CN108597491A - 一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置 - Google Patents

一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，该装置由通风管道、噪声信号采集单元、抵消信号发声单元和自适应控制器组成。其中通风管道由管道基体、风扇固定基座、信号发声单元基座、自适应控制器基座和麦克风固定支架构成。本发明的优点在于该管道装置构造简单、通用性强，可以有效降低管道风扇的中低频噪声及部分高频噪声成分。

Description

一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置
技术领域
本发明涉及主动降噪领域，更具体的是，本发明涉及一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，适用于对风扇噪声的主动控制。
背景介绍
风扇被广泛应用于工业、民居等诸多领域，主要用于设备的辅助散热、空间的通风换气等。随着高转速风扇应用的日益广泛，风扇噪声问题越来越受关注。目前，针对风扇降噪的主要方式是采用被动降噪的方法，即通过管道外壁覆盖吸声材料、优化扇叶形状等方式来降低风扇噪声，但该方法通常存在成本高、中低频降噪效果差等弊端。而主动降噪技术则可以在不改变风扇结构的基础上对风扇噪声中1000HZ以下的中低频噪声进行有效控制，且控制效果十分显著。
风扇噪声主要包括电机的电磁噪声、部件的机械噪声和扇叶的气动噪声，其中扇叶的气动噪声占主要地位。气动噪声又可分为由扇叶旋转引起的旋转噪声和由空气旋涡引起的涡流噪声两种。旋转噪声具有离散的频率特性，由基频和高阶次谐波共同构成，其中基频由风扇转速和扇叶数量共同决定。当风扇处于高速、低负荷工况下时，旋转噪声尤为突出，但该噪声的频域特性表现为中低频特性。
涡流噪声主要由紊流边界层及其脱离所引起的气流压力所引起，它由来流紊流噪声、脱体涡流噪声和紊流边界层噪声三部分构成。涡流噪声是一种没有基频的宽频带噪声，噪声的频域特性表现为中高频特性。
申请专利《一种主动降噪的风扇装置》(CN 104141638A)公开了一种主动降噪的风扇装置，该装置由外形为圆形的腔体组件构成，腔体组件内设置有降噪装置和风扇固定结构。其中所述降噪扬声器通过降噪扬声器固定组件安置于圆形腔体内部，且能在风扇风道内沿着导轨移动。但该扬声器的放置位置却阻挡了管道风扇的进排风，直接降低了风扇的使用效果。
发明内容
本发明提供一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，相比于传统的主动降噪管道装置，该管道装置可有效提升风扇噪声的控制效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明公开一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，该装置由通风管道、噪声采集单元、信号发声单元和自适应控制器组成。所述通风管道由管道基体、风扇固定基座、信号发声单元基座、自适应控制器基座和麦克风固定支架组成。
所述噪声采集单元包括参考信号采集麦克风和残余信号采集麦克风，前者布置于临近风扇的位置，用于对风扇噪声的采集；后者布置于临近管道口的位置，用于对主动降噪后的残余噪声信号进行采集；且所有麦克风均套有海绵防风罩，以提高声音的采集品质；
所述信号发声单元由2-6个扬声器组成，其用于发出自适应控制器所产生的抵消音频信号，所有扬声器呈环形阵列固定于信号发声单元基座上，且扬声器开口朝向管道口；
所述噪声采集单元和信号发声单元可根据实际应用情形，选择仅布置于管道风扇的进风口一侧或出风口一侧，即仅实现其中任意一侧的主动降噪；选择布置于管道风扇的两侧，同时实现进风口处与出风口处的主动降噪；
所述自适应控制器由以DSP芯片为核心的最小系统和A/D转换器、D/A转换器以及功率放大器共同构成，其用于依据参考信号采集麦克风采集的风扇噪声信号来计算出抵消音频信号；
所述管道基体采用变截面环形薄壁结构，包括A截面环形薄壁管道与B截面环形薄壁管道两部分，且前者的管道内径大于后者的管道内径，二者内径差的参考范围为20cm-30cm；
所述风扇固定基座位于A截面环形管道的中间段位置，且与该管道内壁过盈配合，其可实现对风扇的有效固定；
