CN104918173B - 一种应用于有源声屏障的指向性次级声源设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于有源声屏障的指向性次级声源的设计方法。该方法通过调节次级声源输入信号相位的方法来调节声源的指向性，提高有源声屏障控制系统的降噪性能。组成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。根据初级声场声能量最集中频段的中心频率和初级噪声场的空间分布特性，计算次级声源中两个单元的源强最佳相位差。选取频率响应接近的两个扬声器单元组成次级声源，两个扬声器单元被设计的相位调节电路和功率放大电路驱动，构成指向性次级声源。与单极子次级声源相比，该指向性声源能明显提高有源声屏障的降噪性能，且声源的结构简单、指向性易于调节。

Description

一种应用于有源声屏障的指向性次级声源设计方法

技术领域

本发明专利涉及一种应用于有源声屏障的指向性次级声源设计方法。

背景技术

在有源声屏障中，一般采用单个扬声器构成的音箱作为次级声源。这种单极子声源结构简单，声源强度调节方便，但每个单极子次级声源须对应一个次级通道，因此控制系统需要的次级通道数较多，控制算法计算量大。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 et al., Proceedings ofACTVIE 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。专利ZL200810155451.7中设计出一种由两个扬声器单元组成的幅度调节型指向性次级声源，该声源的指向性呈葫芦型，适合于自由场的全局有源噪声控制中，但在有源声屏障系统中作为次级声源控制效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于有源声屏障的指向性次级声源的设计方法。该方法通过调节次级声源中两个单元输入信号相位的方法来调节声源的指向性，提高有源声屏障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：应用于有源声屏障的指向性次级声源的设计方法，1）测量初级声场声能量最集中频段的中心频率和初级声场的空间分布特性；2）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。根据初级声场的分布特征和次级声源的空间位置，计算次级声源中两个单元的源强最佳相位差；3）选取频率响应接近的两个扬声器单元组成次级声源，两个扬声器单元被设计的相位调节电路和功率放大电路驱动，构成指向性次级声源；4）在初级声场特性无法确切获得的情况下，可估计初级噪声源与屏障顶部的连线与屏障的夹角；据此选取两个扬声器单元之间的相位差。初级声源离屏障越远，值越大，要求两个扬声器单元的相位差值也较大，对应的值较小。一般而言，对于频率不高于500 Hz的情况下，值在 [1.50, 2.50] 范围内取值。5）将指向性声源置于屏障顶部，用于改善有源声屏障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：本发明采用调节次级声源中两个单元相位差的方法，改变次级声源指向性，使次级声场能够较好地重构初级声场，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。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。

附图说明

图1是指向性声源的原理图；

图2是本发明中指向性声源的结构图；

图3是相位调节电路原理图；

图4是本指向性声源在有源声屏障系统中的应用结构图；

图5 是时指向性声源在160Hz的声压指向性图；

图6 是时指向性声源在300Hz的声压指向性图；

图7是分别采用本指向性声源和单极子次级声源的有源声屏障系统降噪性能实验结果。

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：

指向性声源工作原理：

本发明所述指向性声源的原理图如图1所示，两扬声器单元的中心，的距离为，点为的中点，平面上一点与的连线与的夹角为，则处的声压为：

(1)

令，，则两个单元输入信号的相位差为：

(2)

式(1)中声压可写成源强和传输阻抗的形式：

(3)

上式中为空气密度，为声速，为信号角频率,为指向性声源到接收点的总传输阻抗。调节的值，就可以调节相位差，从而改变声源的指向性。若，声压分布表现出偶极子的指向特性；当，声压分布呈现出三极子的心形指向特性；当时，声场指向性介于三极子和单极子之间；当时，声场指向性介于三极子和偶极子之间。

指向性声源的结构如图2所示。输入信号分成两路，其中一路信号直接输入到功率放大器，另一路经过相位调节电路至功率放大器，从放大器输出的信号分别驱动指向性声源的两个扬声器单元。图3是相位调节电路原理图，调节的值，就可以改变，从而改变声源的指向性。

次级声源指向性优化设计原理：

有源声屏障控制系统如图4所示，初级声源S位于屏障左侧，个控制源位于屏障顶部，个误差传声器等间距分布在屏障后方，传声器所在的直线与屏障及地面平行。考虑地面反射，运用镜像源理论可得第个误差传声器位置处的总声压为：

(3)

式中第一项为初级声源及其镜像源在误差传声器处的声压，和分别为控制源及其镜像源到误差传声器的传输阻抗，为第组次级源的源强。选取个误差传声器处的声压平方和最小作为有源噪声控制系统的目标函数：

(4)

