CN108932939A - 一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构及其设计方法，该结构为多个分流扬声器并联构成的分流扬声器阵列，每个分流扬声器包含：动圈式扬声器和背腔组成的音箱，音箱的一个接线端连接至单开双掷开关的公共接点上，开关的一个支路连接电感，另一个支路连接电容，经过由运算放大器、电阻、电感组成的负阻抗后连接至音箱的另一个接线端。该吸声结构仅通过分流电路的设计，实现低频处多个固有频率噪声的良好吸收，其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。

Description

一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构及其设计方法

一、技术领域

本发明提出了一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构及其设计方法。

二、背景技术

电力变压器等大型机器设备通常会产生低频有调噪声。有调噪声含有明显的基频噪声和伴随着基频的谐波噪声或者多个单频分量，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噪声吸声性能较差，且通常会导致环境污染。亥姆霍兹共鸣器的吸声频段较窄，适合于窄带吸声，频率越低，所需的颈项长度、空腔体积越大。利用多个亥姆霍兹共振器的组合，可实现多个固定频率的吸声。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，所需的背腔体积越大。

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。本发明在这些现有专利基础上，提出了一种基于分流扬声器的新型吸声结构，仅通过分流电路的设计实现低频处多个固有频率噪声的良好吸收。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低频有调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，本发明所述的针对有调低频噪声的薄型吸声结构为N个分流扬声器并联构成的分流扬声器阵列。每个分流扬声器的结构为：动圈式扬声器和背腔组成的音箱(1)的一端连接至单开双掷开关(2)的公共接点上，开关的一个支路连接电感L_si(3)，另一个支路连接电容C_si(4)，与基于运算放大器(5)、电阻R_i(6)、电感L_i(7)实现的负阻抗转换器(8)串联，连接至音箱的另一端，如图1所示。所有的分流扬声器中扬声器单元型号一致，音箱(1)的尺寸一致。

动圈式扬声器开路时音箱(1)的共振频率为

其中，C_ms为扬声器的等效力顺，S为扬声器振膜有效面积，M_ms为扬声器的等效质量，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。

第i个分流扬声器振膜处的等效声阻抗率为：

式中，δ、m和K分别表示开路音箱的阻尼，质量和刚度，Z_e为分流电路引起的机械阻抗：δ＝R_ms/S，m＝M_ms/S，K＝(C_ac+C_msS²)/C_acC_msS，Z_e＝Bl²/S/(R_E+jωL_E+Z_s)。其中，R_ms为扬声器的等效力阻，ω为角频率，j为复数符号，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。

当开关连接电感支路时，分流电路的阻抗为Z_s＝-R_i-jωL_i+jωL_si。负电阻R_i、负电感L_i分别用来抵销直流阻R_E、音圈电感L_E。为了保持系统的稳定，残差电阻ΔR_i＝R_E-R_i，残差电感ΔL_i＝L_E-L_i都要大于0。分流电路引起的机械阻抗Z_e为

其中，Δδ为额外的阻尼，Δm为额外的负质量：

分流电路的共振频率为

当ΔL增加，总的质量接近m，共振频率接近开路时的共振频率f₀；当ΔL减小，可以获得更多的负质量Δm，整个系统的共振频率向高于f₀的更高的频率处偏移。吸声带宽为

该吸声带宽不随电感L_si变化。

当开关连接电容支路，分流电路的阻抗为Z_s＝-R_i-jωL_i+1/jωC_si。为了保持系统的稳定，残差电阻ΔR_i＝R_E-R_i，残差电感ΔL_i＝L_E-L_i都要大于0。分流电路引起的机械阻抗Z_e为

其中，Δδ＝B²l²ΔR/S/(ΔR²+1/ω²C_s ²)为额外的阻尼，Δm＝-B²l²ΔL/S/(ΔR²+1/ω²C_s ²+ω²ΔL²)为系统额外的负质量，ΔK＝-B²l²/(ΔR²+1/ω²C_s ²+ω²ΔL²)/S/C_s为额外的刚度。通常在低频处ωΔL_i会远小于1/ωC_si，所以jωΔm项可以忽略，共振频率为

当C_s增加，可以获得更多的负刚度ΔK，整个系统的共振频率向低于f₀的更低的频率处偏移。吸声带宽为

该带宽随C_s增大而减小。

根据等效阻抗法，N个分流扬声器并联的等效声阻抗率为

正入射吸声系数为

式中，Re(Z_t)和Im(Z_t)分别为Z_t的实部与虚部。

当相邻共振频率的间隔大于临界共振频率Δf_c＝(B_i ^w+B_i+1 ^w)/2时，(其中B_i ^w、B_i+1 ^w分别为第i个、第i+1个分流扬声器的吸声带宽)，各分流扬声器基本独立工作。分流扬声器阵列共形成N个共振吸声频率f₁’，f₂’，…，f_N’。第i个共振频率f_i’与第i个分流扬声器的共振频率f_si吻合。为了使得各个共振频率f_i’处可以获得完美吸声，需满足R_msN/S≈ρ₀c₀。若第i个分流扬声器的分流电路的开关与电感支路连接，则共振频率f_i处的吸声带宽为式(12a)，当N≤ρ₀c₀S/R_ms时，带宽随N的增大而迅速减小，当N＞ρ₀c₀S/R_ms时，N越大，带宽缓慢地衰减，趋近于一恒定值R_ms/2πM_ms；若第i个分流扬声器的开关与电容连接，则共振频率fⁱ处的吸声带宽为式(12b)，当N≤ρ₀c₀S/R_ms时，带宽随N的增大而迅速减小，当N＞ρ₀c₀S/R_ms时，N越大，带宽缓慢地衰减，趋近于一恒定值R_ms/2π/(M_ms+C_sB²l²)。

