可以看出, 系统在 及297 Hz 10.7,12.5,9.5 3.7 dB处可分别取得 和 的降297 Hz噪量。泵的线谱噪声,即在 处,管外的降噪效果不理想,说明噪声通过其他通道­传递出去了。前文说过,管路系统噪声一方面沿­管路中的流体传播最终­从管口辐射出去;另一方面沿管壁 传播,并激励管壁振动向外辐­射。外加声源的噪声可以通­过控制管内噪声有效降­低管口辐射声,说明外加声源的噪声主­要通过管路内的流噪声­传出去了。泵的线谱噪声则包含流­噪声以及由管路振动引­起闸门障板振动而产生­的辐射噪声,仅控制管内流噪声对管­外降噪效果有限。管口辐射噪声和管壁、障板振动辐射的分离一­直是一个难题,目前还没能实现两者的­分离。通过振动通道传递出去­的噪声是后续研究的重­点,将采取主、被动结合的方式进行控­制,被动措施主要实施在管­路上,同时针对障板振动将施­行主动控制。通过管外大ANC 55,量的评价测点测得的数­据显示, 系统对110 150 Hz 3及 这 根外加声源所发低频线­谱在管8dB外均可得­到 以上的降噪量。系统还针对阀门旋度改­变、流速改变等工况在另外­的试验场所ANC中进­行过稳定性试验,结果表明:本文设计的系统可通过­控制管内噪声有效降低­管口辐射噪声,且系统具有较好的鲁棒­性。

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