CN107786926A - 一种针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声结构及其设计方法，该结构为电感L1，电容C1，负电阻‑RE1串联构成的分支电路1，与电感L2，电容C2，负电阻‑RE2串联构成的分支电路2……与电感LN，电容CN，负电阻‑REN串联构成的分支电路N相并联，串联负电阻‑RE构成分流电路后并联在动圈式扬声器单元两端。该吸声结构基于分流扬声器进行设计，其中分流电路的各分支谐振回路可以相互独立地设计，针对低频处的多个单频频率分量，可实现较好的吸收，且结构的厚度仅取决于扬声器单元。
Description
一、技术领域
本发明提出了一种针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声结构及其设计方法。
二、背景技术
有调噪声含有明显的基频和伴随着基频和谐波的噪声，不属于宽带噪声，是含有多个单频分量的噪声。
传统吸声处理主要使用多孔吸声材料和共振吸声结构。多孔吸声材料对低频吸声性能较差，且通常会导致环境污染。亥姆霍兹共鸣器的共振很尖锐，在共振频率吸声能力非常强，一旦偏离该频率，吸声系数就迅速降低，所以它适合于单频吸声。利用多个亥姆霍兹共振器的组合，可以实现多个固定频率的吸声。但每增加一个固定频率的吸声，则需增加吸声结构的尺寸。穿孔板、微穿孔板配合空气背腔使用，可对一定带宽的噪声有着较好的吸声效果，但频率越低，所需的背腔深度越大。
中国公开专利CN101962980A描述了一种多亥姆霍兹共振器并联型蜂窝夹芯木质吸声板，扩展了腔室容积，具有较宽的吸声频带和较好的中高频率吸声性能，但低频吸声效果较差。中国公开专利CN202093817描述了一种由穿孔板、共振板、弹簧构成的复合吸声结构，吸声频带拓展到低频范围，但200Hz以下吸声效果较差。CN203895113U针对变压器发出的100IIz和200Hz噪声，提出了一种由微穿孔共振吸声在前、薄板共振吸声结构在后的双层低频共振吸声结构，但板间空气层厚度较大。CN102044239描述了一种穿孔板与共振腔组成的共振吸声结构，能自适应调节腔体深度改变低频吸声性能，但自适应调节设备比较复杂。
声电换能器可将声能转化为电能，与分流电路结合，可使转化后的电能在分流电路中转化为内能，从而实现对声能量的吸收。由于分流电路占用空间较小，吸声结构的整体厚度主要取决于换能器的厚度，因此基于分流技术可设计薄型的结构，实现有效的低频声吸收。
中国公开专利CN103559877A描述了一种基于分流扬声器吸声器和微穿孔板的复合吸声结构，低频吸声效果好，但仅针对宽频吸声；CN104078037A描述了一种基于分流扬声器的低频双共振吸声结构，在100Hz和200Hz的吸声系数均大于0.9。实际的变压器噪声不仅仅局限在100Hz和200Hz，在300Hz或者其他高次谐波附近有时也会出现较大的声压值。本发明基于分流扬声器提出了一种新型的吸声结构，仅通过分流电路的设计即可实现低频处多个固有频率噪声的有效吸收。该吸声结构整体厚度主要取决于扬声器单元的厚度，具有结构薄和吸声频率方便调整的特点。
三、发明内容
1、发明目的：本发明提出了一种针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声结构及其设计方法。
2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声体由动圈式扬声器单元及封闭背腔(11)，负电阻-RE(10)，电感L1(1)，电容C1(2)，负电阻-RE1(3)，电感L2(4)，电容C2(5)，负电阻-RE2(6)……电感LN(7)，电容CN(8)，负电阻-REN(9)构成，其中N≥2；所述的电感L1(1)，电容C1(2)，负电阻-RE1(3)串联构成的分支电路1，与电感L2(4)，电容C2(5)，负电阻-RE2(6)串联构成的分支电路2……与电感LN(7)，电容CN(8)，负电阻-REN(9)串联构成的分支电路N相并联，串联负电阻-RE(10)构成分流电路后并联在动圈式扬声器单元(11)两端，如图1所示。
将动圈式扬声器的电学部分与力学部分折算至声学部分后类比线路图如图2所示，扬声器振膜处的等效声阻抗率为：
