CN117857983A - 一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构及其设计方法，该结构为动圈式扬声器和背腔组成的音箱连接数字分流电路，其中数字分流电路由电压电流转换电路﹑模拟数字转换器ADC﹑可编程阵列逻辑FPGA和数字模拟转换器DAC串联构成。该吸声结构仅通过数字分流电路的设计，实现低频处任意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，具有结构薄和调节方便的特点，并且提高了系统的稳定性和精确度。
Description
一、技术领域
本发明提出了一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构及其设计方法。
二、背景技术
对于一些大型机器，包括变压器和空压机等产生的噪声，通常是多个单频分量合成的有调噪声。
高频噪声随着距离的增加或者遇到障碍物，能迅速地衰减。低频噪声衰减缓慢，声波比较长，容易穿越障碍物直入人耳。其中，低频噪声是影响人的身心健康最主要的噪声频段。目前常用的吸声技术主要分为被动吸声和有源吸声两大类。传统的被动吸声技术主要采用多孔材料和共振吸声体，对高频声波具有较好的吸声效果，但在低频处的吸声性能较低，通常采用增加材料的厚度、扩大背腔深度的方法，提高低频处的吸声系数。
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。CN108932939A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，结构为多个分流扬声器并联构成的分流扬声器阵列。CN116866794A描述了一种穿孔-分流扬声器与穿孔板分腔低频吸声体，能够呈现多共振低频宽带吸声，达到小尺度扬声器高效控制大面积噪声的效果。CN112233638A描述了一种可调的低频消声结构的设计方法，具有体积小，便于调节，同时能够提高管道降噪量。然而，以上技术中采用的分流电路主要是基于模拟电路，模拟电路的寄生阻会引起系统的稳定性和精确性比较差。本发明在这些现有专利基础上，提出了一种基于数字分流扬声器的新型低频吸声结构，该吸声结构仅通过数字分流电路的设计，实现低频处任意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，具有结构薄和调节方便的特点，并且提高了系统的稳定性和精确度。
三、发明内容
1、发明目的：本发明提出了一种针对低频噪声的可调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，本发明所述的针对低频噪声的可调薄型吸声结构为：动圈式扬声器和背腔组成的音箱(1)连接数字分流电路(6)构成，其中数字分流电路(6)由电压电流转换电路(2)﹑模拟数字转换器ADC(3)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)和数字模拟转换器DAC(5)串联构成，如图1所示。其中电压电流转换电路(2)由检测电阻Rs(8)(12)﹑运算放大器(9)﹑输入电阻Ri(10)(11)与反馈电阻Rf(7)(13)构成，其中运算放大器(9)的输出端与检测电阻Rs(8)相连，运算放大器(9)正极输入端的一支经反馈电阻Rf(7)和检测电阻Rs(8)相连﹑另一支经输入电阻Ri(10)和数字模拟转换器DAC(5)相连，运算放大器(9)的负极输入端的一支经检测电阻Rs(12)和反馈电阻Rf(13)与检测电阻Rs(8)相连﹑另一支经输入电阻Ri(11)和接地端相连。
基于电力声类比法分析建立模型，如图2所示，由此可以推出分流扬声器的等效表面声阻抗为
其中Ras为扬声器支撑系统的等效声阻，S为扬声器振膜有效面积，ω为角频率，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，Cas为扬声器支撑系统的等效声顺，Mas为扬声器振动系统的等效声质量，Cac＝V/ρ0c0 2为背腔的等效声容，RE为音圈直流电阻，LE为音圈电感，Zp为分流电路的电阻抗。
进一步可得出正入射吸声系数为
式中，Re(ZSL)和Im(ZSL)分别为ZSL的实部与虚部，ρ0为空气密度，c0为空气内声速。
分流电路的电阻抗Zp通过公式(3)可以得出
