CN113630686A - 一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，包括Helmholtz声源的设计过程，利用数值模拟方法获得声源内外声压振幅随音频信号频率的变化曲线，作为模式识别对象，再评估曲线共振频率的峰值声压振幅大小，通过参数试算得出Helmholtz声源的各个电学、磁学、机械、结构、声学参数最优值。通过识别平衡、压缩、拉伸位置声压振幅频率模拟曲线模式，可以获得与实验近似的Helmholtz声源共振声压振幅和共振频率带宽范围。利用该方法能够设计出参数精度很高的低功耗、高声压振幅Helmholtz声源。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，属于电声转换领域。
背景技术
低功耗、高声压振幅输出的高强度声源在多种使用场合都具有潜在应用价值，例如直流煤粉锅炉本体和烟道声波除尘吹灰、露天安装太阳能电池板声波除尘吹灰、空气颗粒物操控脱除、声波悬浮颗粒平台、声学除尘器颗粒团聚、空气通道及烟道内颗粒物定向聚集操控、火灾烟气消除、大气声学降雨及除雾等，但是低功耗、高声压振幅输出的高强度声源的设计面临挑战。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，首先利用数值模拟计算出Helmholtz声源内外声压振幅随音频信号频率变化曲线，通过识别曲线模式，考察曲线共振频率和峰值声压振幅规律，多次反馈试算修正出Helmholtz声源的各个电学、磁学、机械、结构、声学参数的最优设计值，实现低功耗、高声压振幅输出特性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征是：应用Helmholtz声源装置，Helmholtz声源装置由扬声器和Helmholtz共振器组成，所述的Helmholtz共振器由空腔和开设在空腔上的通孔组成，所述的扬声器能向空腔输入音频信号，Helmholtz声源具体设计方法为：利用数值模拟方法，计算和描绘出Helmholtz声源内外声压振幅随音频信号频率的变化曲线，并将曲线走势作为模式识别的基础参考，再将曲线共振频率的峰值声压振幅大小作为评估指标，通过参数试算方法，多次反馈修正出扬声器和Helmholtz共振器的各个电学、磁学、机械、结构、声学参数的最优值，获得满足特定空间位置声压强度大小需求的Helmholtz声源。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
数值模拟方法具体如下：利用下列计算公式1～17，建立Helmholtz声源上各个电学、磁学、机械、结构、声学参数与Helmholtz声源内外部的输出声压振幅，Helmholtz声源的声阻抗、等效电阻抗和等效声阻抗，扬声器的等效电阻抗以及刚性壁面Helmholtz共振器的声学总阻抗之间的评估关系：
式1、式2中Ra1、Ma1和Rm1分为扬声器振膜对附近空气介质的辐射声阻、辐射声抗和辐射力阻；ρ0为空气介质密度；f＝ω/(2π)为音频信号的频率，等效于需求声波频率；ω为角频率；Sa＝(πdn1 2)/4为振膜的横截面积，dn1为振膜的直径；
式3、式4中Zine、Zm1和ZM分别为扬声器的等效总电阻抗、等效声阻抗和等效力阻抗；j为虚数，j2＝-1；B、l、Re和Le分别为音圈的磁感应强度、线圈导线长度、内阻和电感；Rmo、Mmo和Cmo分别为振动系统的力阻、力质量和力顺；
式5、式6、式7、式8、式9中Ca、lt和dt分别为Helmholtz共振器空腔的内部容积空气声顺、长度和内径；c0为空气介质声速；Ra为Helmholtz共振器通孔内空气介质运动过程中通孔壁面摩擦消耗产生的声阻；Ma为通孔内空气介质圆柱单元往复振荡产生的声质量；le和de分别为通孔的长度和内径；f0为Helmholtz共振器共振频率；对应角频率为ωa；Za为刚性壁面Helmholtz共振器的声学总阻抗；