式中，Rms为扬声器的等效力阻，Mms为扬声器的等效质量，Cms为扬声器的等效力顺，S为扬声器振膜有效面积，ω为角频率，j为复数符号，Cac＝V/ρ0c0 2，ρ0为空气密度，c0为空气内声速，V为背腔的有效体积，B为扬声器磁隙中的磁通量密度，l为磁场中音圈导线长度，RE为音圈直流电阻，Zs为分流电路的阻抗，L1和C1分别为分支电路1的电感和电容，L2和C2分别为分支电路2的电感和电容，LN和CN分别为分支电路N的电感和电容。
Z由N+1个部分构成，机械部分引起的声阻抗，分支电路1引起的声阻抗，分支电路2引起的声阻抗......分支电路N引起的声阻抗。其中机械部分的共振频率为，
各分支电路的共振频率为，
由公式(1)可以看出各谐振支路的声抗特性为：当频率f小于谐振频率fb1或fb2......或fbN时，各谐振回路引起的声抗大于0；当频率f大于谐振频率fb1或fb2......或fbN时，各谐振回路引起的声抗小于0；且频率f一旦远离谐振频率f1或f2......或fbN时，各谐振回路引起的声抗迅速衰减，所以各分支电路之间的影响很小，因此可以单独设计各分支电路。
正入射吸声系数为
式中，Re(Z)和Im(Z)分别为声阻抗Z的实部与虚部。
图3为f0＜fb1＜fb2＜......＜fbN状况时机械部分、分支电路1、分支点路2、......、分支点路N贡献的归一化声抗和吸声系数图，当f＜f0，N个分支电路贡献的声抗均大于0，机械部分贡献的的声抗小于0。因此，当f＜f0，会存在某一个频率，使得扬声器振膜处的总的声抗为0，即出现一个吸声峰。当fbn-1＜f＜fbn(n≥2)，分支电路n、......、分支点路N和机械部分贡献的声抗均大于0，分支电路1、......、分支点路n-1引起的声抗小于0。因此，当fbn-1＜f＜fbn，会存在某一个频率，使得扬声器振膜处的总的声抗为0，即出现第n个吸声峰。当f＞fbN，分支电路1、......、分支点路N贡献的声抗均小于0，机械部分贡献的声抗大于0。因此，当f＞fbN，会存在某一个频率，使得扬声器振膜处的总的声抗为0，即出现第N+1个吸声峰。同样地分析fb1＜......＜fbn-1＜f0＜fbn＜......＜fbN及fb1＜......＜fbN＜f0共N种状况，也都会出现N+1个吸声峰。
特别地针对低频处的噪声，以3个单频频率为例进行设计，设定3个目标频率：f1，f2，f3，本发明依据第二种状况fb1＜f0＜fb2进行设计，按以下步骤实现：
(1)查阅产品说明书，选择共振频率f0在f1～f2之间，等效力阻Rms满足Rms/Sρ0c0≈1的闭箱扬声器，测量该扬声器的TS参数以及箱体背腔的体积V；
(2)使用负阻抗转换器实现负电阻-RE，其中RE为扬声器单元的直流阻；
(3)设计电感L1、电容C1和负电阻-RE1的初值；
初始设置电感L1、电容C1，使该谐振回路的共振频率fb1在f1～f0之间，将负电阻-RE、电感L1、电容C1、负电阻-RE1串联构成分流电路，连接在动圈式扬声器单元两端，扬声器振膜处的声阻抗Z为，
代入公式(4)，观察计算获得的吸声系数，若第一个吸声峰对应的频率小于f1，减小电感L1或电容C1；若该频率大于f1，则增加电感L1或电容C1，使第一个吸声峰出现在f1，测量电感L1的直流阻RE1，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE1。
(5)设计电感L2、电容C2和负电阻-RE2的初值；
初始设置电感L2、电容C2，使该谐振回路的共振频率fb2在f2～f3之间，将负电阻-RE、电感L2、电容C2、负电阻-RE2串联构成分流电路后，连接在动圈式扬声器单元两端，扬声器振膜处的声阻抗Z为，
代入公式(4)，观察计算获得的吸声系数，若吸声系数的第二个吸声峰对应的频率小于f3，减小电感L2或电容C2；若该频率大于f3，增加电感L2或电容C2，使第二个吸声峰出现在f3，测量电感L2的直流阻RE2，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE2。
(6)联调电感L1、电容C1、负电阻-RE1或电感L2、电容C2、负电阻-RE2；
