CN112233638A - 一种可调的低频消声结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调的低频消声结构的设计方法，包括获得扬声器的TS参数，确定分流扬声器闭箱体积V，计算背腔等效力顺C_mb，计算闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率f₀。获取消声目标频率f，比较共振频率f₀和消声目标频率f，确定在分流电路中选用电容C_p还是中选用电感L_p，构建分流电路，在管道上设置两个流扬声器，两个分流扬声器的间距为目标频率f对应声波波长，本发明结构简单，体积小，便于调节，同时能够提高管道降噪量。

Description

一种可调的低频消声结构的设计方法

技术领域

本发明涉及一种提升分流扬声器一维管道隔声性能的方法，属于声学技术领域。

背景技术

管道消声有多种实现方式。传统方式是使用阻性消声器(利用多孔材料吸收声能)或抗性消声器(利用声波的反射、干涉及共振等原理吸收或阻碍声能传播)，但对于低频消声，这两类消声器往往需要较厚的多孔材料或较大的空腔。有源消声器，用扬声器产生与噪声相位相反的信号来消除噪声(P.Lueg.Process of silencing sound oscillations[P].U.S.Patent,1936,2,043,416)可以在体积受限条件下，提供良好的低频消声效果，但整个系统需要参考、误差传感器以及自适应的控制器，结构复杂，造价较高。此外，还可以使用声学超材料实现管道消声，比如在管道侧壁安装多个亥姆霍兹共鸣器以达到吸收多个频带的噪声或吸声带宽的效果(H.Long,et al.Asymmetric absorber with multiband andbroadband for low-frequency sound[J].Applied Physics Letters,2017,111(14):143502)，或者通过特殊的表面结构改变声波的传播方向将入射声波反射回去(H.Zhang,etal.Sound insulation in a Hollow Pipe with Subwavelength Thickness[J].Scientific Reports,2017,7(1):44106)，但超材料往往只针对特定的频率进行设计，一旦加工完成后，很难根据实际的噪声频率进行性能调整。

分流扬声器(CN103559877A、CN104078037A)是一种新型共振吸声结构，它由动圈式扬声器和模拟电路组成。分流扬声器利用扬声器振膜、音圈以及磁路，构成声电换能器，声波入射到分流扬声器振膜表面时，引起振膜振动，进而在分流电路中产生电流，由于振膜振动的力阻和电路中的电阻，被吸收的声能最终转化为热能耗散。通过改变分流电路中模拟电路的参数，调节分流扬声器振膜的声阻抗，达到改变分流扬声器共振频率、提高吸声系数，拓宽吸声带宽等目的(A J Fleming,et al.Control of Resonent Acoustic SoundFields by Electrical Shunting of a Loudspeaker[J].IEEE Transactions onControl Systems Technology,2007,15(4):689-703)。分流扬声器具有结构简单，受箱体体积约束小，便于调节的优势。

研究表明，将单个分流扬声器单元放置在通风管道轴线上可以达到隔声的效果，当分流扬声器为声学“软边界”，即在某些频率上声阻抗接近为0时，系统会产生强的隔声(Z.Gu,et al.Applying the Shunted Loudspeaker for Low-frequency SoundAttenuation[C].Inter-noise,2017)。但是为了保证分流电路的稳定性，振膜声阻最小值取决于扬声器单元机械系统的等效声阻(Y.Zhang.Dynamic Mass Modification byElectric Circuits[D].The University of Hong Kong,2012)。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可调的低频消声结构的设计方法，在管道侧壁安装两个流扬声器，改变两个分流扬声器的间距，可使一维管道侧壁安装两个流扬声器时的隔声效果达到最佳。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可调的低频消声结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，获得扬声器的TS参数，TS参数包括机械系统等效力顺C_ms、机械系统等效质量M_ms、机械系统等效力阻R_ms、力电耦合因子Bl。

步骤2，确定分流扬声器闭箱体积V，计算背腔等效力顺C_mb，计算闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率f₀。

步骤3，获取消声目标频率f，比较共振频率f₀和消声目标频率f，

若f<f₀，则在分流电路中选用电容C_p，

若f>f₀，则在分流电路中选用电感L_p，

步骤4，构建分流电路，将步骤3中得到的选用电容C_p或选用电感L_p与音圈电阻-R_e和音圈电感-L_e串联，连接在扬声器的两端，其中R_e为音圈电阻，L_e为音圈电感。

步骤5，在管道上设置两个流扬声器，两个分流扬声器的间距为目标频率f对应声波波长(2n+1)/4倍，其中n＝0,1,2,3…。

优选的：步骤2中闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率：

其中，f₀表示系统共振频率。

优选的：步骤2中背腔等效力顺

其中，C_mb表示背腔等效力顺，ρ₀是空气密度，c₀是空气中声速，S表示扬声器振膜面积。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明在管道侧壁安装两个流扬声器，改变两个分流扬声器的间距，可使一维管道侧壁安装两个流扬声器时的隔声效果达到最佳，由于使用分流扬声器，因此结构简单，体积小，便于调节，同时能够提高管道降噪量。

