CN106169293A - 边框式虚拟声屏障 - Google Patents

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王淑萍
陶建成
邱小军
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Abstract

本发明公开了一种边框式虚拟声屏障系统。该系统安装在房间的开口处，由位于开口边框处的2层控制声源、误差传声器、参考传感器、多通道自适应有源控制器、前置放大器和功率放大器组成，可控制房间内声源通过开口向外辐射的噪声。与传统虚拟声屏障相比，该系统只需将控制声源安装在开口的边框处，便于安装，不影响开口的自然通风、采光以及人员和物料的进出。

Description

边框式虚拟声屏障
一、技术领域
本发明涉及一种边框式虚拟声屏障，在房间开口的边框附近布放双层控制声源降低通过开口向外辐射的噪声，系统安装方便，且不影响开口的自然通风采光。
二、背景技术
传统的被动降噪手段包括隔声、吸声等，由于成本、体积和重量的限制，这类方法对低频噪声的控制效果有限。另外，为达到较好的降噪性能，隔声、吸声层往往采用全封闭结构，有时会影响设备的通风散热。在空间受限的条件下，有源噪声控制对低频噪声的治理效果更好。早期研究表明，采用有源噪声控制技术可对变压器噪声中的100Hz、200Hz线谱成分进行有效控制(C.F.Ross，Experiments on the active control of transformernoise，Journal of Sound and Vibration，61，473-480，1978)。CN.201110044461.5公开了一种电力变压器噪声有源控制系统，理想条件下可将误差传声器处的100Hz、200Hz和300Hz线谱成分降至本底噪声量级。CN201110044448.X针对变压器噪声中存在较高线谱成分的特点提出了一种变压器噪声有源控制算法，该算法针对噪声中的特定频率成分，直接合成参考信号，采用离线扰动方法建模，计算量小。
虚拟声屏障是基于边界表面控制原理的一种有源噪声控制技术，即当某区域内不存在声源时，只要其边界上的声压和声压梯度处处为0，则该体积内的声压处处为0(H.Nagamatsu，S.Ise，K.Shikano，Numerical Study of Active Noise Barrier Based onthe Boundary Surface Control Principle，Proceedings of Active 99，585-594，1999)。在声源附近或者噪声传播路径上布放若干控制声源，通过自适应算法更新控制声源的输出，可控制边界上误差传声器处的声压，从而控制误差传声器包围区域内的声场。ZL200510094336.X公开了一种圆柱状虚拟声屏障系统，该系统由16个控制声源和16个误差传声器组成，可以在误差传声器包围的空间内部形成人头大小的有效静区。
以上为三维虚拟声屏障，如果噪声源位于一个开口房间内，且声源主要通过开口向外辐射噪声，此时可在开口面上安装平面有源噪声控制系统，降低开口辐射噪声。CN201410277150.7公开了一种用于变压器低频噪声的虚拟声屏障，该系统中控制声源位于半封闭空间的开口面处，可有效降低通过开口向外辐射的变压器低频噪声中的100Hz和200Hz线谱成分。仿真和实验证明，对一个0.432m×0.670m的开口，均匀布放6个控制声源和12个误差传声器可以对500Hz以下噪声进行有效控制(S.Wang，J.Tao，X.Qiu，Performanceof a planar virtual sound barrier at the baffled opening of a rectangularcavity，Journal of the Acoustical Society of America，138，2836-2847，2015)。与传统有源降噪相比，平面虚拟声屏障需要的通道数更少，系统简单可行，可以稳定实现降噪。平面虚拟声屏障已经保留了开口的部分通风采光功能，但是由于控制声源布放在开口面中间，依然会阻碍开口部分面积，且当控制声源位于同一平面时，部分频率难以收敛，降噪量较小。
本发明针对开口辐射噪声提出在开口附近的边框处安装2层控制声源，利用有源噪声控制技术对通过开口向外辐射的噪声进行控制，控制声源在边框附近，便于安装，不影响开口的通风、采光。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种有源控制方法降低开口辐射噪声，在开口边框附近布放2层控制声源，可实现对开口辐射声的控制。该方法实施方便、安装简单，降噪效果稳定，且不影响光线和空气的自然流通。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