式10、式11中Mmr、Rmr、Mar和Rar分别为通孔朝向外界辐射声波时的辐射力质量、辐射力阻、辐射声质量和辐射声阻；
为通孔的横截面积；k＝ω/c0为波数；
式12、式13和式14中Zaaa、Zin和Zinn分别为Helmholtz声源的声阻抗、等效电阻抗和等效声阻抗；
式15中pa为Helmholtz声源内部空腔声波放大后的声压振幅；Rg和Eg＝2u0分别为音频信号源的内阻和音频电压峰峰值；
式16中pout为Helmholtz声源内部空腔放大后的高声压振幅声波经通孔(声学元件)向外部空间辐射的高强度声波的总声压振幅；
式17中px为Helmholtz声源通孔外部出口处高强度声波在远距离直线传播至x位置处的声压振幅。
所述Helmholtz共振器空腔的长度lt由刚性Helmholtz共振器的光滑壁面长度lt1、扬声器锥形振膜结构对空腔扩容的附加长度lt2、扬声器振膜往复振动对空腔体积增减的动态改变附加长度lt共同决定，即lt＝lt1+lt2+lt3。
如果以波导内产生的特定非均匀声场为目标，与波导耦合的多个Helmholtz声源的设计方法是以目标非均匀声场的频率为初始参数分别独立设计各个Helmholtz声源；在此基础上，通过增加电感、电容、电阻串并联相位控制电路，使各个Helmholtz声源的输入音频电信号初始相位独立可控，进而在波导内产生特定声压分布梯度结构的非均匀声场。
通过独立设计各个Helmholtz声源，使多个Helmholtz声源耦合的波导的通道内产生特定非均匀声场；当裹挟夹带有悬浮颗粒的空气流过波导通道内时，利用频率、输入电压、相位可独立控制的Helmholtz声源辐射出的高强度声波和波导壁面反射波在波导内重组叠加形成特定声压分布梯度结构的非均匀声场，使空气悬浮颗粒产生定向运动。
流过波导通道内的空气裹挟夹带的悬浮颗粒尺寸大部分在200μm左右。
本发明提供一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，针对放置于空间自由场中的Helmholtz声源，利用数值模拟仿真方法计算和描绘出Helmholtz声源内外声压振幅随频率的变化曲线，并以该变化曲线共振频率峰值声压大小作为衡量指标，多次反馈设计Helmholtz声源扬声器和Helmholtz共振器的各个电、磁、机械、结构、声学参数指标，获得满足特定空间位置特定声压强度大小需求的Helmholtz声源，例如Helmholtz声源辐射出的声波在远离Helmholtz声源方向传播时，可模拟计算出具体传播位置的声压振幅。针对多个Helmholtz声源与波导耦合的非均匀声场发生装置，该方法实现了通过设计和预测Helmholtz声源和波导参数来在波导内部产生声压空间分布起伏规律结构特定的非均匀声场，即通过模拟计算来设计各Helmholtz声源内部和外部声压振幅大小，在装置实验开展之前或者开展少量实验工作之后就尽量精准地确定出特定声源和波导参数,从而在很大程度上降低了实验验证设计参数合理性的大量工作量。参数修正后的声源能够满足扬声器共振频率、Helmholtz共振器共振频率和需求声波频率一致，使其具有更为显著的低功率消耗和高声压振幅输出特性。
附图说明
图1表示本发明所设计的基于模式识别的高强度Helmholtz声源的一种结构组成示意图；其中，图中的上部和中部为Helmholtz声源的结构示意图，图中的下部为扬声器的结构示意图；
图2表示本发明所设计的基于模式识别的高强度Helmholtz声源的一种电-力-声类比系统示意图；
图3表示本发明所设计的基于模式识别的高强度Helmholtz声源的一种性能测试示意图；
图4表示本发明所设计的基于模式识别的高强度Helmholtz声源的一种表征性能示意图；
图5表示基于本发明设计的为产生特定非均匀声场而采用多个Helmholtz声源耦合波导的一种耦合方法示意图。
图中标记名称：1、障板；2、褶皱；3、弹垫；4、音圈；5、电线；6、磁路；7、磁铁；8、气孔；9、振膜；10、支撑。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
