CN1192352C - 控制噪声与振动的射流元件结构体及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种射流结构体，包含成组的射流元件片组，其提供一种消声声波在噪声环境中控制噪声、阻止振动表面的声幅射、消除声波引起的表面振动以及吸收可能作用于表面的声波。该结构体具有用于不同场合的各种几何形状，但一般都具有位于一侧的面板和位于另一侧的底板。射流放大器对流过结构体的流体流进行调制，结构体面板上的输入口探测需要控制的声波，而输出口输出与入射声波相位相异的消声声波以抵消噪声声波。

Description

控制噪声与振动的 射流元件结构体及其控制方法

技术领域

本发明涉及有关噪声衰减领域，并提出了一种结构体，该结构体包含了可对结构体阻抗进行控制的射流元件，以便在一个宽频带范围内衰减声波。

背景技术

目前已经开发出多种衰减噪声的技术，其中包含，例如，使用被动式消声器，这类方法已使用于汽车的排气系统中。还有一些其他技术，包括在发出噪声的装置周围使用减噪罩以及使用声波吸收材料以减少环境中的声波混响等。此外，通过产生“消声声波”以中和噪声波的主动降噪技术已被证明是成功的。例如，将一个用麦克风进行噪声探测的系统(麦克风靠电源供电)同一个用扬声器产生抵消波的系统相连(扬声器靠电源供电)而形成的主动降噪系统已成功地应用在螺旋桨飞机舱中，电子麦克风-扬声器系统需要将多个麦克风及扬声器设备沿机舱壁分布，且只限于在一很窄的频带范围内衰减噪声。这一系统对于衰减由旋转的推进器产生的周期性声压效果较好，但不适用于衰减喷气式发动机或飞行器的空气动力边界层产生的宽频带声波。

所以需要一种能可靠而且经济地在较宽的频带范围内衰减声波的装置，最好是无需投入大量维护并能在无需连续监控的情况下长期有效地工作。而且具有节能性，在无需能源或很少能源供应的情况下工作，此外，这一装置应节省空间，体积不能过大，以便在各种对空间要求严格的应用场合使用。最后，该装置应当很轻，使其可在飞机机舱这类对重量敏感的应用场合下使用。

发明内容

本发明提供了一种可控制的、声阻抗特别低的结构体，可以有效地衰减环境中的宽频带噪声。该结构体可以做成各种形状，包括适合象墙纸一样使用的平面形状、适用于消声器的圆筒形，以及适用于其他降噪应用的形状，该结构轻而薄，所以很省空间。而且，该结构不需要输入电能和其他能源而只要输入适当的气态或液态的加压流体。

根据本发明，该结构体用于衰减流体环境中的声波，其包括：

(a)面板，其具有多对与流体环境流体连通的输入口和输出口，输入口和输出口对中的每一个输入口都位于该对中相应的输出口附近；

(b)由射流薄片形成的片组，每个射流薄片包括多个射流元件，所述射流元件包括射流传导元件和射流放大器，包括在一个射流薄片中的射流元件与相邻射流薄片中的射流元件流体连通，形成了多个相互连通的射流元件，位于射流薄片片组一个表面上的射流薄片与面板是并排的，面板上成对的输入口和输出口的与所述多个相互连通的射流元件中相关联的一个流体连通；

(c)背板，具有多个流体供应口、排空口和通气口，该背板与远离面板的射流薄片是并排的，这些供应口、排空口和通气口与射流元件流体连通，供应口接收压力流体，排空口为与从输出口出来的声波反相的残余声波提供了出口，通气口向大气压力开放，于是，进入输入口的声波被从成对输入口和输出口中的相应输出口出来的声波抵消，出来的声波与进入的声波反相。

本发明还提供了一种衰减流体环境中声波的方法，该方法包括：

(a)在多个输入口接收要衰减的声波，每一个输入口都位于相应的输出口附近，所述输入口和相应的输出口位于面板上，

(b)将在多个输入口中的每一个处接收到的要衰减的声波提供给相应的射流元件片组，对供应到射流元件片组的压力流体进行放大和相位调制，生成与相应输入口接收到的声波反相的调制后的压力流体，所述射流元件片组包括射流放大器，射流元件包括在射流薄片的片组中，相邻射流薄片中的射流元件是流体连通的，多个输入口位于所述射流薄片的片组的一个表面上；