将电感L1，电容C1，负电阻-RE1串联构成的分支电路1，与电感L2，电容C2，负电阻-RE2串联构成的分支电路2相并联，串联负电阻-RE构成分流电路，连接在动圈式扬声器单元两端，扬声器振膜处的声阻抗Z如公式(1)所示，代入公式(4)，观察计算获得的吸声系数，若第二个吸声峰对应的频率低于f2，减小电感L1、电容C1或电感L2、电容C2；若该频率高于f2，增加电感L1、电容C1或电感L2、电容C2，使第二个吸声峰对应的频率在f2，测量电感L1的直流阻RE1，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE1，测量电感L2的直流阻RE2，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE2。
(7)微调各电路参数：电感L1、电容C1、负电阻-RE1，电感L2、电容C2、负电阻-RE2，使f1，f2，f3处的吸声系数均大于0.9。
3、有益效果：本发明与现有技术相比，提出了一种新的薄型分流扬声器，可以相对独立地设计各分支电路，针对低频处的多个单频频率分量，可实现较好的吸收。
四、附图说明
图1是针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声体的示意图。
图2是该吸声结构电力声类比线路图。
图3是f0＜fb1＜fb2＜......＜fbN状况时机械部分、分支电路1、分支点路2、......、分支点路N贡献的归一化声抗和吸声系数图。
图4是实施例中实测的吸声系数图。
五、具体实施方式
下面以变压器低频处的3个特定频率分量为例：f1＝100Hz，f2＝200Hz，f3＝300Hz，对本发明作详细说明。
1、根据技术方案中步骤(1)，选择共振频率为173Hz，等效力阻Rms＝4.07kg/s，厚度为7.5cm，纸盆直径为16.5cm的音箱，测量测量扬声器的TS参数：扬声器的直流阻RE＝32Ω，音圈电感LE＝9.56mH，力因子Bl＝17.00T·m，扬声器和空气负载的机械质量Mms＝15.95g，等效力顺Cms＝0.23mm/N，箱体背腔的体积V＝2.2E-3m3。
2、根据技术方案中步骤(2)，搭建NIC负阻抗转换器实现负电阻-RE，抵消扬声器的直流阻。
3、根据技术方案中步骤(3)，负电阻-RE、电感L1、电容C1、负电阻-RE1串联构成分流电路，设计电路参数L1＝40mH、C1＝40uF，fb1＝126Hz，测量电感L1的直流阻为240Ω，调节负电阻-RE1＝-240Ω，抵消电感L1的直流阻，用驻波法测得正入射吸声系数，使得第一个吸声峰对应的频率为100Hz。
4、根据技术方案中步骤(4)，负电阻-RE、电感L2、电容C2、负电阻-RE2串联构成分流电路，设计电路参数L2＝28mH、C2＝14uF，fb2＝254Hz，测量电感L2的直流阻为168Ω，调节负电阻-RE2＝-168Ω，抵消电感L2的直流阻，用驻波法测得正入射吸声系数，得第二个吸声峰对应的频率为299Hz。
5、根据技术方案中步骤(5)，将如上参数的电感L1，电容C1，负电阻-RE1串联构成的分支电路1，与电感L2，电容C2，负电阻-RE2串联构成的分支电路2相并联，串联负电阻-RE构成分流电路，观察吸声系数的第二个吸声峰对应的频率为190Hz，小于200Hz，调节参数增大L1、C1、L2、C2：L1＝35mH、C1＝25uF，L2＝30mH、C2＝15uF，测量电感L1的直流阻为207Ω，调节负电阻-RE1＝-207Ω，抵消电感L1的直流阻；测量电感L2的直流阻为180Ω，调节负电阻-RE2＝-180Ω，抵消电感L2的直流阻，用驻波法测得正入射吸声系数，第二个吸声峰对应的频率为201Hz。
6、根据技术方案中步骤(6)，在设计值附近微调电路参数：L1＝24mH、C1＝35uF，L2＝30mH、C2＝15uF，测量电感L1的直流阻为144Ω，调节负电阻-RE1＝-144Ω，以抵消电感L1的直流阻；测量电感L2的直流阻为180Ω，调节负电阻-RE2＝-180Ω，以抵消电感L2的直流阻。在声学阻抗管的末端安装设计的分流扬声器，使用阻抗法测其垂直入射吸声系数，实测吸声系数如图4所示，在100Hz，200Hz，300Hz处，吸声系数均达到0.9及以上。