下面结合附图1～5对本发明作更进一步的说明。
一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，包括由直接辐射式电动扬声器和Helmholtz共振器组成的用于辐射Helmholtz共振频率声波且声压振幅足够高、输入电功足够低的Helmholtz声源的设计过程，以满足能够产生所需求声波频率的常见扬声器基本参数为初始设计参数，并以需求声波频率等于Helmholtz共振器的共振频率为准则来设计Helmholtz共振器的各结构尺寸；
利用数值模拟方法，计算和描绘出Helmholtz声源内外声压振幅随音频信号频率的变化曲线，并将曲线走势作为模式识别的基础参考，再将曲线共振频率的峰值声压振幅大小作为评估指标，通过参数试算方法，多次反馈修正出扬声器和Helmholtz共振器的各个电学、磁学、机械、结构、声学参数的最优值，获得满足特定空间位置声压强度大小需求的Helmholtz声源，例如参数修正后的声源能够满足扬声器共振频率、Helmholtz共振器共振频率和需求声波频率一致；
所述Helmholtz共振器由空腔、通孔和扬声器的振膜组成。
数值模拟方法具体如下：利用下列计算公式1～17，建立Helmholtz声源上各个电学、磁学、机械、结构、声学参数与Helmholtz声源内外部的输出声压振幅，Helmholtz声源的声阻抗、等效电阻抗和等效声阻抗，扬声器的等效电阻抗以及刚性壁面Helmholtz共振器的声学总阻抗之间的评估关系：
式1、式2中Ra1、Ma1和Rm1分为扬声器振膜对附近空气介质的辐射声阻、辐射声抗和辐射力阻；ρ0为空气介质密度；f＝ω/(2π)为音频信号的频率，等效于需求声波频率；ω为角频率；Sa＝(πdn1 2)/4为振膜的横截面积，dn1为振膜的直径；
式3、式4中Zine、Zm1和ZM分别为扬声器的等效总电阻抗、等效声阻抗和等效力阻抗；j为虚数，j2＝-1；B、l、Re和Le分别为音圈的磁感应强度、线圈导线长度、内阻和电感；Rmo、Mmo和Cmo分别为振动系统的力阻、力质量和力顺；
式5、式6、式7、式8、式9中Ca、lt和dt分别为Helmholtz共振器空腔的内部容积空气声顺、长度和内径；c0为空气介质声速；Ra为Helmholtz共振器通孔内空气介质运动过程中通孔壁面摩擦消耗产生的声阻；Ma为通孔内空气介质圆柱单元往复振荡产生的声质量；le和de分别为通孔的长度和内径；f0为Helmholtz共振器共振频率；对应角频率为ωa；Za为刚性壁面Helmholtz共振器的声学总阻抗；
式10、式11中Mmr、Rmr、Mar和Rar分别为通孔朝向外界辐射声波时的辐射力质量、辐射力阻、辐射声质量和辐射声阻；
为通孔的横截面积；k＝ω/c0为波数；
式12、式13和式14中Zaaa、Zin和Zinn分别为Helmholtz声源的声阻抗、等效电阻抗和等效声阻抗；
式15中pa为Helmholtz声源内部空腔声波放大后的声压振幅；Rg和Eg＝2u0分别为音频信号源的内阻和音频电压峰峰值；
式16中pout为Helmholtz声源内部空腔放大后的高声压振幅声波经通孔(声学元件)向外部空间辐射的高强度声波的总声压振幅；
式17中px为Helmholtz声源通孔外部出口处高强度声波在远距离直线传播至x位置处的声压振幅。
其中，所述Helmholtz共振器空腔的长度lt由刚性Helmholtz共振器的光滑壁面长度lt1(如lt1＝9mm)、扬声器锥形振膜结构对空腔扩容的附加长度lt2(如lt2＝4mm)、扬声器振膜往复振动对空腔体积增减的动态改变附加长度lt(lt为振膜围绕振膜振动之前自由平衡的零值位置进行正负变动)共同决定，例如lt＝lt1+lt2+lt3。当振膜振动到使空腔体积增加的位置时，lt3＞0，其位置区域用加号“+”表示；当振膜振动到使空腔体积减小的位置时，lt3＜0，其位置区域用负号“-”表示。当振膜振动到使空腔体积增加到最大值时，lt3＝2mm，此时，振膜的振动状态记为拉伸；当振膜振动到使空腔体积减小到最小值时，lt3＝-2mm，此时，振膜的振动状态记为压缩；振膜振动之前的自由平衡状态记为平衡，其位置记为Ot(0)，lt3＝0mm。
