CN108825922B - 一种数字溢流式充液管路有源消声装置及其消声方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字溢流式充液管路有源消声装置，包括主管道、上游法兰、下游法兰、壳体以及位于壳体内的旁通管、复数条旁支管、复数个电控阀门、排水管、用于控制电控阀门开关的主控制器、水听器，壳体固定于主管道的外侧壁上，旁通管的一端固定于主管道的侧壁上且与主管道相通，各旁支管的一端与旁通管连通，另一端均连接至排水管，排水管的排水口固定于壳体上，各旁支管上均设置一电控阀门，各电控阀门均电连接至主控制器，水听器固定于主管道的侧壁上且水听器的传感头位于主管道内，水听器的输出端连接主控制器。本发明以控制流体速度脉动的方式向管内辐射反相声波，从而具有更高的低频声发射性能，更小的体积，更大的静态压承受力。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字溢流式充液管路有源消声装置及其消声方法，属于噪声控制技术领域。
背景技术
充液管路系统可以在很大的温度和压力范围内传递能量流、动量流或质量流，在各工业领域得到了广泛应用并发挥着重要作用，如液压管路、冷却水管路、输油管路等。充液管路系统一般通过离心泵、往复泵等机构驱动流体，当该旋转或往复机构产生的流量脉动在管路中传递时，受管路及负载阻抗的影响，管路内流体将产生压力脉动，具体表现为流体中的动力噪声。该噪声能量主要分布于低频段，且一般具有显著的线谱特征。当上述噪声频率接近管路系统的固有频率时，管路及其组件将发生较强的谐振致使其疲劳破坏，从而严重影响充液管路系统的工作可靠性；同时，管路内的低频线谱噪声可通过管口向外部流体中辐射，形成可远距离传播的显著特征，从而更容易被外界捕捉和探测，因此，充液管路低频线谱噪声的控制具有重要意义。
管路消声器是抑制管内流体噪声的有效手段，主要可分为被动消声和主动消声两大类。由于液体中声速较高、波长较大，要取得令人满意的效果被动消声器一般需要较大的体积和重量，其实际应用受到较大限制。主动控制技术是抑制低频噪声有效手段，与传统被动方法相比一般在体积重量方面具有明显优势，尤其适合管路系统截止频率以下的低频噪声控制，其基本思路是通过外加声源（次级声源）在下游管路产生幅度相同、相位相反的次级声场，与原始噪声相干抵消，从而抑制下游管路的线谱噪声成分。公告号为CN104500904B的发明专利公布了一种充液管路有源消声器，其换能器件采用压电陶瓷作动器，虽然能够承受较高的静压，但有效工作频段一般为几百赫兹。目前的充液管路有源消声器仍难以有效抑制100赫兹以下的甚低频线谱噪声，其主要原因在于缺乏能够承受高静压的大功率低频声发射换能器。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种数字溢流式充液管路有源消声装置，其以控制流体速度脉动的方式向管内辐射反相声波，从而具有更高的低频声发射性能，更小的体积，以及更大的静态压承受力。
本发明的技术方案一如下：
一种数字溢流式充液管路有源消声装置，包括主管道、上游法兰以及下游法兰，上游充液管路系统通过所述上游法兰连接主管道的一端，下游充液管路系统通过所述下游法兰连接主管道的另一端，所述有源消声装置还包括壳体以及位于壳体内的旁通管、复数条旁支管、复数个电控阀门、排水管、用于控制电控阀门开关的主控制器、水听器，所述壳体固定于主管道的外侧壁上，所述旁通管的一端固定于所述主管道的侧壁上且与主管道相通，各所述旁支管的一端与所述旁通管连通，另一端均连接至所述排水管，所述排水管的排水口固定于所述壳体上，各所述旁支管上均设置一所述电控阀门，各所述电控阀门分别通过导线电连接至主控制器，所述水听器固定于主管道的侧壁上且水听器的传感头位于主管道内，所述水听器的输出端连接所述主控制器。
