CN101389158A - 一种应用于有源噪声控制的组合次级声源设计方法 - Google Patents

Abstract

应用于有源噪声控制的组合次级声源设计方法，测量初级噪声场噪声能量最集中频段的中心频率f₀和初级声场的空间分布特性；组合次级声源的数量N为4个至8个；次级声源到初级噪声源中心的距离不超过噪声源中心频率对应波长的0.5倍；次级声源由两个扬声器单元相互紧靠，且共用一个次级通道；根据初级噪声场的分布特征和次级声源的空间位置，分别计算N个次级声源中靠近初级源的扬声器与远离初级源的扬声器的源强幅度比a_n,12，(n＝1，2，...，N)；针对次级声源的源强幅度比，选取频率响应接近的两个扬声器单元作为组合次级声源中的单元1和单元2构成组合次级声源，在降噪性能方面有明显提高，且该组合源结构简单，适用于多种声场环境。

Description

一种应用于有源噪声控制的组合次级声源设计方法

一、技术领域

本发明涉及一种应用于有源噪声控制系统中的组合次级声源。

二、背景技术

在有源噪声控制中，一般采用扬声器系统作为次级控制声源。这种单极子次级源结构简单，次级源的源强调节方便，但每个单极子次级源必须对应一个次级通道，导致控制系统需要的次级通道数较多。Mangiante基于JMC理论设计出一种自指向性三极子源并应用于一维管道的噪声控制中(G.Mangiante etal.，Proceedings of ACTVIE 99，1999，pp.493-502)，Beauvilain设计出四极子和八极子组合声源用于三维空间自由场的噪声控制中(T.A.Beauvilain et al.，J.Acoust.Soc.Am.，Vol.107，No.3，pp.1189-1202，2000)，但这些多极子声源中扬声器单元的数量达到了3个甚至4个，且外围信号处理电路复杂，不便于工程实现。

三、发明内容

本发明的目的是提供有源噪声控制中一种组合次级声源的设计方法，该方法利用组合次级声源的指向性，提高有源噪声控制系统的降噪性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：应用于有源噪声控制的组合次级声源设计方法，A)测量初级噪声场噪声能量最集中频段的中心频率f₀和初级噪声场的空间分布特性，根据实际安装条件、系统大小和成本的要求确定指向性组合次级声源的数量和空间位置。

对于初级噪声场分布简单和频率较低的情况(如可视为点声源)，组合次级声源的数量要求不低于4个；对于较复杂的频率较低的初级噪声场，在组合次级声源围绕初级源共面均匀布放的情况下，一般要求不低于8个。组合次级声源到初级噪声源中心的距离越近控制效果越好，一般不超过噪声源中心频率对应波长的0.5倍。

次级声源的两个扬声器单元相互紧靠，且共用一个次级通道。

B)根据初级噪声场的分布特征和次级声源的空间位置，分别计算N个次级声源中单元1(靠近初级源)与单元2(远离初级源)的源强幅度比a_n，12，(n＝1，2，...，N)；

C)针对组合声源的源强幅度比，选取频率响应接近的两个扬声器单元作为组合次级声源中单元1与单元2，两个扬声器单元被设计的反相比例放大电路和功率放大电路驱动，构成组合次级声源；

D)在详细初级噪声场特性未知的情况下，可估计初级噪声场的声压梯度分布；据此，选取组合次级声源两个扬声器单元之间的源强比值。控制组合次级声源源所在处初级噪声场的声压梯度越大，要求源强比的数值也较大。一般而言，源强比值在[-3.00，-1.20]范围内取值。

对于单、偶、四极子和板等类型的初级噪声源，组合次级声源控制系统在噪声中心频率附近都能够得到比单极子次级源系统更好的降噪效果。

E)将指向性组合次级声源应用于自由场辐射噪声的有源控制，从而改善组合次级声源有源控制系统的降噪性能。有源控制器可采用任何一种商用前馈有源控制器，如发明专利ZL200510038525.5中公开的多通道有源控制器。

本发明的有益效果是：本发明采用调节组合次级声源中两个单元的源强幅度比值的方法，在两个单元反相位的情况下，调节次级声源中单元之间的源强比值，达到提高系统降噪性能的目的。本发明设计的次级声源结构简单，能有效地节省次级通道数，适用于多种初级声场。在同等控制通道数的条件下，能提高有源控制系统的降噪性能。

四、附图说明

图1是本发明中组合声源的结构图。

图2是有源噪声控制系统原理图。

图3是在本组合源在有源噪声控制系统中的应用结构图。

图4是分别采用组合次级源和单极子次级源的有源控制系统降噪性能的实验结果。

五、具体实施方式

下面结合实施例参照附图对本发明进行详细说明：

本发明所述组合声源如图1所示，有源控制系统的原理图如图2所示，在初级声源周围附近放置N个(4-8个由两个单元构成的组合次级声源)组合次级声源，次级声源源强的矩阵形式为：

$q_s={\left(\begin{array}{cccc}{q}_{s1,}^T& q_{s2,}^T& \·\·\·& q_{\mathrm{sN}}^T\end{array}\right)}^T---\left(1\right)$

式中q_sn＝(q_s(n，1)q_s(n，2))^T为第N个组合次级源中两个扬声器单元的源强分布，在次级源的外部空间布放N_e个使声压幅值最小的误差传感器。第i个误差传感器所在空间位置r_i处的声压为：