为正实数，它的存在使传声器的声压幅度平方和不一定能达到最小值，但增加了系统的稳定性。为次级源的源强矩阵。取最小值时控制源的最优源强矩阵为：

(5)

式中为次级源到误差传声器的阻抗传输矩阵，为的共轭转置矩阵，为单位矩阵。求得控制源体积速度后，可由式（3）求得声影区空间任一点在控制后的总声压为。则声屏障后方声影区由于有源控制系统的引入所带来的新增降噪量为：

(6)

在初级声源位置或初级声场分布特性已知的情况下，可选定范围，按(3)-(6)式计算不同时的最优源强和对应的降噪量。将降噪量最大时对应的值作为次级声源的最优参数，并记为。若初级声源位置或初级声场特性不便测量，可估计初级噪声源与屏障顶部的连线与屏障的夹角；据此选取两个扬声器单元之间的相位差。初级声源离屏障越远，值越大，要求两个扬声器单元的相位差值也较大，对应的值较小。一般而言，对于频率不高于500 Hz的情况下，可设定，根据现场降噪效果微调值，能得到比单极子源更好的降噪效果。

有源声屏障系统降噪效果分析：

选取直径100 mm的扬声器，安装在外尺寸210 mm×150 mm×140 mm的箱体上构成闭箱式音箱。将两个频率响应相近的音箱放在一起构成指向性次级源，两个声源中心的距离约15 cm。选取，实验测得一组指向性源在频率分别为160 Hz和300 Hz的情况下，距声源1.0 m的圆周上的声压级分布如图5和图6所示。实验测得声源的指向性与理论值吻合较好。

按照图4搭建10通道有源声屏障系统，屏障长8.0m、高1.3m，初级声源位于点(-4.0m,0m,0.16m)，指向性次级声源置于屏障顶端，次级声源中心距离，误差传声器分布于屏障后方的直线上，与次级声源相对应且。在屏障后方平面上分三行共取得18个测量点。测得有源控制前后各点的声压级，按(6)式计算新增降噪量。在160-300Hz范围内每隔20Hz取一个频率点，实际测得控制系统选用单极子次级源和本发明中的指向性次级声源时，屏障后方选定区域的新增降噪量如图7所示。选用相位调节型指向性次级声源能够取得较好的降噪效果。

Claims (2)

1.一种应用于有源声屏障的指向性次级声源设计方法，其特征是测量初级声场声能量最集中频段的中心频率和初级声场的空间分布特性，调节次级声源中两个扬声器单元的相位差，改变次级声源的指向性，使有源声屏障控制系统达到比同等条件下单极子次级声源好的降噪效果；

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；选取频率响应接近的两个扬声器单元作为次级声源中单元1（靠近屏障顶部）与单元2（远离屏障顶部），两个扬声器单元被设计的相位调节电路和功率放大电路驱动，构成指向性次级声源；

初级声源S位于屏障左侧，个控制源位于屏障顶部，个误差传声器等间距分布在屏障后方，传声器所在的直线与屏障及地面平行；考虑地面反射，第个误差传声器位置处的总声压为：

(1)

式中第一项为初级声源及其镜像源在误差传声器处的声压，和分别为控制源及其镜像源到误差传声器的传输阻抗，为第组次级源的源强；选取个误差传声器处的声压平方和最小作为有源噪声控制系统的目标函数：

(2)

为正实数，它的存在使传声器的声压幅度平方和不一定能达到最小值，但增加了系统的稳定性；为次级源的源强矩阵；取最小值时控制源的最优源强矩阵为：

(3)

式中为次级源到误差传声器的阻抗传输矩阵，为的共轭转置矩阵，为单位矩阵；求得控制源体积速度后，可由式(1)求得声影区空间任一点在控制后的总声压为；则声屏障后方声影区由于有源控制系统的引入所带来的新增降噪量为：

(4)

在初级声源位置或初级声场分布特性已知的情况下，可选定范围，按(1)-(3)式计算不同时的最优源强和对应的降噪量；将降噪量最大时对应的值作为次级声源的最优参数，并记为；

在初级声场特性无法确切获得的情况下，可估计初级噪声源与屏障顶部的连线与屏障的夹角；据此选取两个扬声器单元之间的相位差；初级声源离屏障越远，值越大，要求两个扬声器单元的相位差值也较大，对应的值较小；一般而言，对于频率不高于500 Hz的情况下，值在 [1.50, 2.50] 范围内取值。

2.根据权利要求1所述的一种应用于有源声屏障的指向性次级声源设计方法，其特征在于相位调节通过模拟电路实现；若参数，声源的声压分布表现出偶极子的指向特性；当，声压分布呈现出三极子的心形指向特性；当时，声场指向性介于三极子和单极子之间；当时，声场指向性介于三极子和偶极子之间。