所述信号发声单元基座位于A截面环形管道与B截面环形管道的分界处，且该基座的外径与A截面环形管道的内径相等，该基座的内径与B截面环形管道的内径相等；同时，该基座与A截面环形管道的内壁过盈配合；
所述自适应控制器安装基座固定于B截面环形管道的外围，用于对自适应控制器的有效固定；
所述麦克风固定支架为细杆状结构，支架的一端用于对参考信号采集麦克风和残余信号采集麦克风进行固定，支架另一端用于与管道壁的固连，且用于对参考信号采集麦克风固定的支架距风扇的水平距离参考值为8-20cm，用于对残余信号采集麦克风固定的支架距临近管道口的水平距离参考值为5-10cm；
所述管道基体的内表面贴附有一层1-3cm厚度的吸音海绵，该吸音海绵能够对管道内风扇噪声的中高频部分进行适当抑制。
附图说明
为更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通人员来讲，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它附图。
图1为本发明实施例1所提供的管道装置的剖面示意图；
图2为本发明实施例1中所提供的管道装置的正视图；
图3为本发明实施例2所提供的管道装置的剖面示意图；
图4为本发明所提供管道装置主动降噪各部件的连接图；
图5为本发明实施例中所采用的主动降噪算法框图。
附图标记说明：
1—管道基体 2—残余信号采集麦克风 3—参考信号采集麦克风 4—扬声器
5—自适应控制器 6—吸音海绵 7—风扇 1-1—A截面环形薄壁管道
1-2—B截面环形薄壁管道 1-3—信号发声单元基座 1-4—风扇固定基座
1-5—麦克风固定支架 1-6—自适应控制器基座
具体实施方式
为使本发明的具体实施例的目的、技术方案与优点更加清楚，现结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。
实施例1：
根据实际应用场景，若需对管道风扇进风口与出风口两侧同时均进行主动降噪，则管道装置的结构如附图1和附图2所示，在管道风扇的两侧具有完全对称的主动降噪装置。该装置由通风管道、噪声采集单元、信号发声单元和自适应控制器组成。所述通风管道由管道基体1、信号发声单元基座1-3、风扇固定基座1-4、麦克固定支架1-5和自适应控制器基座1-6组成；管道基体由A截面环形薄壁管道1-1与B截面环形薄壁管道1-2两部分构成，且二者内径差为26cm。
噪声采集单元中的残余信号采集麦克风2布置于接近管道口的位置；参考信号采集麦克风3布置于风扇附近位置；信号发声单元由4个扬声器组成，所有扬声器呈环形阵列固定于信号发声单元基座1-3上，且扬声器开口朝向管道口；自适应控制器5是以DSP芯片为核心的最小系统和A/D转换器、D/A转换器以及功率放大器共同构成；风扇固定基座1-4位于A截面环形管道1-1的中间段位置，且与该管道过盈配合；信号发声单元基座1-3位于A截面环形管道1-1与B截面环形管道1-2的分界处，且该基座的外径与A截面环形管道1-1的内径相等，均为120cm，该基座的内径与B截面环形管道1-2的内径相等，均为94cm；自适应控制器安装基座1-6固定于B截面环形管道1-2的外围部分，用于对自适应控制器的固定；所述管道基体1的内表面贴附有2cm厚度的吸音海绵，用于对管道内风扇噪声的中高频成分进行抑制。在其它应用场景中，B截面环形管道的内径由目标风扇的尺寸来综合确定。
主动降噪各主要部件的连接关系如附图4所示，噪声主动控制过程为：当风扇7运转时，参考信号采集麦克风3实时采集风扇噪声信号，并传送至自适应控制器5，在自适应控制器中，该音频信号经A/D转换器后转变为数字信号并传送给最小相位系统，经最小相位系统实时计算后输出抵消信号，并将该信号经D/A转换器转变为音频信号后，经功率放大器放大后驱动扬声器4发出；同时，残余信号采集麦克风不断采集管道口附近的残余噪声信号，并将该信号反馈给最小相位系统，以完成主动降噪算法中滤波器权系数的更新，进而实现风扇噪声的实时控制。
在该实施例中所述自适应控制器采用离线的声通道系数辨识算法及FxLMS主动噪声控制算法。FxLMS算法的框图如附图5所示。
其中x(n)为参考信号采集麦克风采集的风扇噪声信号，e(n)为残差信号采集麦克风采集的残余噪声信号，P(z)为从风扇到残差信号采集麦克风间的声通道系数，S(z)为从误差信号麦克风到扬声器间的声通道系数，S'(z)为其估计值，在此处，S'(z)通过随机白噪声离线辨识得出，y(n)为扬声器发出的抵消声音信号，经过估计的声通道S'(z)滤波后的参考噪声信号为：
xf(n)＝S'(z)·x(n)