更优地，所述主控制器包括：具有信号放大、低通滤波功能的信号调理器、AD转换器、用于产生反相噪声信号的反馈控制器以及用于控制电控阀门开关的Delta-Sigma调制器，所述信号调理器的输入端连接所述水听器的输出端，所述信号调理器、AD转换器、反馈控制器以及Delta-Sigma调制器顺次电连接，所述Delta-Sigma调制器的各输出端与所述电控阀门一一对应连接。
更优地，所述Delta-Sigma调制器输出端的数目、电控阀门的数目、旁支管的数目均一致。
更优地，各所述旁支管的横截面积均不相等，且由小至大排列后为等比数列，所述比例系数为2。Delta-Sigma调制器输出数据的最低位至最高位对应的输出端所连接的电控阀门，应按照旁支管横截面积由小至大的顺序分别依次安装于对应的旁支管上。
更优地，所述旁通管设于所述主管道上且靠近上游法兰，所述水听器设于所述主管道上且靠近下游法兰。
更优地，所述反馈控制器为数字信号处理器。
更优地，所述有源消声装置还包括用于抑制高频噪声的消声器，所述消声器设于所述旁通管上。
本发明还提供一种数字溢流式充液管路有源消声方法。
本发明的技术方案二如下：
一种数字溢流式充液管路有源消声方法，所述消声方法基于所述的数字溢流式充液管路有源消声装置，包括如下步骤：
步骤1、通过水听器拾取管内的原始噪声信号，然后将原始噪声信号输入主控制器；
步骤2、主控制器将输入的原始噪声信号转换成数字信号并进行反相输出；
步骤3、由主控制器输出的信号控制电控阀门实施开/关动作，从而控制各个旁支管内液流的通/断，进而在旁通管内形成速度脉动；
步骤4、通过脉动流体向主管道内部辐射等幅、反相的次级噪声，与管内原始噪声相消叠加后实现了对甚低频线谱噪声的大幅度抑制。
更优地，所述步骤2为：
步骤2-1、主控制器将输入的原始噪声信号进行放大、低通滤波；
步骤2-2、将原始噪声信号进行A/D转换，生成数字信号；
步骤2-3、将所述数字信号转换成等幅反相数字信号；
步骤2-4、将所述等幅反相数字信号由低采样率多位数的数字信号转换为高采样率少位数的数字信号，将转换后的数字信号输出至电控阀门，其中一个位数对应控制一个电控阀门。
本发明具有如下有益效果：
(1) 本发明利用Delta-Sigma调制器配合多个电控阀门对由管内至管外的液流进行调制，产生脉动液体流速进而向管内辐射声波，具有更高的低频声发射性能，能够对充液管路内部100赫兹以下的甚低频线谱噪声进行控制；
(2) 本发明中利用电控阀门组实现向管内的声辐射，具有更小的体积和更低的功率，同时可以承受较大的静态压力；
(3) 本发明中利用反馈控制实施有源消声，降低了传感器的数目以及控制系统的复杂度，使有源消声装置的整体更为紧凑。
附图说明
图1为本发明的结构剖面图；
图2为本发明中主控制器的示意图；
图3为本发明消声方法的流程图。
图中附图标记表示为：
1、主管道；2、上游法兰；3、下游法兰；4、壳体；5、旁通管；6、旁支管；7、电控阀门；8、排水管；9、主控制器；10、水听器；11、消声器；12、导线；91、信号调理器；92、AD转换器；93、反馈控制器；94、Delta-Sigma调制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
请参阅图1，一种数字溢流式充液管路有源消声装置，包括主管道1、上游法兰2以及下游法兰3，上游充液管路系统通过所述上游法兰2连接主管道1的一端，下游充液管路系统通过所述下游法兰3连接主管道1的另一端，所述有源消声装置还包括壳体4以及位于壳体4内的旁通管5、复数条旁支管6、复数个电控阀门7、排水管8、用于控制电控阀门7开关的主控制器9、水听器10，所述壳体4固定于主管道1的外侧壁上，所述旁通管5的一端固定于所述主管道1的侧壁上且与主管道1相通，各所述旁支管6的一端与所述旁通管5连通，另一端均连接至所述排水管8，所述排水管8的排水口固定于所述壳体4上，各所述旁支管6上均设置一所述电控阀门7，各所述电控阀门7分别通过导线12电连接至主控制器9，所述水听器10固定于主管道1的侧壁上且水听器10的传感头位于主管道1内，所述水听器10的输出端连接所述主控制器9。