针对低频处的多个单频分量(f₁，f₂，…，f_N)进行设计，按以下步骤实现：

(1)确定待吸声的低频处多个单频分量的数目N。

(2)查阅产品说明书，选择等效面积S、等效力阻R_ms满足R_msN/S≈ρ₀c₀的N个相同的动圈式扬声器音箱，测量其直流阻R_E，音圈电感L_E，力因子Bl，机械质量M_ms，等效力顺C_ms，音箱的开路共振频率f₀，背腔的体积V。

(3)分别设计各分流扬声器，使得各个分流扬声器的共振频率f_si＝f_i，其中f_i为低频有调噪声中第i个单频分量的频率。

若有调噪声中第i个单频分量的频率f_i高于音箱的开路共振频率f₀，则第i个分流扬声器的分流电路的开关与电感支路连接，电阻R_i选取接近直流阻R_E的数值，残差电阻ΔR_i＝R_E-R_i需满足0＜ΔR_i＜＜ωL_E；电感L_i选取接近直流感L_E的数值，但要保证残差电感ΔL_i＝L_E-L_i＞0；选取合适的电感L_si，使得第i个分流扬声器的共振频率与f_i相等。

若第i个单频分量f_i低于音箱的开路共振频率f₀，则第i个分流扬声器的分流电路的开关与电容支路连接，电阻R_i选取接近直流阻R_E的数值，残差电阻ΔR_i＝R_E-R_i需满足0＜ΔR_i＜＜ωL_E；选取合适的电容C_si，使得第i个分流扬声器的共振频率与f_i相等；电感L_i选取接近直流感L_E的数值，残差电感ΔL_i＝L_E-L_i需满足0＜ωΔL_i＜＜1/ωC_si。

若第i个单频分量f_i与音箱的开路共振频率f₀相等，则第i个分流扬声器的分流电路的开关不打向任何支路，扬声器两端开路。

(4)将N个分流扬声器并联，组成分流扬声器阵列。

3、有益效果：本发明与现有技术相比，提出了一种针对低频有调噪声的薄型吸声体，可以独立地设计各分流扬声器，对低频的吸收不依赖于腔体深度，而是通过分流电路调节。针对低频处的多个基频和谐波分量，可实现良好吸收。

四、附图说明

图1是针对低频有调噪声的薄型吸声体的示意图。

图2是实施例中的分流扬声器阵列图。

图3是实施例中的吸声系数图。

五、具体实施方式

下面以吸收低频噪声中4个特定频率分量f₁＝100Hz，f₂＝200Hz，f₃＝300Hz，f₄＝400Hz为例，对本发明作详细说明。

1、根据技术方案中步骤(1)，确定待吸声的低频有调噪声中基频和谐波分量的数目N为4。

2、根据技术方案中步骤(2)，选择等效力阻R_ms＝1.56kg/s，等效面积S_s＝1.50E-2m²的4个相同的动圈式扬声器音箱，此时4R_ms/S≈ρ₀c₀。测量其余的TS参数和尺寸：直流阻R_E＝32Ω，音圈电感L_E＝7.24mH，力因子Bl＝17.12T·m，机械质量M_ms＝15.25g，等效力顺C_ms＝0.665mm/N，共振频率f₀＝163Hz，箱体背腔的体积V＝2.2E-3m³；

3、根据技术方案中步骤(3)，分别设计4个分流扬声器。

第1个分流扬声器的目标共振频率f₁小于f₀，则第1个分流扬声器的分流电路的开关与电容支路连接。选取电阻R₁＝31.15Ω，残差电阻ΔR₁＝0.05Ω满足0＜ΔR₁＜＜ωL_E；选取电容C_s1＝87μF，第一个分流扬声器的共振频率f_s1＝100Hz，与目标共振频f₁相等；电感L₁＝7.23mH，残差电感ΔL₁＝10μH满足0＜ωΔL₁＜＜1/ωC_s1。

第2个分流扬声器的目标共振频率f₂大于f₀，则第2个分流扬声器的分流电路的开关与电感支路连接。选取电阻R₂＝31.15Ω，残差电阻ΔR₂＝0.05Ω满足0＜ΔR₂＜＜ωL_E选取电感L₂＝7.23mH，残差电感ΔL₂＝10μH大于0；选取电感L_s2＝37.20mH，第2个分流扬声器的共振频率f_s2＝200Hz，与目标共振频率f₂相等；