(c)将所述射流元件片组生成的反相调制压力流体传导到相应的输出口；

(d)减小传导到相应输出口的反相调制压力流体与供应到射流元件片组的压力流体的其余部分之间的干扰。

本发明还提供了一种衰减由振动体向其周围环境幅射的声波的方法，包括：

(a)在振动体和其周围环境之间加入射流元件片组阵列；

(b)在多个输入口接收要衰减的声波，每一个输入口都位于相应的输出口附近，所述输入口和相应的输出口位于面板上，

(c)将在多个输入口中的每一个处接收到的要衰减的声波提供给相应的射流元件片组，对供应到射流元件片组的压力流体进行放大和相位调制，生成与相应输入口接收到的声波反相的调制后的压力流体，所述射流元件片组包括射流放大器，射流元件包括在射流薄片的片组中，相邻射流薄片中的射流元件是流体连通的，多个输入口位于所述射流薄片的片组的一个表面上；

(d)将每一个射流元件片组生成的反相调制压力流体传导到与把要衰减的声波供应到射流元件片组的输入口相应的输出口；

(e)减小传导到相应输出口的反相调制压力流体与供应到射流元件片组的压力流体的其余部分之间的干扰。

本项发明的结构体由多个片组构成的阵列形成，在薄片上切出有射流元件，每个射流元件片组包含有至少一片，最好是多片带有射流放大器的薄片。这些射流放大器可以串联以便每一薄片都能显著地放大经过片组的流体的声压。该射流结构体还具有至少一个控制口(或称“麦克风”)位于结构体面板上，该面板朝向需要进行噪声控制的环境中，该控制口所接收的输入对从供应口进入结构体的流体流进行调制以产生同环境声波相位相异的声波。所产生的这种经过放大、且相位相异的声波(消声声波)从至少一个出口(或称“扬声器”)自结构体发出并对入射声波进行控制和衰减。同时，放大后的声压中不需要的那部分从射流元件阵列中的至少一个排空口中被排空到一个足够远的地方，以使其对衰减噪声工作不产生很大的影响。

由于空气供应通过射流元件结构体到达出口需要一个传递时间，因此在高频情况下，可能在结构体射流环路中发生不稳定的问题。为抵消这种可能性，结构体包含了小孔和腔体(volume)形式的声波低通滤波器，以滤去高频波。

在优选实施例中，每块“射流元件薄片”由厚度大约0.1mm到1mm，优选地0.1mm至0.5mm的薄片材料制成。可使用包含金属膜，塑料片等在内的一系列材料。多个带有射流放大器的这种薄片，其间交替夹带有带传导元件的薄片，组合成元件的一“片组”。在传导元件薄片上的传导元件控制着位于该片二个面上的射流元件薄片上射流元件之间的流体流动或传导。多个射流元件片组和传导元件片组组合在一起构成了片组的一个“阵列”。根据这个阵列的几何特征，构成了本发明实施例中的噪声控制“壁纸”或圆筒柱式消声器，下面将对此做进一步详细的描述。

由于本项发明的结构体可能会被要求定制以适合特定的应用场合，所以结构体做成一系列不同的几何形式，每种几何形式与一特定的应用相适应。这里所描述的一个实施例中，本项发明的噪声控制结构体的形式为一种“吸收声波的壁纸”，其中主要包括平面射流元件。这样一系列带有平面射流元件的薄片以一预定的顺序组织在一起以便取得所期望的衰减噪声的效果。这种降噪“壁纸”可以用于各种不同场合，包括用做飞机机舱和其他交通工具的侧壁的衬层，用于剧院、录音室、歌剧厅以处理音响，以及用于某些会产生对人体健康有害的高分贝噪声的加工制造环境中。