本实施例中，通过水听器10拾取管内的原始噪声，然后将信号输入主控制器9，主控制器9将输入信号反相后输出，通过控制电控阀门7实施开/关动作，从而控制各个旁支管6内液流的通/断，进而在旁通管5内形成速度脉动，通过脉动流体向主管道1内部辐射等幅、反相的次级噪声，与管内原始噪声相消叠加后实现了对甚低频线谱噪声的大幅度抑制。上述工作过程中，排水管8将向系统外部排出液体，可利用软管连壳体4上排水管8口，将排出的液体引流至指定区域。
所述水听器10可以选用B&K公司提供的8103型水听器。
所述主控制器9可以固定主管道1的外侧壁上，也可以固定在壳体4上，主控制器9的工作性能不受其固定位置影响。
较优地，所述旁通管5设于所述主管道1上且靠近上游法兰2，所述水听器10设于所述主管道1上且靠近下游法兰3，从而使有源消声装置能够有效的抑制下游管路系统中的噪声。
实施例二
本实施例给出了主控制器9的一种较优实施方式。
请参阅图2，所述主控制器9包括：具有信号放大、低通滤波功能的信号调理器91、AD转换器92、用于产生反相噪声信号的反馈控制器93以及用于控制电控阀门7开关的Delta-Sigma调制器94，所述信号调理器91的输入端连接所述水听器10的输出端，所述信号调理器91、AD转换器92、反馈控制器93以及Delta-Sigma调制器94顺次电连接，所述Delta-Sigma调制器94的各输出端与所述电控阀门7一一对应连接。
所述信号调理器91主要由电荷放大器和低通滤波器构成，电荷放大器是专用于加速度计、水听器10等压电型传感器的信号放大器件，例如B&K公司提供的 B&K2692-A NEXUS电荷放大器。有些电荷放大器内部集成了低通滤波器，则可以直接使用，若没有，则将电荷放大器和低通滤波器结合使用。
所述反馈控制器93可以选用数字信号处理器，其以AD采样后的管内噪声信号为输入，数字信号信号处理器执行有源噪声控制算法（如滤波x最小均方误差算法、内模控制算法、频域自适应控制算法等）产生等幅反相噪声信号并输出至Delta-Sigma调制器94。所述有源噪声控制算法在声学领域为公知技术，例如，在《中国舰船研究》2017年4期发表的《充液管路低频线谱噪声有源控制试验研究》（作者：孙运平、孙红灵、张维、王晗、杨军）中，公开了管路有源消声系统原理。系统主要由传感器、控制器、功率放大器和次级声源组成。该系统为反馈式控制系统，误差传感器安装在管路的下游用于拾取误差信号e(n)，控制器根据误差信号e(n)计算出所需的控制信号y(n)并通过功率放大器驱动次级声源发声。次级声源馈入原始声场的次级声与初级噪声源产生的噪声幅度相同、相位相反，从而达到了同时消除两列声波的目的。且在“1.2 控制滤波器设计部分”给出了具体的有源噪声控制算法。
所述Delta-Sigma调制器94是将输入的高位数、低采样率的数字信号转换为低位数、高采样率数字信号的处理器，其输出数字信号的每一位均对应一输出端并连接一电控阀门7，根据该位的0/1值控制电控阀门7的通/断。例如，将所述反馈控制器93输出低采样率的16bit数据转换为高采样率的4bit数据并形成4个输出端，且每个输出端均对应于输出4bit数据的某一bit，该bit数值为0和1时，对应输出端分别输出低电平和高电平，用于控制所连接的电控阀门7的通和断。Delta-Sigma调制器94的实现方式已是本领域的公知技术，早在2007年 第5期《电子测量技术》上就公开了《多位数字Delta-Sigma调制器94的设计》（作者：杨文荣 程媛媛）。