扬声器发出的抵消声音信号为：
y(n)＝WT(n)·x(n)
其中W(n)为滤波器的更新权系数，且其采用LMS算法实时更新，更新公式如下：
W(n+1)＝W(n)+2μ·e(n)·xf(n)
其中W(n+1)为下一时刻的滤波器权系数，μ为常量收敛因子，可根据实际情况下进行调整。通过滤波器权系数的不断更新，DSP芯片实时计算抵消噪声信号的大小并通过扬声器发出。
实施例2：
根据实际应用场景，若仅需对管道风扇的进风口一侧或出风口一侧进行主动降噪，则管道装置的结构如附图3所示。实施例2与实施例1的不同之处在于，该实施例中的管道装置仅在管道风扇的一侧具有主动降噪装置，而另一侧则无主动降噪装置。除此之外，实施例2所示管道装置的结构及控制方法与实施例1基本一致。
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下，可以对本发明进行多种改进或改型，如扬声器的数量可以为2-6个，甚至更多；麦克风安放支架的位置可以根据实际情况来调整，即参考信号采集麦克风与风扇间的水平距离和残余信号采集麦克风与临近管道口间的水平距离均可根据实际情况调整，这些均被视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于，该装置由通风管道、噪声采集单元、信号发声单元和自适应控制器组成；所述通风管道由管道基体、风扇固定基座、信号发声单元基座、自适应控制器基座和麦克风固定支架组成。
2.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述噪声采集单元包括参考信号采集麦克风和残余信号采集麦克风，前者布置于临近风扇的位置，用于对风扇噪声的采集；后者布置于临近管道口的位置，用于对主动降噪后的残余噪声信号进行采集；且所有麦克风均套有海绵防风罩，以提高声音的采集品质。
3.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述信号发声单元由2-6个扬声器组成，其用于发出自适应控制器所产生的抵消音频信号，所有扬声器呈环形阵列固定于信号发声单元基座上，且扬声器开口朝向管道口。
4.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述噪声采集单元和信号发声单元可根据实际应用情形，选择仅布置于管道风扇的进风口一侧或出风口一侧，即仅实现其中任意一侧的主动降噪；选择布置于管道风扇的两侧，同时实现进风口处与出风口处的主动降噪。
5.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述管道基体采用变截面环形薄壁结构，包括A截面环形薄壁管道与B截面环形薄壁管道两部分，且前者的管道内径大于后者的管道内径，二者内径差的参考范围为20cm-30cm。
6.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述风扇固定基座位于A截面环形管道的中间段位置，且与该管道内壁过盈配合，其可实现对风扇的有效固定。
7.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述信号发声单元基座位于A截面环形管道与B截面环形管道的分界处，且该基座的外径与A截面环形管道的内径相等，该基座的内径与B截面环形管道的内径相等；同时，该基座与A截面环形管道的内壁过盈配合。
8.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述自适应控制器安装基座固定于B截面环形管道的外围，用于对自适应控制器的固定。
9.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述麦克风固定支架为细杆状结构，支架的一端用于对参考信号采集麦克风和残余信号采集麦克风进行固定，支架另一端用于与管道壁的固连，且用于对参考信号采集麦克风固定的支架距风扇的水平距离参考值为8-20cm，用于对残余信号采集麦克风固定的支架距临近管道口的水平距离参考值为5-10cm。
10.根据权利要求1所述的一种可实现风扇噪声主动控制的管道装置，其特征在于所述管道基体的内表面贴附有一层1-3cm厚度的吸音海绵，该吸音海绵能够对管道内风扇噪声的中高频部分进行适当抑制。
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