在本发明的另一个实施例中，噪声控制结构体大致为一圆筒形，带有射流元件的薄片被卷成类似于一卷羊皮纸卷。这种形式的结构体被用做为通过该结构体轴孔的流体声波的消声器。在另一种形式的消声器实施例中，由射流元件薄片卷制成圆筒状并与一圆筒式被动消声器在轴向对齐，形成一种能高效衰减噪声的复合式消声器。在另一个实施例中，射流元件结构体为平面或圆筒状形式，其中有被动式元件，在这种形式中，被动式元件的作用是提高结构体的声稳定性，并提高其可衰减的频率范围。

本发明的射流元件噪声控制装置可以制成不同的厚度，其中厚度较薄的结构体更好些。在“壁纸”实施例中，结构体的厚度通常是在1.0mm至5.0mm的范围内，这样一种结构体可以衰减频率范围在0至400Hz范围内的声波。虽然在大多数应用中都希望减小射流元件的厚度和尺寸，但现有技术只能将“壁纸”厚度限制在1.0～5.0mm的范围内。如果能够将射流元件做得更薄，更小些，则结构体可对于0～2000Hz频率范围的声波进行衰减。

附图说明

以下结合附图所做的具体说明，可使本项发明上述的有关方面及其他的优点得以更清楚的认识和理解。

图1是射流放大器的示意图；

图2表现了在射流环路中一个带有二个控制口的射流放大器；

图3是根据本发明，从前方看去的一薄片射流元件的实施例的示意图，图中所示为许多在薄片上切出的射流元件(重复个体)；

图4是一个实施例的分解图示意图，该实施例具有带有根据本发明的射流元件和传导元件的简化后的片组；

图5示出了在一射流环路中串联分布的三个本发明的射流元件；

图6是根据本发明的一个圆筒形消声器的实施例的透视图，在该消声器中部有一个圆筒形射流结构体；

图7是根据本发明，使用EASY5模块建立的压力放大级的模型示意图；

图8是根据本发明，使用EASY5模块建立的末级射流放大器的实施例的示意图；

图9A是根据本发明，使用EASY5模块建立的配平板射流结构体的实施例的示意说明图；

图9B和9C是图9A所示模型的开环增益和相位与频率的关系图；

图9D是图9A所示模型的闭环增益-频率关系图；

图10是根据本发明的增益增大环路的实施例的示意图；

图11A是根据本发明，使用EASY5模块且带有反馈增压的压力放大级的实施例的示意图；

图11B是关于图11A中模型的性能特性示意图；

图12A是根据本发明的一种主动式空调器消声衬层的实施例的示意图；

图12B是关于图12A消声器的性能特性的示意图。

具体实施方式

本发明提供了可主动控制声阻抗的结构体，该结构体由许多层压薄片形成的片组以阵列形式排列而成。最好是阵列中的每一薄片包含有射流元件或在射流元件之间的传导元件。射流元件中有一些是射流放大器，这些放大器最好是串连。串联放大器的输入可以来自朝向噪声环境的一侧并受到声波的激发，或朝向需要控制的发出声波的物体一侧。该结构体同时还接收在入口被调制的流体以产生一定量的“消声声波”或与被控的声波相位相异的声波。其效果是主动控制声阻抗使声波被抵消，或者减小被结构体所覆盖的振动体(如飞机机舱壁)所发出的声音辐射。