在本实施例中，所述Delta-Sigma调制器94输出端的数目、电控阀门7的数目、旁支管6的数目均一致。各所述旁支管6的横截面积均不相等，且由小至大排列后为等比数列，所述比例系数为2；Delta-Sigma调制器94输出数据的最低位至最高位对应的输出端所连接电控阀门7，应按照旁支管6横截面积由小至大的顺序分别依次安装于对应的旁支管6上。
重点请参阅图2，以四个旁支管6为例，各旁支管6上均设置一电控阀门7，所述Delta-Sigma调制器94具有四个输出端，每一个输出端均连接一电控阀门7，通过输出高/低电平控制电控阀门7的通断。所述旁支管6的面积分别为S、2S、4S、8S。以AD转换器92将所述信号调理器91输出的模拟信号转换为16bit数字信号为例，所述反馈控制器93输出的数据同样为16bit数字信号，并且工作于较低的采样率；所述Delta-Sigma调制器94将所述反馈控制器93输出的低采样率、16bit数据转换为高采样率、4bit数据，并且每一位均对应一输出端，该位数值为0和1时对应输出端分别输出低电平和高电平；例如，Delta-Sigma调制器94输出的4位数字信号为4bit二进制数b3 b2 b1 b0，最低位b0至最高位b3对应的输出端分别连接电控阀门K1至电控阀门K4。那么b3、b2、b1、b0位输出对应的旁支管6横截面积分别为8S、4S、2S和S。当b3为1时，横截面积为8S的旁支管6打开，产生8倍流量；依次类推，当b0为1时，横截面积为S的旁支管6打开，产生单位流量。由于流量与横截面积成正比，因此总的流量将正比于4bit数b3 b2 b1 b0。
本发明有源消声装置还包括用于抑制高频噪声的消声器11，所述消声器11设于所述旁通管5上。其作用是抑制旁通管5内速度脉动包含的、由Delta-Sigma调制器94本身的特性造成的高频噪声。
本实施的有源消声装置的工作过程如下：水听器10拾取管内的原始噪声后经信号调理器91、AD转换器92输入至反馈控制器93，反馈控制器93将该信号反相后经Delta-Sigma调制器94控制电控阀门7实施开/关动作，从而控制各个旁支管6的液流的通断并在旁通管5内形成速度脉动，上述速度脉动将向主管道1内部辐射与原始噪声等幅、反相的次级噪声，二者相消叠加后，从而大幅度抑制管内原始噪声，实现了对甚低频线谱噪声的大幅度抑制。
实施例三
本发明的技术方案二如下：
请参阅图3，一种数字溢流式充液管路有源消声方法，所述消声方法基于所述的数字溢流式充液管路有源消声装置，包括如下步骤：
步骤1、通过水听器10拾取管内的原始噪声信号，然后将原始噪声信号输入主控制器9；
步骤2、主控制器9将输入的原始噪声信号转换成数字信号并进行反相输出；
步骤2-1、主控制器9将输入的原始噪声信号进行放大、低通滤波；
步骤2-2、将原始噪声信号进行A/D转换，生成数字信号；
步骤2-3、将所述数字信号转换成等幅反相数字信号；
步骤2-4、将所述等幅反相数字信号由低采样率多位数的数字信号转换为高采样率少位数的数字信号，将转换后的数字信号输出至电控阀门7，其中一个位数对应控制一个电控阀门7；
步骤3、由主控制器9输出的信号控制电控阀门7实施开/关动作，从而控制各个旁支管6内液流的通/断，进而在旁通管5内形成速度脉动；
步骤4、通过脉动流体向主管道1内部辐射等幅、反相的次级噪声，与管内原始噪声相消叠加后实现了对甚低频线谱噪声的大幅度抑制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种数字溢流式充液管路有源消声装置，包括主管道(1)、上游法兰(2)以及下游法兰(3)，上游充液管路系统通过所述上游法兰(2)连接主管道(1)的一端，下游充液管路系统通过所述下游法兰(3)连接主管道(1)的另一端，其特征在于：还包括壳体(4)以及位于壳体(4)内的旁通管(5)、复数条旁支管(6)、复数个电控阀门(7)、排水管(8)、用于控制电控阀门(7)开关的主控制器(9)、水听器(10)，所述壳体(4)固定于