本发明针对含多个单频分量的低频噪声提出了一种薄型吸声结构及其设计方法。以变压器噪声低频处的3个单频频率分量100Hz、200Hz、300Hz为例，仅通过分流电路的设计，可以实现有效吸收，且结构的厚度仅取决于扬声器单元。
Claims (5)
1.一种针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声结构，其特征在于电感L1(1)，电容C1(2)，负电阻-RE1(3)串联构成的分支电路1，与电感L2(4)，电容C2(5)，负电阻-RE2(6)串联构成的分支电路2……与电感LN(7)，电容CN(8)，负电阻-REN(9)串联构成的分支电路N相并联，串联负电阻-RE(10)构成分流电路后并联在动圈式扬声器单元(11)两端。
2.一种针对含有多个单频分量的低频噪声的薄型吸声结构的设计方法，其特征在于：针对低频处的各个单频分量分别进行设计；以3个单频频率为例进行设计，设定3个目标频率：f1，f2，f3，按以下步骤实现：
(1)查阅产品说明书，选择共振频率f0在f1～f2之间，等效力阻Rms满足Rms/Sρ0c0≈1的闭箱扬声器，测量该扬声器的TS参数以及箱体背腔的体积V；
(2)使用负阻抗转换器实现负电阻-RE(10)，其中RE为扬声器单元的直流阻；
(3)设计电感L1(1)、电容C1(2)和负电阻-RE1(3)的初值；
(4)设计电感L2(4)、电容C2(5)和负电阻-RE2(6)的初值；
(5)联调电感L1(1)、电容C1(2)、负电阻-RE1(3)或电感L2(4)、电容C2(5)、负电阻-RE2(6)；
(6)微调各电路参数：电感L1(1)、电容C1(2)、负电阻-RE1(3)，电感L2(4)、电容C2(5)、负电阻-RE2(6)，使f1，f2，f3处的吸声系数均大于0.9。
3.根据权利要求2所述的设计电感L1(1)、电容C1(2)和负电阻-RE1(3)初值的方法，其特征在于：初始设置电感L1(1)、电容C1(2)，使该谐振支路的共振频率在f1～f0之间，将负电阻-RE(10)、电感L1(1)、电容C1(2)和负电阻-RE1(3)串联构成分流电路，连接在动圈式扬声器单元(11)两端，计算扬声器振膜处的声阻抗Z，
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式中，Rms是扬声器单元悬置系统的等效力阻，Mms是扬声器单元振动系统的等效质量，Cms是扬声器单元悬置系统的等效力顺，Bl是力电耦合因数，S是等效表面积，后腔的等效声容Cac＝V/ρ0c0 2，其中ρ0是空气的密度，c0是空气的声速，将式(1)代入式(2)计算正入射吸声系数，
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式中，Re(Z)是声阻抗Z的实部，Im(Z)是声阻抗Z的虚部，观察公式(2)计算获得的吸声系数，若第一个吸声峰对应的频率小于f1，减小电感L1(1)或电容C1(2)；若该频率大于f1，增加电感L1(1)或电容C1(2)，使第一个吸声峰出现在f1，测量电感L1(1)的直流阻RE1，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE1(3)。
4.根据权利要求2所述的设计电感L2(4)、电容C2(5)和负电阻-RE2(6)的初值方法，其特征在于：初始设置电感L2(4)、电容C2(5)，使该谐振支路的共振频率在f2～f3之间，将负电阻-RE(10)、电感L2(4)、电容C2(5)和负电阻-RE2(6)串联构成分流电路后，连接在动圈式扬声器单元(11)两端，计算扬声器振膜处的声阻抗Z，
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</mrow>
代入公式(2)，观察计算获得的吸声系数，若吸声系数的第二个吸声峰对应的频率小于f3，减小电感L2(4)或电容C2(5)；若该频率大于f3，增加电感L2(4)或电容C2(5)，使第二个吸声峰出现在f3，测量电感L2(4)的直流阻RE2，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE2(6)。
