CN107767855B - 一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置 - Google Patents

一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置。它包括一个边长6‑8厘米、深度不小于10厘米的矩形开口和4通道有源降噪系统。降噪系统中，4个次级声源分别安装在开口4个壁面的中心，参考传声器安装在开口中靠近噪声源的一侧，4个误差传声器分别安装在开口中靠近目标降噪区域一侧的4个壁面上，控制器采用前馈自适应算法。控制器控制次级声源的输出，使误差传声器处的声压幅值平方和最小，在开口处截面处形成声学软边界，反射声波降低透射声能量。本发明在满足自然通风和采光的条件下，起到隔声效果，隔声频段宽、效果好、实用性强。

Description

一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置
一、技术领域
本发明涉及一种隔声装置，具体涉及一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置。
二、背景技术
在一些建筑物中，常常需要在墙面上开口以保证通风和透光，而一般的墙面开口并不具有消声降噪功能。在一些应用场合中，由于开口不能消声，会导致噪声透过，形成污染；在另外一些应用场合中，开口会导致语音泄漏，降低房间的语言私密度。
为了提高墙体开口的隔声量，传统的方法是采用被动降噪措施，如在开口中加入吸声材料，从而具有消声功能；或者将开口变为交错结构的通风管道，这样可增加声波从开口一侧传播到另外一侧的距离，提高开口的消声性能。有源噪声控制技术通过“以声消声”的原理消除噪声，在低频段降噪效果好，易于实现，应用很广。针对一些大尺寸的开口，多通道的有源噪声控制技术可以在低频段有较好的降噪性能，如专利“用于变压器低频噪声的虚拟声屏障”(申请号201410277150.7)所述的多通道有源降噪系统，其针对频率为100Hz和200Hz的变压器噪声，有较好的降噪效果。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
(1)对于在开口中添加吸声材料，效果不佳。传统吸声材料对中高频噪声有较好的吸声降噪效果，性能与材料尺度一般呈正相关。由于开口深度有限，铺设在开口内的吸声材料有限，故其降噪效果有限，尤其对低频噪声几乎无法处理。(2)对于将开口变为交错结构的通风管道，其通风性能受交错结构影响效果不如直通结构，此外对于墙体而言，交错结构的管道影响采光性能。(3)对于大尺寸开口的有源消声，由于受到尺寸的影响，很难对500Hz以上频段的噪声进行有效控制。
三、发明内容
为了解决墙面开口的被动降噪在低频段隔声量小、大尺寸开口有源降噪在高频段效果差的问题，本发明提供了一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置。通过在适当大小的开口中安装有源噪声控制系统，在约4000Hz以下，在开口的横截面上可形成声学“软边界”，反射声波，降低透过开口的声能量，达到通风且宽频隔声的目的。
根据本发明，提供一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置，所述隔声装置包括一个矩形开口和4通道有源降噪系统；所述矩形开口的边长d为6-8厘米、深度L不小于10厘米；所述4通道有源降噪系统包括参考传声器、误差传声器、次级声源、控制器。
进一步的，所述参考传声器安装在矩形开口中靠近噪声源一侧，采集来自噪声源的信号，输入到控制器作为参考信号；所述误差传声器由4个传声器组成，分别安装在开口中靠近目标降噪区域一侧的4个壁面上，采集来自噪声源的信号和次级声源发出的声音叠加产生的声音，输入到控制器作为误差信号；所述次级声源由4个扬声器组成，分别安装在开口中4个壁面的中心，接收控制器传来的消声信号，并发出与消声信号对应的声音；所述控制器接收参考信号和误差信号并进行处理，输出消声信号给次级声源，以使误差传声器处的声压幅值平方和最小。
进一步的，该隔声装置安装于建筑物的墙体上，厚度与墙体厚度基本一致。
进一步的，该隔声装置的参考传声器与次级声源的直线距离xrc满足xrc/c＞t0，其中c为空气中的声速，t0为控制器的电路与算法时延。
进一步的，该隔声装置的次级声源分别安装在4个壁面中心，距离开口一端L/2。
进一步的，该隔声装置的控制器采用前馈多通道自适应控制算法。
本发明的有益效果是：(1)在满足隔声需求的情况下，提供通风功能；(2)隔声频带宽，有效的隔声频率上限约4000Hz，对于交通噪声、人声均有很好的降噪效果，也可用于降低语音的泄漏，提高语言私密度；(3)有源控制系统安装在开口内，不影响开口的自然通风和采光，不易受到环境因素的影响；(4)本发明安装方便，对于某一建筑墙体，可根据通风需求增加和减少本发明的隔声装置个数，这些隔声装置可以采用并联的方式应用到墙体上，保证消声性能的同时进一步提高通风量和采光效果，灵活方便。
四、附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图(三维图)；
图2是本发明的结构示意图(侧剖面图)；
图3是本发明的结构示意图(横截面图)；
图4是本发明实施例的噪声控制效果图；
图5是噪声源在误差传声器截面上的声压级分布图(3000Hz)；
图6是单个扬声器作为次级声源在误差传声器截面上的声压级分布图(3000Hz)；
图7是本发明使用四通道系统在误差传声器截面上的声压级分布图(3000Hz)。
五、具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置如图1、图2和图3所示。
