CN109688510B - 一种提升单指向传声器低频指向性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升单指向传声器低频指向性的方法，其特征在于，通过在单指向传声器背部增加一个背腔提升其低频指向性，首先获得单指向传声器响应|p|，然后获得单指向传声器前后的声压；其次对单指向传声器进行建模，得到正向‑背向灵敏度指数M，计算等效声程l1；设计背腔引入的额外声程l2；最后对增加背腔后的测量结果进行校准，本发明可有效提升单指向传声器的低频指向性。
Description
技术领域
本发明涉及一种提升单指向传声器低频指向性的方法，属于声接收技术领域。
背景技术
在管道有源降噪前馈控制系统中，次级声源发出的声波会向管道上游传播被参考单指向传声器接收，干扰参考信号，这个现象被称为声反馈。声反馈会降低系统降噪性能，严重情况下会导致控制系统不稳定。
解决声反馈问题的一种方案为改进控制器算法，如使用反馈路径建模滤波器中和反馈路径的反馈中和算法，但这种方法往往会增加运算量且对建模精度有较高要求。又如采用滤波-u最小均方算法(FuLMS)，其最优解中的反馈滤波器可以中和声反馈路径，但其缺点在于不稳定、收敛速度较慢以及可能会收敛至局部最优解。
解决声反馈问题的另一种方案为声学系统优化，通过优化次级源及单指向传声器位置或者增加参考单指向传声器或控制声源的指向性来降低声反馈。控制声源优化一般使用多个次级源形成阵列，系统较为复杂，且仅对较窄频段的噪声有效。使用单指向传声器作为参考单指向传声器对系统几乎不用作改动，是一种较实用的声学方法，其指向性对降噪效果有影响，尤其是有源噪声控制系统关注的低频段。基于此，有必要提供一种可以提升单指向传声器低频指向性的背腔设计。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提升单指向传声器低频指向性的方法，通过在其背部增加一个背腔提升其低频指向性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提升单指向传声器低频指向性的方法，通过在单指向传声器背部增加一个背腔提升其低频指向性，包括以下步骤：
步骤1，根据单指向传声器测量方法在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线，以及所关注的低频段的中一个单频f1的指向性曲线，获得单指向传声器响应|p|；
步骤2，通过仿真重现在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线以及指向性曲线的情景与过程，获得在在消声室中测量单指向传声器响应|p|相同情景下圆柱体前后的声压p1、p2，并将其视为在消声室中测量时对应情形下单指向传声器前后的声压；
步骤3，根据式(1)对单指向传声器进行建模，式中ω为角频率，ω＝2πf，f为频率；通过代入在消声室中测量获得的频率f1的正向入射响应|p|a、背向入射响应|p|b，任意频率f2的正向入射响应|p|c以及仿真得到的对应情形下单指向传声器前后的声压p1i、p2i(i＝a，b,c)求解获得式(1)的参数值A、B、C；
步骤4，根据在消声室中测量获得的频率f1的正向-背向灵敏度指数M通过式(2)计算单指向传声器前后等效声程差l1，式中c0为声速；
步骤5，根据A(l1+l2)/c0＝1计算背腔应该引入的额外声程l2；
步骤6，背腔满足两个条件：(a)背腔开口与单指向传声器背部的距离为l2；(b)根据式(3)计算得到的背腔共振频率f0远大于目标频段，式中r1为背腔开孔半径，V为背腔体积，l为背腔开孔的深度，c0为声速：
步骤7，引入的背腔会导致单指向传声器对正向入射频率响应增加Al2/(c0+Al1)倍，对增加背腔后的测量结果进行校准。
优选的：在数值仿真软件中建模上述在消声室中测量环境类似的声学环境，使用与单指向传声器同样形状大小的圆柱体替代单指向传声器进行仿真。
优选的：膜片两端的净压差表示为：
式中ZAD为振膜的类比声阻抗，Ram为背壁开孔的等效声阻，Cam为腔体的声容，p1、p2分别为单指向传声器前后的声压，角频率ω＝2πf，f为频率；