主管道(1)的外侧壁上，所述旁通管(5)的一端固定于所述主管道(1)的侧壁上且与主管道(1)相通，各所述旁支管(6)的一端与所述旁通管(5)连通，另一端均连接至所述排水管(8)，所述排水管(8)的排水口固定于所述壳体(4)上，各所述旁支管(6)上均设置一所述电控阀门(7)，各所述电控阀门(7)分别通过导线(12)电连接至主控制器(9)，所述水听器(10)固定于主管道(1)的侧壁上且水听器(10)的传感头位于主管道(1)内，所述水听器(10)的输出端连接所述主控制器(9)；还包括用于抑制高频噪声的消声器(11)，所述消声器(11)设于所述旁通管(5)上；
所述主控制器(9)包括：具有信号放大、低通滤波功能的信号调理器(91)、AD转换器(92)、用于产生反相噪声信号的反馈控制器(93)以及用于控制电控阀门(7)开关的Delta-Sigma调制器(94)，所述信号调理器(91)的输入端连接所述水听器(10)的输出端，水听器(10)的输出信号经过信号调理器(91)的放大、滤波，然后输入AD转换器(92)，所述信号调理器(91)、AD转换器(92)、反馈控制器(93)以及Delta-Sigma调制器(94)顺次电连接，所述Delta-Sigma调制器(94)的各输出端与所述电控阀门(7)一一对应连接；
所述AD转换器(92)将输入的信号转换为数字信号，然后输入所述反馈控制器(93)，所述反馈控制器(93)将输入的数字信号转换为等幅反相噪声信号并输出至Delta-Sigma调制器(94)，所述Delta-Sigma调制器(94)将输入信号转换为位数与所述电控阀门(7)数量一致的数字信号；
所述Delta-Sigma调制器(94)输出端的数目、电控阀门(7)的数目、旁支管(6)的数目均一致；各所述旁支管(6)的横截面积均不相等，且由小至大排列后为等比数列，比例系数为2；Delta-Sigma调制器(94)输出数据的最低位至最高位对应的输出端所连接的电控阀门(7)，按照旁支管(6)横截面积由小至大的顺序分别依次安装于对应的旁支管(6)上；
消声器(11)用于抑制旁通管(5)内速度脉动包含的、由Delta-Sigma调制器(94)本身的特性造成的高频噪声。
2.根据权利要求1所述的一种数字溢流式充液管路有源消声装置，其特征在于：所述旁通管(5)设于所述主管道(1)上且靠近上游法兰(2)，所述水听器(10)设于所述主管道(1)上且靠近下游法兰(3)。
3.根据权利要求1所述的一种数字溢流式充液管路有源消声装置，其特征在于：所述反馈控制器(93)为数字信号处理器。
4.一种数字溢流式充液管路有源消声方法，其特征在于：所述消声方法基于权利要求1所述的数字溢流式充液管路有源消声装置，包括如下步骤：
步骤1、通过水听器(10)拾取管内的原始噪声信号，然后将原始噪声信号输入主控制器(9)；
步骤2、主控制器(9)将输入的原始噪声信号转换成数字信号并进行反相输出；
步骤3、由主控制器(9)输出的信号控制电控阀门(7)实施开/关动作，从而控制各个旁支管(6)内液流的通/断，进而在旁通管(5)内形成速度脉动；
步骤4、通过脉动流体向主管道(1)内部辐射等幅、反相的次级噪声，与管内原始噪声相消叠加后实现了对甚低频线谱噪声的大幅度抑制。
5.根据权利要求4所述的一种数字溢流式充液管路有源消声方法，其特征在于，所述步骤2为：
步骤2-1、主控制器(9)将输入的原始噪声信号进行放大、低通滤波；
步骤2-2、将原始噪声信号进行A/D转换，生成数字信号；
步骤2-3、将所述数字信号转换成等幅反相数字信号；
步骤2-4、将所述等幅反相数字信号由低采样率多位数的数字信号转换为高采样率少位数的数字信号，将转换后的数字信号输出至电控阀门(7)，其中一个位数对应控制一个电控阀门(7)。
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