CN107786926B - 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 - Google Patents

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的设计方法，该设计方法基于分流扬声器，针对任意N个单频分量都可以实现较好的吸声效果。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N个目标吸声频率，仅需设计N‑1个共振支路；每个目标频率处的频率偏差均满足所设定的需求。

Description

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

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的设计方法。

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100Hz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的设计方法。

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-R_E(10)，电感L₁(1)，电容C₁(2)，负电阻-R_E1(3)，电感L₂(4)，电容C₂(5)，负电阻-R_E2(6)……电感L_N(7)，电容C_N(8)，负电阻-R_EN(9)构成，其中N≥2；所述的电感L₁(1)，电容C₁(2)，负电阻-R_E1(3)串联构成的分支电路1，与电感L₂(4)，电容C₂(5)，负电阻-R_E2(6)串联构成的分支电路2……与电感L_N(7)，电容C_N(8)，负电阻-R_EN(9)串联构成的分支电路N相并联，串联负电阻-R_E(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，R_ms为扬声器的等效力阻，M_ms为扬声器的等效质量，C_ms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，C_ac＝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，R_E为音圈直流电阻，Z_s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，L_N和C_N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f_b1或f_b2......或f_bN时，各谐振回路引起的声抗大于0；当频率f大于谐振频率f_b1或f_b2......或f_bN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f_bN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＜f_b1＜f_b2＜......＜f_bN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f_bn-1＜f＜f_bn(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f_bn-1＜f＜f_bn，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＞f_bN，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＞f_bN，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f_b1＜......＜f_bn-1＜f₀＜f_bn＜......＜f_bN及f_b1＜......＜f_bN＜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f_b1＜f₀＜f_b2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R_ms满足R_ms/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-R_E，其中R_E为扬声器单元的直流阻；

(3)设计电感L₁、电容C₁和负电阻-R_E1的初值；

初始设置电感L₁、电容C₁，使该谐振回路的共振频率f_b1在f₁～f₀之间，将负电阻-R_E、电感L₁、电容C₁、负电阻-R_E1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R_E1，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E1。

(5)设计电感L₂、电容C₂和负电阻-R_E2的初值；

初始设置电感L₂、电容C₂，使该谐振回路的共振频率f_b2在f₂～f₃之间，将负电阻-R_E、电感L₂、电容C₂、负电阻-R_E2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R_E2，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E2。

(6)联调电感L₁、电容C₁、负电阻-R_E1或电感L₂、电容C₂、负电阻-R_E2；

将电感L₁，电容C₁，负电阻-R_E1串联构成的分支电路1，与电感L₂，电容C₂，负电阻-R_E2串联构成的分支电路2相并联，串联负电阻-R_E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R_E1，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E1，测量电感L₂的直流阻R_E2，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E2。

(7)微调各电路参数：电感L₁、电容C₁、负电阻-R_E1，电感L₂、电容C₂、负电阻-R_E2，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＜f_b1＜f_b2＜......＜f_bN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R_ms＝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R_E＝32Ω，音圈电感L_E＝9.56mH，力因子Bl＝17.00T·m，扬声器和空气负载的机械质量M_ms＝15.95g，等效力顺C_ms＝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-R_E，抵消扬声器的直流阻。

3、根据技术方案中步骤(3)，负电阻-R_E、电感L₁、电容C₁、负电阻-R_E1串联构成分流电路，设计电路参数L₁＝40mH、C₁＝40uF，f_b1＝126Hz，测量电感L₁的直流阻为240Ω，调节负电阻-R_E1＝-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-R_E、电感L₂、电容C₂、负电阻-R_E2串联构成分流电路，设计电路参数L₂＝28mH、C₂＝14uF，f_b2＝254Hz，测量电感L₂的直流阻为168Ω，调节负电阻-R_E2＝-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-R_E1串联构成的分支电路1，与电感L₂，电容C₂，负电阻-R_E2串联构成的分支电路2相并联，串联负电阻-R_E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-R_E1＝-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-R_E2＝-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-R_E1＝-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-R_E2＝-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的设计方法。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 (1)

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的设计方法，其特征在于多频吸声结构由电感L₁(1)、电容C₁(2)、负电阻-R_E1(3)串联构成的分支电路1，与电感L₂(4)、电容C₂(5)、负电阻-R_E2(6)串联构成的分支电路2......与电感L_N(7)、电容C_N(8)、负电阻-R_EN(9)串联构成的分支电路N相并联，串联负电阻-R_E(10)构成分流电路后连接在动圈式扬声器单元(11)两端，针对低频处的3个单频分量进行设计，设定3个目标频率：f₁、f₂、f₃，它的设计流程如下：

步骤一、查阅产品说明书，选择开路共振频率f₀在目标频率f₁与f₂之间，等效力阻R_ms满足R_ms/Sρ₀c₀≈1的闭箱扬声器，其中ρ₀是空气的密度，c₀是空气的声速，S是等效表面积，测量该扬声器的TS参数以及箱体背腔的体积V；

步骤二、使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E(10)，其中R_E为扬声器单元的直流阻；

步骤三、设计电感L₁(1)、电容C₁(2)和负电阻-R_E1(3)的初值：

初始设置电感L₁(1)、电容C₁(2)，使谐振支路的共振频率

在目标频率f₁与开路共振频率f₀之间，将负电阻-R_E(10)、电感L₁(1)、电容C₁(2)和负电阻-R_E1(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，

式中，R_ms是扬声器单元悬置系统的等效力阻，M_ms是扬声器单元振动系统的等效质量，C_ms是扬声器单元悬置系统的等效力顺，ω为角频率，j为复数符号，Bl是力电耦合因数，后腔的等效声容C_ab＝V/ρ₀c₀ ²，将式(1)代入式(2)计算正入射吸声系数，

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，若第一个吸声共振频率小于目标频率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目标频率f₁处，测量电感L₁(1)的直流阻R_E1，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E1(3)；

步骤四、设计电感L₂(4)、电容C₂(5)和负电阻-R_E2(6)的初值：

初始设置电感L₂(4)、电容C₂(5)，使该谐振支路的共振频率

在目标频率f₂与f₃之间，将负电阻-R_E(10)、电感L₂(4)、电容C₂(5)和负电阻-R_E2(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，

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共振频率小于目标频率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目标频率f₃处，测量电感L₂(4)的直流阻R_E2，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E2(6)；

步骤五、联调电感L₁(1)、电容C₁(2)、负电阻-R_E1(3)或电感L₂(4)、电容C₂(5)、负电阻-R_E2(6)：

将电感L₁(1)，电容C₁(2)、负电阻-R_E1(3)串联构成的分支电路，与电感L₂(4)，电容C₂(5)、负电阻-R_E2(6)串联构成的分支电路相并联，串联负电阻-R_E(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，

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目标频率f₂处，测量电感L₁(1)的直流阻R_E1，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E1(3)，测量电感L₂(4)的直流阻R_E2，使用负阻抗转换器实现负电阻-R_E2(6)；

步骤六、微调各电路参数：电感L₁(1)、电容C₁(2)、负电阻-R_E1(3)，电感L₂(4)、电容C₂(5)、负电阻-R_E2(6)，使目标频率f₁，f₂，f₃处的吸声系数均大于0.9。

Images