附图说明

图1为分流电路设计图，其中，图1中的图(a)为选用电容时的分流电路，图1中的图(b)为选用电感时的分流电路。

图2为一维管道有限元模型示意图。

图3为在管道侧壁仅安装一只分流扬声器和以间距为0.85m和1.7m安装两个分流扬声器的隔声量。

图4为降噪量随间距的变化示意图。

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。

一种可调的低频消声结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，查阅产品说明书或者实验测量，获得扬声器的TS参数(机械系统等效力顺C_ms，机械系统等效质量M_ms，机械系统等效力阻R_ms，力电耦合因子Bl)，选取机械系统等效力阻R_ms较小的扬声器进行结构设计；

步骤2，确定分流扬声器闭箱体积V，算得背腔等效力顺

其中ρ₀是空气密度，c₀是空气中声速，S表示扬声器振膜面积，计算闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率

步骤3，比较共振频率f₀和消声目标频率f，

若f<f₀，则在分流电路中选用电容C_p，

若f>f₀，则在分流电路中选用电感L_p，

步骤4，构建分流电路，将3中得到的C_p或L_p与-R_e和-L_e串联，连接在扬声器的两端，其中R_e为音圈电阻，L_e为音圈电感，选用电容时的分流电路如附图1中图(a)所示，电容C_p和负电阻-R_e和负电感-L_e串联，选用电感时的分流电路如图1中图(b)所示，电感L_p和负电阻-R_e和负电感-L_e串联；

步骤5，如图2所示，在管道3上设置两个流扬声器和隔声量检测点4，隔声量检测点4位置为管道3上远离入射声波的一端，两个流扬声器分别为流扬声器一1和流扬声器一2，两个分流扬声器的间距为目标频率f对应声波波长(2n+1)/4倍，其中n＝0,1,2,3…。

仿真

实以惠威S5N扬声器为例，介绍实施案例。

1，查阅或测量得到扬声器的TS参数：机械系统等效力阻R_ms＝1.40kg/s，等效质量M_ms＝8.40g，等效力顺C_ms＝0.65mm/N，力电耦合因子Bl＝6.75T·m，音圈直流阻R_e＝6.60Ω，音圈电感L_e＝0.84mH，纸盆直径为10cm。

2，测得箱体背腔的体积V＝2.1E-3m³，算得背腔等效力顺C_mb＝2.41s²kg^-1，计算闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率f₀＝131Hz。

3，目标消声频率为100Hz，小于封闭箱扬声器共振频率131Hz，选择电容C_p＝120μF。

4，搭建分流电路，利用运算放大器搭建负阻抗变换器实现负电阻-R_e＝-5.60Ω和负电感-L_e＝-0.84mH，与C_p串联。

使用商用软件COMSOL Multiphysics 5.4建立长度为6m的一维管道有限元模型，如附图2所示，管道横截面为0.17m×0.17m，对应的截止频率为1000Hz。管道内的材料为空气，侧壁均为刚性。在x＝0m和x＝6m的管道开口处设置平面波辐射条件，x＝0m处入射的平面波声压幅值为1Pa。在x＝5.95m处横截面中心取一点，定义该点在侧壁安装分流扬声器前后的声压级差为降噪量。

在管道侧壁仅安装一只分流扬声器和以间距为0.85m和1.7m安装两个分流扬声器的情况进行仿真，结果如附图3所示。在目标频率100Hz处，可以看出使用一个分流扬声器时，降噪量为2.0dB，两个分流扬声器间隔为0.85m时，降噪量为4.4dB，间隔为1.7m时，降噪量为3.6dB。结果表明：使用2个分流扬声器后降噪量大于单个分流扬声器，而2个分流扬声器间隔为0.85m时降噪量最大。

为进一步显示间距为目标频率f对应声波波长(2n+1)/4倍的合理性，基于上述有限元模型，将2只分流扬声器的间距从0.34m～4.76m以0.068m的步长增大,所得降噪量随间距的变化如附图4所示。可见间距取为目标频率f对应声波波长(2n+1)/4倍，n＝0,1,2,3…时，降噪量都出现极大值4.4dB。

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)

1.一种可调的低频消声结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获得扬声器的TS参数，TS参数包括机械系统等效力顺C_ms、机械系统等效质量M_ms、机械系统等效力阻R_ms、力电耦合因子Bl；

步骤2，确定分流扬声器闭箱体积V，计算背腔等效力顺C_mb，计算闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率f₀；

步骤3，获取消声目标频率f，比较共振频率f₀和消声目标频率f，

若f<f₀，则在分流电路中选用电容C_p，

若f>f₀，则在分流电路中选用电感L_p，

步骤4，构建分流电路，将步骤3中得到的选用电容C_p或选用电感L_p与音圈电阻-R_e和音圈电感-L_e串联，连接在扬声器的两端，其中R_e为音圈电阻，L_e为音圈电感；

步骤5，在管道上设置两个流扬声器，两个分流扬声器的间距为目标频率f对应声波波长(2n+1)/4倍，其中n＝0,1,2,3…。

2.根据权利要求1所述可调的低频消声结构的设计方法，其特征在于：步骤2中闭箱扬声器两端开路时的系统共振频率：

其中，f₀表示系统共振频率。

3.根据权利要求2所述可调的低频消声结构的设计方法，其特征在于：步骤2中背腔等效力顺

其中，C_mb表示背腔等效力顺，ρ₀是空气密度，c₀是空气中声速，S表示扬声器振膜面积。

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