A)测量获取开口的宽度W和高度L；
B)根据开口的宽度W和高度L以及待控频率上限确定每层控制声源的数目N，原则是同一层相邻控制声源的间隔不超过最高控制频率的1/2波长，确定数目后将2N个控制声源均匀分布在开口边框附近，共分为2层，每层N个，2层之间的距离为5cm到10cm，综合考虑扬声器的尺寸后确定最终的布放位置；
C)根据控制声源的数目确定误差传声器的数目和位置，其数目和控制声源相同，可在开口面上均匀分布或布放在开口边框、远场等其他位置；
D)搭建边框式虚拟声屏障系统，包括控制声源、误差传声器、参考传感器、多通道自适应有源控制器、前置放大器和功率放大器。误差传声器的输出经前置放大器放大后作为控制器的输入信号，用参考传感器(传声器或加速度计)拾取与初级噪声相关的信号作为参考信号，控制器产生的输出信号经功率放大器放大后作为控制声源的输入信号控制其发声，系统示意图如图1所示。
本发明的有益效果是：可对开口辐射声进行有效控制，系统安装方便，且不影响房间的自然通风和采光。
四、附图说明
图1是本发明所述的边框式虚拟声屏障示意图。
图2是本发明具体实施例照片。
图3是本发明具体实施例中每层16个控制声源的位置分布情况。
图4是本发明具体实施例中32个误差点的位置分布情况。
图5是本发明具体实施例中降噪前后系统辐射声功率级。
五、具体实施方式
如图2所示，尺寸为0.432m×0.670m×0.598m的矩形有机玻璃箱顶部开口，开口尺寸为0.432m×0.670m。以有机玻璃箱底面的一个顶点为坐标原点，以该顶点处的3条边为坐标轴，在箱体内部(0.1，0.1，0.1)m处放置一扬声器模拟噪声源，使其发出单频信号。
若控制频率上限为1000Hz，其对应的1/2波长为0.17m，故实际布放控制声源时其间隔不超过0.17m。开口大小为0.432m×0.670m，综合考虑控制声源的尺寸(长、宽、高分别为4.4cm、4.4cm和3.0cm)和安装时的实际情况，确定每层布放16个控制声源，每个控制声源中心距开口边框的距离约为3cm，2层控制声源之间间隔为10cm，离开口的距离分别为5cm和15cm，每层16个控制声源在水平面的位置分布见图3。
误差传声器的数目与控制声源相同，为32个，均匀布放在开口面上，见图4。
误差传声器采集到的误差信号经前置放大器放大后作为多通道自适应有源控制器的输入，其输出信号经功率放大器放大后作为控制声源的输入信号控制其发声。有源控制器采用谐波算法，由于模拟噪声源的频率已知，故控制器内部直接合成与初级噪声源相同频率的正弦信号作为参考信号，32通道全耦合控制，采样率fs＝3000Hz，控制前进行离线建模存储次级通道传递函数以备更新时调用。
实验中按照国际标准(ISO 3744：1994 Acoustics-Determination of soundpower levels of noise sources using sound pressure-Engineering method in anessentially free field over a reflecting plane.)中的10点测声功率法进行声功率测量，控制前的声功率级以及控制达到稳定状态后的声功率级见图5。由图5可见，除950Hz和980Hz降噪量较小，分别为11.8dB和13.5dB外，450Hz-1000Hz频段每个频率的降噪量均在15dB以上。
本发明通过在开口面边框处布放双层控制声源对位于开口空间内部声源经开口向外辐射的1000Hz以下噪声实现了有效控制，该系统安装简便，且不影响光线和空气的流通。

Claims (5)

1.一种边框式虚拟声屏障，其特征在于：该系统位于房间的开口附近，由控制声源(1)、误差传声器(2)、参考传感器(3)、多通道自适应有源控制器(4)、前置放大器(5)和功率放大器(6)组成，能有效抑制室内声源通过开口向外辐射的噪声。
2.如权利要求1所述的边框式虚拟声屏障，其中控制声源(1)分为2层布放在开口附近的边框处，层间距取5cm到10cm。
3.如权利要求1所述的边框式虚拟声屏障，其中控制声源(1)为闭箱扬声器，扬声器单元尺寸由初级噪声频谱特征决定，其谐振频率要低于待控最低频率，扬声器朝向为正对房间开口。
4.如权利要求1所述的边框式虚拟声屏障，其中控制声源(1)的数量由开口尺寸和待控频率上限决定，同一层相邻控制声源的间隔不大于待控频率上限对应的1/2波长。
5.如权利要求1所述的边框式虚拟声屏障，其中误差传声器(2)数量与控制声源(1)数量相同，均匀布放在开口面上或布放在开口边框等其他位置。
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