其中，u是扬声器两端的电压，经过模拟数字转换器ADC(3)作为滤波器的输入信号，uout是滤波器输出电压经数字模拟转换器DAC(5)的信号，i是uout经电压电流转换电路(2)转换的输出电流。u/uout＝H(s)可通过模拟数字转换器ADC(3)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)﹑数字模拟转换器DAC(5)实现，相应的数字滤波器传递函数H(z)可基于可编程阵列逻辑FPGA模块实现(4)。uout/i可通过电压电流转换电路(2)实现电压到电流的转换，往往设计为一常数Np。这样，扬声器两端连接着的就是等效的数字合成阻抗。
因此，通过设计数字滤波器参数，即可实现合成阻抗，等效的效果如图3所示：
当开关连接电感支路时，数字分流电路实现的合成阻抗为Zp＝-RE-jωLE+jωLp，其中负电阻-RE(14)﹑负电感-LE(15)分别用来抵消直流阻RE﹑音圈电感LE，净贡献为合成电感Lp(18)。数字分流扬声器的共振频率为
动圈式扬声器开路时的共振频率为
当开关连接电容支路，数字分流电路实现的合成阻抗为Zp＝-RE-jωLE+1/jωCp，其中负电阻-RE(14)﹑负电感-LE(15)分别用来抵消直流阻RE﹑音圈电感LE，净贡献为合成电容Cp(17)。数字分流扬声器的共振频率为
由式(4)和(5)可知：净贡献为合成电感时，数字分流扬声器的共振频率fL大于f0，合成电感Lp越小则吸声峰处的共振频率越高；由式(6)和(5)可知：净贡献为合成电容时，数字分流扬声器的共振频率fL小于f0，合成电容Cp越大则吸声峰处的共振频率越低。通过设计合成阻抗，可以将吸声峰精确地调节至低频处任意目标频率，而不需要依赖于后腔深度的调整。
针对低频处的任意单频分量进行设计，按以下步骤实现：
(1)确定低频处的可调目标吸声频率ft。
(2)查阅产品说明书，选择等效面积S﹑等效力阻Rms满足Rms/S≈ρ0c0动圈式扬声器音箱，其中ρ0为空气密度﹑c0为空气内声速，测量其直流阻RE﹑音圈电感LE﹑力因子Bl﹑机械质量Mms﹑等效力顺Cms﹑音箱的开路共振频率f0和背腔的体积V，其中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。
(3)由电压电流转换电路可知：电压转电流比例系数其中uout是滤波器输出电压经数字模拟转换器DAC(5)的信号，i是uout经电压电流转换电路(2)转换的输出电流，对Np进行设计来调整电压电流转换电路的比例，常取Np＝1对输入电阻Ri(10)(11)和反馈电阻Rf(7)(13)进行设计，检测电阻Rs(8)和Rs(12)取值相同。
(4)选用包含模拟数字转换器ADC(3)﹑模拟数字转换器DAC(5)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)的嵌入式系统的仪器，基于FPGA平台，设计数字滤波器系数。
若目标吸声频率ft高于音箱的开路共振频率f0，设计合成电感Lp，使得分流扬声器的共振频率与目标吸声频率ft相等，其中Cas为扬声器支撑系统的等效声顺﹑Mas为扬声器振动系统的等效声质量﹑Cac＝V/ρ0c0 2为背腔的等效声容，由此可以计算出所需设计的数字滤波器传递函数/>的系数其中T是采样周期。
若目标吸声频率ft低于音箱的开路共振频率f0，设计合成电容Cp，使得分流扬声器的共振频率与目标吸声频率ft相等，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数/>
若目标吸声频率ft等于开路共振频率f0，设计合成电阻Rp，使得总的声阻Rms/S+B2l2/SRp接近于空气的特性阻抗ρ0c0，由此计算出所需设计的数字滤波器系数
(5)将动圈式扬声器和背腔组成音箱(1)，音箱的接线端连接电压电流转换电路(2)﹑模拟数字转换器ADC(3)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)﹑数字模拟转换器DAC(5)，构成低频可调数字分流扬声器吸声结构。
3、有益效果：本发明与现有技术相比，提出了一种针对低频的可调薄型吸声体，该吸声结构对低频的吸收不依赖于腔体深度，而是通过数字分流电路的调节，因此具有结构薄和调节方便的特点，并且克服了模拟电路中寄生阻造成的稳定性﹑精确性差的问题。针对低频处的任意频率，可实现良好吸收。
四、附图说明
图1是针对低频噪声的可调薄型吸声结构的示意图。
图2是数字分流扬声器的声学端类比线路图。