本发明的一个独特之处在于使用射流做为媒介来消除噪声，由此可使用壁或其它物体的整个表面作为“扬声器”，抵消从暴露于噪声表面上的“麦克风”输入的噪声振动。

以下的有关名词的定义不是要否定这些名词在本领域内的通常含义，而是要澄清之以便更容易理解本项发明。在说明书和权利要求书中，名词“大致平面”包括具有很大曲率半径的结构体，如具有圆筒形机身的飞机侧壁的墙体覆盖层。说明书和权利要求书中所用名词“薄片”是指用适合于制造射流元件和传导元件的材料，如有机聚合物(塑料)、金属膜等所制造出的薄片。为了获得最小的体积，最好，用于制造本发明结构体的薄片应尽可能地薄。尽管根据特殊场合的需要，薄片可以薄至0.05mm并且厚度上限可进一步提高，但通常薄片的厚度为0.2～0.5mm，“射流元件”是指在薄片上切出的一具有精确形状的部分，它具有至少一个进口以接受流体和一个排出流体的出口。切出的射流元件的尺寸随射流结构的具体应用而不同，典型元件的尺寸范围是5mm²至50mm²。在阵列中每个薄片上切出的大量元件形成了“壁纸”形结构体。“射流放大器”是一种用于放大所供流体声压的射流元件。“传导元件”也一种广义的射流元件，但通常不起放大作用，而一般位于一块在第一和第二薄片之间的薄片上，以控制流体从第一薄片上射流元件到第二薄片上射流元件的传递。关于射流元件的名词“片组”指一组有射流元件的薄片，依次迭在相邻元件的上面，通常在层间还插有传导元件以控制流体流。名词“片组阵列”或“射流元件的片组阵列”指一串联组织在一起并进行流体传递的流体元件的片组。根据本发明，通常片组构成一个射流结构体以进行减噪。通常情况下，一个射流元件阵列包含若干片组，每个片组至少包含一个，最好是多个射流放大器，“通气口”是指薄片上元件的一个区域，例如射流放大器主体上的一个部分，该处压力与环境压力同级。“面板”是指声射流阵列的顶层薄片，“麦克风”(或称输入口或控制口)及“扬声器”(或称输出口)位于其上。“背板”是指声射流阵列的底层薄片，排空口(或称排空孔)位于其上。

本发明的目的之一是要产生一个理想的声阻抗，对于室内的墙壁声波吸收器而言，理想的阻抗应当是范围在1ρc至2ρc之间的阻力阻抗(其中ρ是空气密度，c是声波速度)，对于消声器而言，声阻抗是在一些频率范围上与(1.8～1.5j)ω成正比的阻抗，以便能有效地抑制最小的衰减模式，(式中 $j=\sqrt{-1}$ ，ω＝环路频率)。对于一个振动的墙壁而言，最佳的阻抗是零，以便能完全抑制声波幅射。理想的情况是在存在大量噪声的频率范围产生一个范围在0.5ρc至1ρc之间的阻抗，或者是在离散的某一频率或多个频率上产生一个0.1ρc级的非常小的阻抗。

以一个具体例子做为参考，可更好地理解有关基本概念。以一个由射流和传导元件组成的墙壁衬层为例，对射流元件进行布置以使第一放大级(“麦克风”)的控制口和末级放大级(扬声器)的输出口均暴露于入射声波，其中，使控制口处的正压力在输出口处产生一个负压力(或称“消声声波”)，以抵消入射波。由于输出口的反应有一个时间延迟，所以消声声波仅当频率低于限定频率(在下面解释)时才能及时到达，而频率高于限定频率时，环路中的阻尼必须足够大以防止出现自激振荡。限定频率f由通过射流环路(即由控制口至输出口)的累积的延迟时间而决定。在此频率上，时间延迟d与一个大约60°～90°的相移相对应，即π/3＜fd＜π/2，在使fd＝π的频率上，包含麦克风与扬声器通气口的整个环路的增益，必须小于1.0以避免产生自激振荡。这一要求通过在环路中插入声滤波器实现，声滤波器的形式为阻尼小孔或毛细管，以及腔体等。这些滤波器进一步降低了环路起作用的上频率段。

参考用于说明本发明某些实施例的附图，可以更好地理解本项发明。应当清楚，本发明并不只限于所举的实施例，而是包含了在此公开和声明的全部技术，以及本领域的技术人员在阅读被公开的内容后所做的所有变化和修正。