其中，如果采用多个Helmholtz声源耦合波导方法，并且以在波导内产生特定非均匀声场为目标，那么与波导耦合的多个Helmholtz声源的设计方法为：以目标非均匀声场的频率为初始参数，分别独立设计各个Helmholtz声源。在此基础上，通过增加电感、电容、电阻串并联相位控制电路，使各个Helmholtz声源的输入音频电信号初始相位独立可控，进而在波导内产生特定声压分布梯度结构的非均匀声场。
图2电-力-声类比系统表明信号源供给扬声器的音圈的正弦交流电流ie，驱动振膜振动系统的驱动力fc，振膜振动作用在空腔内附近空气介质上的辐射力fR，引起空腔内空气体积大小变化的振动总速率va，引起通孔外部附近空气介质振动的总速率vmr。
图3展示了Helmholtz声源和未耦合Helmholtz共振器的单个扬声器的电声转换性能测试方法。传声器将测得的辐射声波转换为电信号后，经NI数据采集系统收集后传递给电脑处理，展示和记录数据。
图4展示了一种基于本发明方法所设计Helmholtz声源的计算和实验性能。其中，Eg＝19V、Re＝6.3Ω、Le＝5.7×10-5H、Rmo＝0.0513Ω、Cmo＝2.09×10-3m/N、Mmo＝1.94×10- 4kg、Bl＝0.343N/A、dn＝30.5mm、dt＝35mm、de＝8mm、le＝5mm、x＝5mm、f0＝1.268kHz。由图可知，声压振幅随频率从小到大的变化模式包括两个峰值，称为极大值1和极大值2，实验值和模拟值近似。振膜振动至压缩和平衡位置处的声压频率曲线模式相似，它们的两个极大值2共振峰区频率范围的并集与实验共振峰的频率范围一致。振膜振动至平衡位置时，通过模拟计算得出的声压振幅最大值与实验共振峰值声压振幅数值相等。基于本发明方法，设计出的Helmholtz声源各参数的准确度非常高。通过识别平衡位置声压振幅频率曲线模式，可以获得所设计Helmholtz声源在共振频率条件下低功耗、高声压振幅、单频工作时的声压振幅；通过识别压缩、拉伸位置声压振幅频率曲线模式，可以获得所设计Helmholtz声源在设计共振频率下工作的共振频率带宽范围。因此，本发明设计方法提供了一种声源参数设计精度很高的低功耗、高声压振幅Helmholtz声源设计方法。
图5表示为产生特定非均匀声场而采用多个Helmholtz声源耦合波导的一种耦合方法。根据波导内非均匀声场的期望特征，利用本发明提供的一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，独立设计各个Helmholtz声源。对于所设计多个Helmholtz声源耦合波导构造非均匀声场的应用，在裹挟、夹带有大量尺寸约200μm悬浮颗粒的空气快速流过波导通道内时，利用频率、输入电压、相位可独立控制的Helmholtz声源辐射的高强度声波和波导壁面反射波在波导内重组叠加形成特定声压分布梯度结构的非均匀声场，使空气悬浮颗粒产生定向运动，例如向通道顶部壁面聚集等行为。
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 (6)
1.一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征在于：应用Helmholtz声源装置，Helmholtz声源装置由扬声器和Helmholtz共振器组成，所述的Helmholtz共振器由空腔和开设在空腔上的通孔组成，所述的扬声器能向空腔输入音频信号，Helmholtz声源具体设计方法为：利用数值模拟方法，计算和描绘出Helmholtz声源内外声压振幅随音频信号频率的变化曲线，并将曲线走势作为模式识别的基础参考，再将曲线共振频率的峰值声压振幅大小作为评估指标，通过参数试算方法，多次反馈修正出扬声器和Helmholtz共振器的各个电学、磁学、机械、结构、声学参数的最优值，获得满足特定空间位置声压强度大小需求的Helmholtz声源。