该隔声装置包括一个矩形开口1和一个4通道有源降噪系统。其中4通道有源降噪系统包括：参考传声器2、误差传声器3、次级声源4和控制器5。本实施例中，参考传声器2和误差传声器3为驻极体传声器，次级声源4为2英寸扬声器。
所述矩形开口1的边长d为6-8厘米、深度L不小于10厘米。所述隔声装置安装于建筑物的墙体上，厚度与墙体厚度基本一致，即矩形开口1深度与墙体基本一致。本实施例中，矩形开口1的各边边长均为6厘米，深度L为30厘米。
所述参考传声器2安装在矩形开口1中靠近噪声源一侧，采集来自噪声源的信号，输入到控制器5作为参考信号。本实施例中参考传声器2与矩形开口1靠近噪声源一侧端面的距离为x1，x1为3厘米。
所述误差传声器3由4个传声器组成，分别安装在矩形开口1中靠近目标降噪区域一侧的4个壁面上，采集来自噪声源的信号和次级声源4发出的声音叠加产生的声音，输入到控制器5作为误差信号。本实施例中误差传声器3与矩形开口1靠近目标降噪区域一侧端面的距离为x2，x2为6厘米。
所述次级声源4由4个扬声器组成，分别安装在矩形开口1中4个壁面的中心，接收控制器5传来的消声信号，并发出与消声信号对应的声音。本实施例中，次级声源4在深度方向处于矩形开口1的中间，即次级声源4与矩形开口1靠近噪声源一侧端面的距离为L/2，即15厘米。
所述控制器5接收参考信号和误差信号并进行处理，输出消声信号给次级声源4，以使误差传声器3处的声压幅值平方和最小。控制器5采用前馈多通道自适应控制算法。图1为清楚示意本发明各个组成部分的连接关系，控制器5画于矩形开口1外部，实际应用中，控制器5安装于矩形开口1内部，紧贴任一壁面。
图1中箭头表示本发明各个组成部分间有连接线以及标明电信号流向。图2中示意参考传声器2和次级声源4的距离为xrc，次级声源4和误差传声器3的距离为xce。本发明实施例中xrc为12厘米，xce为9厘米。
如图3所示，误差传声器3处的声压pei(i＝1，2，3，4)包含两部分，一是噪声源6产生的声压pnei，二是次级声源4产生的声压pcei，pcei＝pnr·Grci·Zcei，其中pnr为参考传声器3处的声压，Grci为参考传声器2的声压到次级声源4输入电信号的传递函数，Zcei为次级声源4的输入电信号到误差传声器3的声压的传递函数。取pe1、pe2、pe3和pe4幅值平方和最小，可计算出Grci的值。传递函数Zcei在使用前通过离线建模方式测得，pnei由误差传声器3测得，pnr由参考传声器2测得，计算出(pnr·Grci)以驱动次级声源4，使误差传声器3处声压幅值平方最小。
为保证宽频带降噪效果，参考传声器2和次级声源4间的距离xrc应满足下述要求：xrc/c＞t0，其中t0为控制系统存在的电路与算法时延，c为空气中的声速。
衡量本发明性能的参数为NR，即目标降噪区域内观测点7在控制前后声压平方的比值
NR＝10log10[|pn(ri)2|/pt(ri)2|] (1)
其中ri为观测点坐标的位置，pn与pt分别为控制前后观测点处的声压。
以下通过一个实施例的实验来验证本发明的性能。本实施例中，建筑物墙体用3层密度板来模拟，每层密度板厚1.8厘米，每块密度板长110厘米、宽100厘米。矩形开口1位于密度板中心，矩形开口1的长和宽均为6厘米，深度为30厘米。参考传声器2与次级声源4距离xrc为12厘米，次级声源4和误差传声器3距离xce为9厘米。在全消声室进行实验，将3层密度板安装于一个矩形消声箱其中一个表面上，即全消声室表示建筑外部，消声箱表示建筑内部，3层密度板表示建筑物外墙，所述矩形开口1一侧朝向全消声室，另外一侧朝向消声箱。消声箱内侧安装吸声材料和吸声尖劈，尖劈深约40厘米。
实验中，噪声源6为一个6英寸的扬声器，放置于全消声室中，距离开口约48厘米。噪声信号为一组单频信号，频率从200Hz至4000Hz，频率间隔50Hz。播放噪声的时候，分别在有源控制系统关闭、有源系统开启和使用多层密度板堵住矩形开口1三种条件下(使用多层密度板堵住矩形开口1表示建筑物被全密封了)，测得消声箱内观测点2的声压级，结果如图4所示。由图4可知，本发明实施例的有源系统开启后，有源系统的降噪上限频率约为3900Hz；在1800Hz以下频段，本发明实施例在有源控制系统开启的情况下，其隔声效果和堵住矩形开口1基本相当。在2000Hz以上，虽然本发明实施例的有源控制系统的新增降噪量NR小于使用密度板堵住矩形开口1的被动降噪量，但是除了少数频点以外本发明实施例的降噪量都在10dB以上，最大降噪量为40.9dB。即本发明实施例的隔声效果与使用多层密度板堵住矩形开口1使建筑物封闭的隔声效果相仿，但提供了通风和透光。有源降噪系统的降噪上限频率最高可达3900Hz，不仅可用于一般的宽带噪声降噪，而且对人声的泄漏也有很好的抑制效果。
进一步地实验表明，若在矩形开口1内应用单通道有源噪声控制系统，其有效降噪频率上限和降噪量均大幅低于本发明实施例的4通道有源噪声控制系统。原因是4通道有源噪声控制系统产生的次级声场和噪声源产生的初级声场的匹配程度更好，在误差传声器3所在截面形成了更理想的声学软边界。图5是在3000Hz频率下的计算的噪声源在误差传声器3所在截面的声压级分布图，图6和图7分别是单通道和4通道有源噪声控制系统在同一截面产生的次级声场声压级分布图。可见，图7和图5的匹配程度更好，因此，本发明取得了更好的降噪效果，而使用单通道有源噪声控制系统无法达到类似效果。
前面的详细描述只提供了优选实施例，对本发明的范围、使用性或构造不产生任何限制。前面对优选实施例的详细描述只是为了使本领域的技术人员能够实现本发明的优选实施例。应当理解，在不偏离所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围的前提下，可在本发明的各组成部分的功能和布局上进行各种改变。