第3个分流扬声器的目标共振频率f₃大于f₀，则第3个分流扬声器的分流电路的开关与电感支路连接。选取电阻R₃＝31.15Ω，残差电阻ΔR₃＝0.05Ω满足0＜ΔR₃＜＜ωL_E；选取电感L₃＝7.23mH，残差电感ΔL₃＝10μH大于0；选取电感L_s3＝7.70mH，第3个分流扬声器的共振频率f_s3＝300Hz，与目标共振频率f₃相等；

第4个分流扬声器的目标共振频率f₄大于f₀，则第4个分流扬声器的分流电路的开关与电感支路连接。选取电阻R₄＝31.15Ω，残差电阻ΔR₄＝0.05Ω满足0＜ΔR₄＜＜ωLE；选取电感L₄＝7.23mH，残差电感ΔL₄＝10μH大于0；选取电感L_s4＝3.63mH，第4个分流扬声器的共振频率f_s4＝401Hz，与目标共振频率f₄基本吻合。

4、根据技术方案中步骤(4)，将4个分流扬声器并联，组成分流扬声器阵列，如图2所示。根据等效阻抗法，按照公式(10)-(11)计算阵列的正入射吸声系数，如图3中的黑色实线所示，在100Hz、200Hz、300Hz、400Hz处出现吸声峰，各个吸声峰处的吸声带宽分别为13Hz、33Hz、34Hz、35Hz，吸声系数均为1.00，实现了良好的声吸收。

本发明提出了一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构及其设计方法。以100Hz、200Hz、300Hz、400Hz为例，仅通过分流电路的设计，可实现良好声吸收。

Claims (8)

1.一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构，其特征在于：多个分流扬声器并联构成分流扬声器阵列。

2.根据权利要求1所述的一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构，其特征在于构成阵列的分流扬声器包含：动圈式扬声器和背腔组成的音箱(1)，音箱的一个接线端连接至单开双掷开关(2)的公共接点上，开关的一个支路连接电感L_si(3)，另一个支路连接电容C_si(4)，与基于运算放大器(5)、电阻R_i(6)、电感L_i(7)实现的负阻抗转换器(8)串联，连接至音箱的另一个接线端。

3.根据权利要求1所述的一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构，其特征在于构成阵列的分流扬声器中采用的动圈式扬声器型号一致。

4.根据权利要求1所述的一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构，其特征在于分流扬声器阵列中各音箱紧密布放，相邻的两个分流扬声器箱体没有缝隙。

5.一种针对低频有调噪声的薄型吸声结构的设计方法，其特征在于该设计方法按以下步骤实施：

(1)确定待吸声的低频处多个单频分量的数目N；

(2)查阅产品说明书，选择等效面积S、等效力阻R_ms满足R_msN/S≈ρ₀c₀的N个相同的动圈式扬声器音箱，测量其直流阻R_E，音圈电感L_E，力因子Bl，机械质量M_ms，等效力顺C_ms，音箱的开路共振频率f₀，背腔的体积V；

(3)分别设计各分流扬声器，使得各个分流扬声器的共振频率f_si＝f_i，其中f_i为低频有调噪声中第i个单频分量的频率；

(4)将N个分流扬声器并联，组成分流扬声器阵列。

6.如权利要求5所述的调整各个分流扬声器共振频率的方法，其特征在于：若有调噪声中第i个单频分量的频率f_i高于音箱的开路共振频率f₀，则第i个分流扬声器的分流电路的开关与电感支路连接，设计电感L_si(3)、电阻R_i(6)、电感L_i(7)的参数值；若第i个单频分量f_i低于音箱的开路共振频率f₀，则第i个分流扬声器的分流电路的开关与电容支路连接，设计电容C_si(4)、电阻R_i(6)、电感L_i(7)的参数值；若第i个单频分量f_i与音箱的开路共振频率f₀相等，则第i个分流扬声器的分流电路的开关不打向任何支路，扬声器两端开路。

7.如权利要求5所述的调整各个分流扬声器共振频率的方法，其特征在于：若有调噪声中第i个单频分量的频率f_i高于音箱的开路共振频率f₀，电阻R_i(6)选取接近直流阻R_E的数值，残差电阻ΔR_i＝R_E-R_i需满足0＜ΔR_i＜＜ωL_E；电感L_i(7)选取接近直流感L_E的数值，但要保证残差电感ΔL_i＝L_E-L_i＞0；选取合适的电感L_si(3)，使得第i个分流扬声器的共振频率与f_i相等。

8.如权利要求5所述的调整各个分流扬声器共振频率的方法，其特征在于：若有调噪声中第i个单频分量的频率f_i低于音箱的开路共振频率f₀，电阻R_i(6)选取接近直流阻R_E的数值，残差电阻ΔR_i＝R_E-R_i需满足0＜ΔR_i＜＜ωL_E；选取合适的电容C_si(4)，使得第i个分流扬声器的共振频率与f_i相等；电感L_i(7)选取接近直流感L_E的数值，残差电感ΔL_i＝L_E-L_i需满足0＜ωΔL_i＜＜1/ωC_si。