2.根据权利要求1所述的一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征在于：所述数值模拟方法具体如下：利用下列计算公式1～17，建立Helmholtz声源上各个电学、磁学、机械、结构、声学参数与Helmholtz声源内外部的输出声压振幅，Helmholtz声源的声阻抗、等效电阻抗和等效声阻抗，扬声器的等效电阻抗以及刚性壁面Helmholtz共振器的声学总阻抗之间的评估关系：
式1、式2中Ra1、Ma1和Rm1分为扬声器振膜对附近空气介质的辐射声阻、辐射声抗和辐射力阻；ρ0为空气介质密度；f＝ω/(2π)为音频信号的频率，等效于需求声波频率；ω为角频率；
为振膜的横截面积，dn1为振膜的直径；
式3、式4中Zine、Zm1和ZM分别为扬声器的等效总电阻抗、等效声阻抗和等效力阻抗；j为虚数，j2＝-1；B、l、Re和Le分别为音圈的磁感应强度、线圈导线长度、内阻和电感；Rmo、Mmo和Cmo分别为振动系统的力阻、力质量和力顺；
式5、式6、式7、式8、式9中Ca、lt和dt分别为Helmholtz共振器空腔的内部容积空气声顺、长度和内径；c0为空气介质声速；Ra为Helmholtz共振器通孔内空气介质运动过程中通孔壁面摩擦消耗产生的声阻；Ma为通孔内空气介质圆柱单元往复振荡产生的声质量；le和de分别为通孔的长度和内径；f0为Helmholtz共振器共振频率；对应角频率为ωa；Za为刚性壁面Helmholtz共振器的声学总阻抗；
式10、式11中Mmr、Rmr、Mar和Rar分别为通孔朝向外界辐射声波时的辐射力质量、辐射力阻、辐射声质量和辐射声阻；
为通孔的横截面积；k＝ω/c0为波数；
式12、式13和式14中Zaaa、Zin和Zinn分别为Helmholtz声源的声阻抗、等效电阻抗和等效声阻抗；
式15中pa为Helmholtz声源内部空腔声波放大后的声压振幅；Rg和Eg＝2u0分别为音频信号源的内阻和音频电压峰峰值；
式16中pout为Helmholtz声源内部空腔放大后的高声压振幅声波经通孔(声学元件)向外部空间辐射的高强度声波的总声压振幅；
式17中px为Helmholtz声源通孔外部出口处高强度声波在远距离直线传播至x位置处的声压振幅。
3.根据权利要求2所述的一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征在于：所述Helmholtz共振器空腔的长度lt由刚性Helmholtz共振器的光滑壁面长度lt1、扬声器锥形振膜结构对空腔扩容的附加长度lt2、扬声器振膜往复振动对空腔体积增减的动态改变附加长度lt共同决定，即lt＝lt1+lt2+lt3。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征在于：如果以波导内产生的特定非均匀声场为目标，与波导耦合的多个Helmholtz声源的设计方法是以目标非均匀声场的频率为初始参数分别独立设计各个Helmholtz声源；在此基础上，通过增加电感、电容、电阻串并联相位控制电路，使各个Helmholtz声源的输入音频电信号初始相位独立可控，进而在波导内产生特定声压分布梯度结构的非均匀声场。
5.根据权利要求1所述的一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征在于：通过独立设计各个Helmholtz声源，使多个Helmholtz声源耦合的波导的通道内产生特定非均匀声场；当裹挟夹带有悬浮颗粒的空气流过波导通道内时，利用频率、输入电压、相位可独立控制的Helmholtz声源辐射出的高强度声波和波导壁面反射波在波导内重组叠加形成特定声压分布梯度结构的非均匀声场，使空气悬浮颗粒产生定向运动。
6.根据权利要求5所述的一种基于模式识别的高强度Helmholtz声源设计方法，其特征在于：流过波导通道内的空气裹挟夹带的悬浮颗粒尺寸大部分在200μm左右。
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