Claims (3)

1.一种用于墙体通风的有源宽频带隔声装置，其特征在于：
所述隔声装置包括一个矩形开口和4通道有源降噪系统；
所述矩形开口的边长d为6-8厘米、深度L不小于10厘米；
所述4通道有源降噪系统包括参考传声器、误差传声器、次级声源、控制器；
所述参考传声器安装在矩形开口中靠近噪声源一侧，采集来自噪声源的信号，输入到控制器作为参考信号；
所述误差传声器由4个传声器组成，分别安装在开口中靠近目标降噪区域一侧的4个壁面上，采集来自噪声源的信号和次级声源发出的声音叠加产生的声音，输入到控制器作为误差信号；
所述次级声源由4个扬声器组成，分别安装在开口中4个壁面的中心，接收控制器传来的消声信号，并发出与消声信号对应的声音；
所述控制器接收参考信号和误差信号并进行处理，输出消声信号给次级声源，以使误差传声器处的声压幅值平方和最小；
该装置安装于建筑物的墙体上，厚度与墙体厚度基本一致；
次级声源分别安装在4个壁面中心，距离开口一端L/2；
误差传声器处的声压pei(i＝1，2，3，4)包含两部分，一是噪声源产生的声压pnei，二是次级声源产生的声压pcei，pcei＝pnr·Grci·Zcei，其中pnr为参考传声器处的声压，Grci为参考传声器的声压到次级声源输入电信号的传递函数，Zcei为次级声源的输入电信号到误差传声器的声压的传递函数，取pe1、pe2、pe3和pe4幅值平方和最小，可计算出Grci的值，传递函数Zcei在使用前通过离线建模方式测得，pnei由误差传声器测得，pnr由参考传声器测得，计算出(pnr·Grci)以驱动次级声源，使误差传声器处声压幅值平方最小。
2.如权利要求1所述的隔声装置，其特征在于：参考传声器与次级声源的直线距离xrc满足xrc/c＞t0，其中c为空气中的声速，t0为控制器的电路与算法时延。
3.如权利要求1所述的隔声装置，其特征在于：控制器采用前馈多通道自适应控制算法。
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