式(4)可以变换为：
式中
优选的：增大f0最为可行的方式为尽可能的增大背腔开孔半径r1。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)背腔设计可有效提升单指向传声器的低频指向性；
(2)设计方法直观，系统复杂度低，便于应用。
附图说明
图1为压强与压差复合式单指向传声器的原理图
图2为背腔模型示意图
图3为实施例背腔外观示意图
图4为实施例背腔截面示意图
图5为实施例使用的单指向传声器频率响应曲线
图6为实施例使用的单指向传声器1000Hz指向性曲线
图7为实施例自由场正向入射频率响应曲线
图8为实施例自由场1000Hz指向性曲线
图9为实施例有限长管道模型示意图
图10为实施例有限长管道内总响应曲线与管道内总声波的对比
图11为实施例有限长管道内总响应曲线与管道正向入射声波的对比
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种提升单指向传声器低频指向性的方法，通过以下技术方案来实现：
1)根据《GB/T 12060.4-2012声系统设备第4部分：单指向传声器测量方法》在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线，以及所关注的低频段的中一个单频f1的指向性曲线，获得单指向传声器响应|p|；
2)在数值仿真软件(如COMSOL)中建模上述在消声室中测量环境类似的声学环境，使用与上述单指向传声器同样形状大小的圆柱体替代单指向传声器进行仿真，重现在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线以及指向性曲线的情景与过程，获得在在消声室中测量单指向传声器响应|p|相同情景下圆柱体前后的声压p1、p2，并将其视为在消声室中测量时对应情形下单指向传声器前后的声压；
3)根据式(1)对单指向传声器进行建模，式中ω为角频率，ω＝2πf，f为频率。通过代入在消声室中测量获得的频率f1的正向入射响应|p|a、背向入射响应|p|b，任意频率f2的正向入射响应|p|c以及仿真得到的对应情形下单指向传声器前后的声压p1i、p2i(i＝a，b,c)求解获得式(1)的参数值A、B、C；
4)根据在消声室中测量获得的频率f1的正向-背向灵敏度指数M通过式(2)计算单指向传声器前后等效声程差l1，式中c0为声速；
5)根据A(l1+l2)/c0＝1计算背腔应该引入的额外声程l2；
6)设计背腔，满足两个条件：(a)背腔开口与单指向传声器背部的距离为l2；(b)根据式(3)计算得到的背腔共振频率f0远大于目标频段，式中r1为背腔开孔半径，V为降低背腔体积，l为背腔开孔的深度，c0为声速。
实际应用中增大f0最为可行的方式为尽可能的增大背腔开孔半径r1。
7)引入的背腔会导致单指向传声器对正向入射频率响应增加Al2/(c0+Al1)倍，对增加背腔后的测量结果进行校准。
1.使用式(1)对单指向传声器进行建模的原理
压强与压差复合式单指向传声器的原理图如图1所示，膜片两端的净压差可以表示为：
式中ZAD为振膜的类比声阻抗，Ram为背壁开孔的等效声阻(等效声质量忽略)，Cam为腔体的声容，p1、p2分别为单指向传声器前后的声压，角频率ω＝2πf，f为频率。
式(4)可以变换为：
式中
本发明中的p1、p2通过仿真获得，而仿真和在消声室中测量时声源的源强无法保证一致，故引入一个修正项C，从而单指向传声器的响应可以写成：
在消声室中测量获得的单指向传声器响应为声压幅值响应，将式(6)写成幅值形式，即得到技术方案中的式(1)：
2.本发明设计背腔的技术原理
假设在单指向传声器的后面增加一个单孔背腔，如图2所示，则：
D＝1+jωCacRac-ω2CacMac (8)
式中Cac为背腔的等效声容，Rac为背腔开口的等效声阻，Mac为背腔开口的等效声质量。假设背腔的共振频率为f0，则当f<<f0时，D≈1。
对于图1，利用平面波近似公式可将式(6)改写为：