图1是一个射流放大器10一实例的示意图，应当清楚，该实例以外其他的设计也是有用的。在所示的放大器中，在其一端有一个供应口用于将流体经喉道11带入放大器主体14。放大器主体自喉道11的端部向带有出口16a和16b的主体另一端的二侧分开。输出口16a和16b由位于放大器主体14的输出端上的一个V形分流劈15分开，分流劈带有一个倒V型尖点并与供应口12的中线L共线(此时中线L也是放大器10的对称线)。这样，流体从供应口12进入，沿箭头所示的直线流经放大器主体内的喉道11，然后被V型分流劈一分为二，分别进入输出口16a和16b。为控制在输出口16a和16b之间的流体压力分配，图中所示放大器还有一对相对设置的控制口18a和18b，与在喷射通道15内从放大器主体14供应口12流至输出口16a，6b的流体流动方向相垂直。这样，通过改变流入控制口18a与18b的控制流体的压力，流经放大器主体的流体流动方向偏斜以控制进入输出口16a和16b的流体量。由于控制口18a，18b压力受控于一个声信号，所以输出口16a，16b压力会以一个时间延迟和压力增益来响应该压力信号。此外，图中所示用做例子的放大器10具有二对位置相对的通气口17a，17b和19a，19b，位于放大器主体14的二侧，其压力大致为环境压力。

为简化对串联射流放大器的分析，这里建立了数学关系。而且，为简化对关于射流放大器的说明，还建立了传统的说明方法。例如，图2为根据本发明的一个在简化射流环路中比例式射流放大器20的例子。为射流放大器20提供的空气自供应口22进入，其声波调制受通过控制口24a和24b进入到射流放大器20相对侧面的流体控制，这样在输出口26a和26b输出的声压被放大且反相。如果该放大器是一个多级放大器的首级，则该放大器通过将其输出口26a和26b与下级控制口相接的方式与另一放大级相连。若该放大器是最后一个放大级，则根据本发明，从输出口输出的声波与第一级控制口压力同相位，并在距离射流环路足够远的地方被排空，以防止其对声阻抗控制产生大的影响。从另一输出口输出的、与首级控制口声波异相的声波被输出至需要降噪的环境中去。该输出口实际上是产生“消声声波”，即异相声波的“扬声器”。

将要被放大的声压被加至起类似于电容作用的腔体28中，腔体通过阻尼小孔30与控制口24a相连。腔体28与阻尼小孔30的组合起到一个低通滤波器35的作用，即在低频段，腔体28被充满且其压力被传至控制口24a，而在高频段，在其压力传至控制口24a以前，腔体就在压力作用下排空了。此外，通气口36在图中示为一虚线圆，由通道32和阻尼小孔34通到环境中。小孔34有足够大的阻尼基本上可防止声压传至通气口36。

虽然图1所示为从薄片上切出的单个射流元件，但通常从一个薄片上可切出很多类似的射流元件。如图3所示，在薄片100上切出很多射流元件10，此处射流元件为射流放大器。如上面所指出的那样，单个切出式射流元件的尺寸大约从5mm²至50mm²。因此，一个用于减小或控制飞机机舱内噪声的射流结构体“壁纸”将包含具有成千上万个切出式射流元件的片组。射流结构体的背板上装有与切出式射流元件的供应口相连的供应管道(未示出)，以便供应射流结构体工作所需的流体，在背板上还装有收集从排空口排出的流体所需的管道。

图4为根据本发明的一个片组50的分解示意图，该片组由多个组织在一起以构成阻抗可控的结构体的带射流元件的薄片组成。通常，由射流元件薄片组成的多个片组层叠在一起构成一个阵列，以形成一个可用的射流结构体。尽管参照图3，如上所讨论的，在实际应用中，每个薄片上含有许多切出式射流元件，但为简化起见，片组50的每一个平面薄片40，41，42，43，44，45和46，都分别具有一个切出式射流元件40a，41a，42a，43a，44a，45a和46a。为简化起见，由于每个薄片上只具有一个射流元件，所以图4中的每块薄片被当做一个“射流元件”。由平面射流元件40～46所形成的片组50包含一个位于片组50的第一元件40之上的供应口40b，第一元件40即所说的“背板”。例如，当元件的平面片组用做为飞机机舱声波壁纸的一部分时，端口40b的供气可以来自飞机的空调系统，另外也可用另一种方便的供应源，所供流体流入射流元件40的供应口40b，然后进入射流元件41的供应口并分成二股至输出口41c和41d。流体分配到输出口41c和41d的比例取决于放大器41a的控制口41e处的压力。控制口41e通过射流元件45，44，43和42与射流片组的面板46上的“麦克风”端口m相连。元件41上的二个输出口41c和41d通过传导薄片42(即通过入口42c和42d)与薄片43上的下一个放大级43a的控制口43c和43d流体相连。注意射流放大器43经入口42bb，41bb，40bb由入口43bb提供流体，以上各入口又依次与同一个流体供应入口40b相连。