$p\left(r_i\right)=p_p\left(r_i\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{s(n,l)}\left(r_i\right)z_{s(n,l)}\left(r_i\right)---\left(2\right)$

p_p(r_i)为初级噪声源在r_i处的声压；z_s(n，l)(r_i)为第n个次级声源的第l个单元在r_i处的辐射传输阻抗。图2中N_e个误差传感器处的声压可以用矩阵表示为：

p_e＝p_p+Z_sq_s                    (3)

选取N_e个误差传感器处的声压平方和最小为有源噪声控制系统的目标函数：

$J_p=p_e^H{p}_e+\mathrm{\β}{q}_s^H{q}_s---\left(4\right)$

J取最小值时控制源的最优源强矩阵为：

$q_{\mathrm{so}}=-{(Z_s^H{Z}_s+\mathrm{\βI})}^{-1}{Z}_s^H{p}_p---\left(5\right)$

将(5)式写成q_so＝Gq_o，其中

$q_o=\left(\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{so}\left(\mathrm{1,2}\right)}\\ q_{\mathrm{so}\left(\mathrm{2,2}\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ q_{\mathrm{so}(N,2)}\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中A_sn＝(a_n，121)^T，a_n，12＝q_so(n，1)/q_so（n，2)，为第N个次级声源中第1单元与第2个单元的源强比，单元之间的源强比矩阵G由初级声场的分布确定。

在N个组合次级声源的设计中，先将2N个次级扬声器单元看作独立的单极子源，由(5)式计算q_so的最优值，再根据(6)式得到源强比矩阵G。在有源控制过程中，保持源强比矩阵G不变，源强矩阵q_o的强度随初级噪声源的变化由控制系统自适应调节，可以达到改善控制系统降噪性能的目的。数值模拟和实验表明，如果初级噪声源未知，可以通过估计或者测量声压梯度分布，选取组合次级声源的比值，声压分布梯度大的区域需要的2个次级扬声器单元的源强比值也相应较大，比值的变化范围一般在[-3.00，-1.20]之间。

四通道(四个次级声源，每个次级声源均由两个扬声器单元构成)指向性组合次级声源控制系统如3所示，组合次级声源的扬声器单元选用外径55mm，纸盆直径45mm的扬声器，安装在外尺寸为100mm×86mm×130mm的箱体上构成闭箱式音箱，音箱壁为10mm厚的中密度板，箱内填充吸声棉。初级声源可以视为点源，声源频率变化范围为200—500Hz。初级噪声源中心到次级声源较近单元中心的距离为0.27m，次级源中两个扬声器单元之间的距离为0.085m。整个有源控制系统置于消声室中。组合次级声源的两个扬声器单元的源强比按照初级声源频率为400Hz优化，最优比值为-1.46。实验测得的降噪量随频率的变化关系曲线如图4所示。组合源次级源控制系统的降噪性能明显优于同等条件下的单极子次级源控制系统，在300Hz以上差值达到了5dB以上，450Hz处差值超过了10dB。有源控制器采用的是发明专利ZL200510038525.5中公开的多通道有源控制器。

Claims (1)

1、应用于有源噪声控制的组合次级声源设计方法，其特征是测量初级噪声场噪声能量最集中频段的中心频率f₀和初级声场的空间分布特性；组合次级声源的数量N为4个至8个；次级声源到初级噪声源中心的距离不超过噪声源中心频率对应波长的0.5倍；

次级声源由两个扬声器单元相互紧靠，且共用一个次级通道；

根据初级噪声场的分布特征和次级声源的空间位置，分别计算N个次级声源中靠近初级源的扬声器(单元1)与远离初级源的扬声器(单元2)的源强幅度比a_n，12，(n＝1，2，...，N)；针对次级声源的源强幅度比，选取频率响应接近的两个扬声器单元作为组合次级声源中的单元1和单元2，两个扬声器单元被设计的反相比例放大电路和功率放大电路驱动，构成组合次级声源；

选取组合次级声源两个扬声器单元之间的源强比值；组合次级声源所在处初级噪声场的声压梯度越大，要求源强比的数值也较大。源强比值在[-3.00，-1.20]范围内取值，其中负号表示两个单元的源强相位相反。

在N个组合次级声源的外部空间布放N_e个使声压幅值最小的误差传感器；第i个误差传感器所在空间位置r_i处的声压为：

$p\left(r_i\right)=p_p\left(r_i\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{s(n,l)}\left(r_i\right)z_{s(n,l)}\left(r_i\right)---\left(2\right)$

p_p(r_i)为初级噪声源在r_i处的声压；z_s(n，l)(r_i)为第n个次级声源的第l个单元在r_i处的辐射传输阻抗。N_e个误差传感器处的声压可以用矩阵表示为：

p_e＝p_p+Z_sq_s            (3)

选取N_e个误差传感器处的声压平方和最小为有源噪声控制系统的目标函数：

$J_p=p_e^H{p}_e+\mathrm{\β}{q}_s^H{q}_s---\left(4\right)$

J取最小值时控制源的最优源强矩阵为：

$q_{\mathrm{so}}=-{(Z_s^H{Z}_s+\mathrm{\βI})}^{-1}{Z}_s^H{p}_p---\left(5\right)$

将(5)式写成q_so＝G_qo，其中

$q_o=\left(\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{so}\left(\mathrm{1,2}\right)}\\ q_{\mathrm{so}\left(\mathrm{2,2}\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ q_{\mathrm{so}(N,2)}\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中A_sn＝(a_n，l2 1)^T，a_n，l2＝q_so(n，l)/q_so(n，2)，为第N个次级声源中第1单元与第2个单元的源强比，单元之间的源强比矩阵G由初级声场的分布确定。

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