图3是数字分流扬声器的可调合成阻抗的等效效果示意图。
图4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6个频率分量ft＝100Hz﹑135Hz﹑155Hz﹑185Hz﹑200Hz﹑225Hz为例，对本发明作详细说明。
1、根据技术方案中步骤(1)，确定低频处可调的6个目标吸声单频分量ft＝100Hz﹑135Hz﹑155Hz﹑185Hz﹑200Hz﹑225Hz。
2、根据技术方案中步骤(2)，选择等效力阻Rms＝1.136kg/s﹑有效面积S＝2.10E-2m2的动圈式扬声器音箱，此时Rms/S≈ρ0c0。测量其余的TS参数和尺寸参数：直流阻RE＝6.87Ω，音圈电感LE＝0.457mH，力因子Bl＝7.572T·m，机械质量Mms＝13.382g，等效力顺Cms＝0.769mm/N，共振频率f0＝169Hz，箱体背腔的体积V＝4.9E-3m3。
3、由电压电流转换电路可知对Np进行设计来调整电压电流转换电路的比例，常取Np＝1进行设计：输入电阻Ri(10)(11)＝10Ω，反馈电阻Rf(7)(13)＝20Ω，检测电阻Rs(8)(12)＝12Ω。
4、根据技术方案中步骤(4)，选用包含模拟数字转换器ADC﹑模拟数字转换器DAC﹑可编程阵列逻辑FPGA的嵌入式系统的仪器NI myRIO。基于FPGA平台，设计数字滤波器系数。
若目标吸声频率ft低于音箱的开路共振频率f0，合成电容Cp，使得分流扬声器的共振频率与目标吸声频率ft相等，由此可以计算出所需设计的数字滤波器传递函数/>的系数/>其中T是采样周期，取采样周期T＝1。
目标频率ft＝100Hz，是低于共振频率f0＝169Hz的，根据公式(6)设计合成电容为100uf，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数具体数值为
目标频率ft＝135Hz，是低于共振频率f0＝169Hz的，根据公式(6)设计合成电容为55uf，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数具体数值为
目标频率ft＝155Hz，是低于共振频率f0＝169Hz的，根据公式(6)设计合成电容为22uf，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数具体数值为
若目标吸声频率ft高于音箱的开路共振频率f0，设计合成电感Lp，使得分流扬声器的共振频率与目标吸声频率ft相等，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数/>其中T是采样周期，取采样周期T＝1。
目标频率ft＝185Hz，是高于共振频率f0＝169Hz的，根据公式(4)设计合成电感为20mH，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数具体数值为
目标频率ft＝200Hz，是高于共振频率f0＝169Hz的，根据公式(4)设计合成电感为10mH，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数具体数值为
目标频率ft＝225Hz，是高于共振频率f0＝169Hz的，根据公式(4)设计合成电感为5mH，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数具体数值为
5、根据技术方案中步骤(5)，将动圈式扬声器和背腔组成音箱，音箱的接线端连接电压电流转换电路，模拟数字转换器ADC，可编程阵列逻辑FPGA，数字模拟转换器DAC，构成低频可调数字分流扬声器吸声结构。用传递函数法测量这6种工况下的正入射吸声系数，测试结果如图4所示。可以发现分别在100Hz﹑130Hz、157Hz、188Hz、204Hz,、227Hz处出现吸声峰，与目标频率的频率偏差分别为0Hz﹑-5Hz、-2Hz、3Hz、4Hz、2Hz,吸声系数分别为0.927﹑0.973、0.981、0.983、0.984、0.961，实现了良好的声吸收。