式中l1为单指向传声器前后的等效声程差，c0为声速，θ为声源和单指向传声器振膜之间的夹角，当声源位于单指向传声器正前方时θ＝0°，当声源位于单指向传声器正后方时θ＝180°。因此单指向传声器正向-背向灵敏度指数M可以写成技术方案中式(2)的形式，即
类似的，对于图2中增加背腔后的单指向传声器，利用平面波近似公式及式(6)可得：
进一步地，当ω<<ω0时，D≈1，代入式(10)可得：
式中l2为背腔引入的额外声程。
因此，增加背腔后单指向传声器低频的正向-背向灵敏度指数M可以写成：
对比式(9)与式(11)可知，当ω<<ω0时，背腔对单指向咪头指向性和频率响应的影响体现在引入了额外的声程l2，增加背腔后，单指向传声器对正向入射声压的响应会增加Al2/(c0+Al1)倍，与频率无关，便于修正(校准)。对比式(2)与式(12)可知，如果Al1/c0<1，通过增加合适的背腔引入l2使A(l1+l2)/c0更接近于1可提升单指向咪头的指向性。特别的，如果l2≈0，增加的背腔不会影响单指向咪头的性能。即当背腔的共振频率远大于目标频段并且引入的额外声程l2满足A(l1+l2)/c0＝1时，该背腔可以提升单指向传声器在目标频段的指向性。
3.具体实施例
图3为本发明的一实施例的外观图，图4为实施例的截面示意图。根据所述技术方案，本实施例背腔的设计过程如下：
1)根据《GB/T 12060.4-2012声系统设备第4部分:单指向传声器测量方法》在消声室中对单指向传声器进行测量，其正向入射频率响应曲线如图5所示，f1为1000Hz时的指向性曲线如图6所示，声源参考点和单指向传声器参考点之间的距离为1m；
2)在COMSOL仿真软件中建模上述在消声室中测量环境类似的声学环境，即自由场声环境，
使用与上述单指向传声器同样形状大小的圆柱体替代单指向传声器进行仿真，重现在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线以及1000Hz指向性曲线的情景与过程，获得在在消声室中测量单指向传声器响应相同情景下圆柱体前后的声压p1、p2(如表1所示)，并将其视为在消声室中测量时对应情形下单指向传声器前后的声压；
表1实施例建模使用的数据
| |p| | p<sub>1</sub> | p<sub>2</sub> | |
| 1000Hz的正向入射响应 | 0.283 | 0.825+0.575i | 0.915+0.383i |
| 1000Hz的背向入射响应 | 0.050 | 0.880+0.464i | 0.773+0.648i |
| 200Hz的正向入射响应 | 0.219 | -0.877+0.487i | -0.846+0.518i |
3)根据式(1)对单指向传声器进行建模，式中p1、p2分别为单指向传声器前后的声压，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率。式(1)中存在三个未知数A、B、C，使用三个测量数据即可求解。本实施例中，使用在消声室中测量获得的单指向传声器1000Hz的正向入射响应83dB、背向入射响应68dB、200Hz的正向入射响应80.8dB和以及仿真得到的对应情形下的p1、p2(如表1所示)求得式(1)的参数值A、B、C，获得单指向传声器的响应模型为：
根据式(13)获得的频率响应曲线如图5所示，根据式(13)获得的1000Hz指向性曲线如图6所示。从图中可以看出，建模曲线与消声室实测曲线一致性很好。
4)在消声室中测量获得单指向传声器1000Hz的正向-背向灵敏度指数为15dB，根据式(2)计算出单指向传声器前后等效声程差l1＝11.5mm；
5)根据A(l1+l2)/c0＝1计算背腔应该引入的额外声程l2＝5mm；
6)设计获得图3所示实施例背腔，该背腔满足：(a)背腔开口与单指向传声器背部的距离为l2＝5mm；(b)根据式(3)计算得到背腔共振频率f0大于7000Hz，在1500Hz以下基本满足f<<f0。
7)引入的背腔会导致单指向传声器对正向入射声压的响应增加Al2/(c0+Al1)＝0.178倍(1.4dB)，对增加背腔后的测量结果进行校准。