5.根据权利要求2所述的联调电感L1(1)、电容C1(2)、负电阻-RE1(3)或电感L2(4)、电容C2(5)、负电阻-RE2(6)的方法，其特征在于：将电感L1(1)，电容C1(2)、负电阻-RE1(3)串联构成的分支电路，与电感L2(4)，电容C2(5)、负电阻-RE2(6)串联构成的分支电路相并联，串联负电阻-RE(10)构成分流电路，连接在动圈式扬声器单元(11)两端，计算扬声器振膜处的声阻抗Z，
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</mrow>
代入公式(2)，观察计算获得的吸声系数，若第二个吸声峰对应的频率低于f2，减小电感L1(1)、电容C1(2)或电感L2(4)、电容C2(5)；若该频率高于f2，增加电感L1(1)、电容C1(2)或电感L2(4)、电容C2(5)，使第二个吸声峰出现在f2，测量电感L1(1)的直流阻RE1，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE1(3)，测量电感L2(4)的直流阻RE2，使用负阻抗转换器实现负电阻-RE2(6)。
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Applications Claiming Priority (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230032254A1 (en) * | 2021-07-23 | 2023-02-02 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Asymmetry sound absorbing system via shunted speakers |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0332053A2 (en) * | 1988-03-10 | 1989-09-13 | Yamaha Corporation | Acoustic apparatus |
| CN2250612Y (zh) * | 1996-05-26 | 1997-03-26 | 陈坚胜 | 带陷波器的麦克风(话筒) |
| CN102646414A (zh) * | 2012-05-14 | 2012-08-22 | 南京大学 | 基于微穿孔和腔内共振系统的组合吸声结构 |
| CN103559877A (zh) * | 2013-07-17 | 2014-02-05 | 南京大学 | 一种基于分流扬声器和微穿孔板的复合吸声结构 |
| CN104078037A (zh) * | 2014-07-11 | 2014-10-01 | 南京大学 | 低频双共振吸声结构及其设计方法 |
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2016
- 2016-08-29 CN CN201610778268.7A patent/CN107786926B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20230032254A1 (en) * | 2021-07-23 | 2023-02-02 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Asymmetry sound absorbing system via shunted speakers |
| US11812219B2 (en) * | 2021-07-23 | 2023-11-07 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Asymmetry sound absorbing system via shunted speakers |
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