本发明提出了一种针对低频可调噪声控制的结构及其设计方法。以低频噪声中6个频率分量ft＝100Hz﹑130Hz﹑157Hz﹑188Hz﹑204Hz﹑227Hz为例，仅通过数字分流电路的设计，可实现良好声吸收。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构，其特征在于：动圈式扬声器和背腔组成的音箱(1)连接数字分流电路(6)构成，其中数字分流电路(6)由电压电流转换电路(2)﹑模拟数字转换器ADC(3)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)和数字模拟转换器DAC(5)串联构成。
2.根据权利要求1所述的一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构，其特征在于电压电流转换电路(2)由检测电阻Rs(8)(12)﹑运算放大器(9)﹑输入电阻Ri(10)(11)与反馈电阻Rf(7)(13)构成，其中运算放大器(9)的输出端与检测电阻Rs(8)相连，运算放大器(9)正极输入端的一支经反馈电阻Rf(7)和检测电阻Rs(8)相连﹑另一支经输入电阻Ri(10)和数字模拟转换器DAC(5)相连，运算放大器(9)的负极输入端的一支经检测电阻Rs(12)和反馈电阻Rf(13)与检测电阻Rs(8)相连﹑另一支经输入电阻Ri(11)和接地端相连。
3.一种针对低频噪声的可调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)确定低频处的可调目标吸声频率ft；
(2)查阅产品说明书，选择等效面积S﹑等效力阻Rms满足Rms/S≈ρ0c0动圈式扬声器音箱，其中ρ0为空气密度﹑c0为空气内声速，测量其直流阻RE﹑音圈电感LE﹑力因子Bl﹑机械质量Mms﹑等效力顺Cms﹑音箱的开路共振频率f0和背腔的体积V，其中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；
(3)由电压电流转换电路可知：电压转电流比例系数其中uout是滤波器输出电压经数字模拟转换器DAC(5)的信号，i是uout经电压电流转换电路(2)转换的输出电流，对Np进行设计来调整电压电流转换电路的比例，常取Np＝1对输入电阻Ri(10)(11)和反馈电阻Rf(7)(13)进行设计，检测电阻Rs(8)和Rs(12)取值相同；
(4)选用包含模拟数字转换器ADC(3)﹑模拟数字转换器DAC(5)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)的嵌入式系统的仪器，基于FPGA平台，设计数字滤波器系数；
(5)将动圈式扬声器和背腔组成音箱(1)，音箱的接线端连接电压电流转换电路(2)﹑模拟数字转换器ADC(3)﹑可编程阵列逻辑FPGA(4)﹑数字模拟转换器DAC(5)，构成低频可调数字分流扬声器吸声结构。
4.如权利要求3所述的一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构的设计方法，其特征在于：若目标吸声频率ft高于音箱的开路共振频率f0，设计合成电感Lp，使得分流扬声器的共振频率与目标吸声频率ft相等，其中Cas为扬声器支撑系统的等效声顺﹑Mas为扬声器振动系统的等效声质量﹑Cac＝V/ρ0c0 2为背腔的等效声容，由此可以计算出所需设计的数字滤波器传递函数/>的系数其中T是采样周期。
5.如权利要求3所述的一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构的设计方法，其特征在于：若目标吸声频率ft低于音箱的开路共振频率f0，设计合成电容Cp，使得分流扬声器的共振频率与目标吸声频率ft相等，由此可以计算出所需设计的数字滤波器系数/>
6.如权利要求3所述的一种针对低频噪声的可调薄型吸声结构的设计方法，其特征在于：若目标吸声频率ft等于开路共振频率f0，设计合成电阻Rp，使得总的声阻Rms/S+B2l2/SRp接近于空气的特性阻抗ρ0c0，由此计算出所需设计的数字滤波器系数
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| CN118319356A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-07-12 | 复远数科医疗(杭州)有限公司 | 一种基于颈部体表呼吸音提取装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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