所述实施例的第一类应用场景为自由场，根据《GB/T 12060.4-2012声系统设备第4部分：单指向传声器测量方法》在自由场环境中测量获得其频率响应曲线如图7所示(校准后)，1000Hz指向性曲线如图8所示，测量时声源参考点和单指向传声器参考点之间的距离固定为1m。结果表明所述实施例背腔不会对单指向传声器的频率响应曲线造成影响并且提升了单指向传声器1000Hz的正向-背向灵敏度指数21dB，2000Hz以下其余频率点正向-背向灵敏度指数的提升幅度均与所示1000Hz的结果相当。
所述实施例的第二类应用场景为有限长管道，图9为模型示意图，管道长1m，开口为边长为0.08m的正方向，管道一端入射大小为0.1Pa的平面波，一端向自由场辐射声波。管道内除入射平面波外还存在开口形成的一次反射波，因此管道内声场波动较明显。这里可以将反射声假想为管道有源噪声前馈控制系统中的反馈声，此时可将单指向传声器总响应与正向入射声波的差异作为单指向传声器性能的评价标准。图10为实施例总响应曲线与管道内实际声波的对比，由于单指向传声器具有指向性，其总响应的波动与实际声波的波动相比有明显的衰减，增加实施例背腔后，响应的波动进一步减小。图11为实施例总响应与管道内正向入射声波的对比，实施例使单指向传声器的总响应与管道内正向入射声波的幅值差异从±1.5dB降低至±0.3dB以内，有效提升了单指向传声器的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种提升单指向传声器的低频指向性的方法，其特征在于，通过在单指向传声器背部增加一个背腔提升其低频指向性，包括以下步骤：
步骤1，根据单指向传声器测量方法在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线，以及所关注低频段中的一个频率f1的指向性曲线，获得单指向传声器的频率响应|p|；
步骤2，在数值仿真软件中建立在消声室中测量单指向传声器的声学环境的模型，使用与单指向传声器同样形状大小的圆柱体替代单指向传声器进行仿真；通过仿真重现在消声室中测量单指向传声器的正向入射频率响应曲线以及指向性曲线的情景与过程，获得在消声室中测量单指向传声器频率响应|p|相同情景下圆柱体前后的声压p1、p2，并将其视为在消声室中测量时对应情形下单指向传声器前后的声压；
步骤3，根据式(1)对单指向传声器进行建模，式中ω为角频率，ω＝2πf，f为频率；通过代入在消声室中测量获得的频率f1的正向入射频率响应|p|a、背向入射频率响应|p|b，任意频率f2的正向入射频率响应|p|c以及仿真得到的对应情形下单指向传声器前后的声压p1i、p2i，i＝a，b,c，求解获得式(1)的参数值A、B、C；
步骤4，根据在消声室中测量获得的频率f1的正向-背向灵敏度指数M通过式(2)计算单指向传声器前后的等效声程差l1，式中c0为声速；
步骤5，根据A(l1+l2)/c0＝1计算背腔应该引入的额外声程l2；
步骤6，背腔满足两个条件：(a)背腔开口与单指向传声器背部的距离为l2；(b)根据式(3)计算得到的背腔的共振频率f0远大于目标频段中的任意一个频率，式中r1为背腔开孔半径，V为背腔体积，l为背腔开孔的深度：
步骤7，引入的背腔会导致单指向传声器对正向入射频率响应增加Al2/(c0+Al1)倍，对增加背腔后的测量结果进行校准。
2.根据权利要求1所述提升单指向传声器的低频指向性的方法，其特征在于：单指向传声器的振膜两端的净压差表示为：
式中ZAD为振膜的类比声阻抗，Ram为背壁开孔的等效声阻，Cam为单指向传声器的腔体的声容，p1、p2分别为单指向传声器前后的声压，角频率ω＝2πf；
式(4)变换为：
式中
3.根据权利要求1所述提升单指向传声器的低频指向性的方法，其特征在于：增大背腔的共振频率f0的方法为增大背腔开孔半径r1。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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