放大级43a的输出口43e和43f依次与最末放大级的控制口45e和45f通过传导元件44(即端口44e和44f)流体相连。最末级放大器45a的一路输出45g(即“扬声器”)通过面板46上的小口p与环境相通，而另一路输出依次经过小孔44j，43j，42j和41j被排空到位于背板元件40上的排空口。应该认识到，在输出至环境中以前，任何片组的输出都经过多个射流放大器的连续放大。输出口45g处输出的经过放大和转相(或称异相)的声压与入射声波相遇，如标号55所示，并对入射声波加以衰减，应注意到，“麦克风”端口m处的压力是入射声压在被来自“扬声器”端口处输出抵消后的残余压力。

一般而言，最初的几个放大级的作用是放大压力，而末放大级的作用是提高流体流量。为达到该目的，末放大级由一个或多个放大器并联组成，末放大级的目标是与入射声波的体积速度相匹配。

为能更好地理解本设计要求，下面给出一个实例：假设一个幅值为85dB的声波垂直入射至射流结构体，声波的峰值质点速度为0.0027米/秒。进一步假设经过末放大级的稳定流速调制后其声波脉动为±30％，所以该稳定流速就变为0.009m/s。若重复单元片组面积为0.0001平方米，且两个放大器并联使用，则通过最末两个放大器的任一个的体积流量为9×10^-7m³/s。

为使末放大级产生出该数量的流体，前序放大器必须以10～1000的放大因子来放大剩余压力。通常，因子的取值范围是大约50到500。根据放大器的局部反馈情况，各放大级以4至25的放大因子提高声压，下面将对此进行讨论。射流元件的厚度通常在1mm到5mm内变化，在特定应用中也使用其他的厚度。构成结构体的薄片通常在10至50片之间变动，结构体的单个片组为一近似的方形区域，边长为从3mm至100mm，或更一般的情况即从5mm至50mm的范围，单个区域的边长越小，结构体性能的高频限越大。具有这样参数的结构体可以衰减频率范围为0.1Hz至约2000Hz的声波，最通常的情况是从1Hz至400Hz这个范围。

图5是对多个如图2所示的那种射流元件串联在一起的示意图。如图所示，射流元件20x，20y和20z各具有一个流体供应口22、二个控制口和二个输出口。依照图形从左到右，第一放大器20x的输出20b和20c被第二放大器20y放大，其输出20d和20e又接着被第三放大器20z放大。显然，依据特定需要还可以串联三个以上的更多的放大器。如前所述，经过声放大了的输出26a(或称“扬声器”)从第三(最后一级)放大器输出至需要减噪的外部环境，例如飞机机舱内。同时环境与放大级20x的一个控制口(等同于图4的麦克风口)也是相连的。另一路输出26b被引到放大器输出与环境相互作用区域以外的地方，且最好是排空到与该作用区域有一定距离的地方以便对于自26a处的输出的干扰最小。正如已为射流放大器环路设计领域的技术人员所熟知的那样，阻性和容性元件(如标号28所示)需要被加至环路中的各个点上以便获得使所有放大级工作在线性区域所需的压力差。

图6为依据本发明的又一个噪声衰减结构体实施例的示意图。该结构体为一个消声器75，其中射流片组阵列为圆筒形而不是大致的平面形状。如图示，结构体包括一个管状体70，该管状体在其中部位置被沿圆筒方向缠绕的射流元件片层阵列72所包围，如前所述，射流元件包括串联的放大器，以便用于在管70内部对结构体表面的声压进行放大。经过加压的流体通过管子74供应至结构体，所供流体由管子70内的压力进行声调制，得到的消声声波进入管子70以进行声波衰减。从末级放大器输出口输出的不需要的声波被排空到管子76，其引导声波和稳定的流体一起流回到中心管70中，管子74可以在射流阵列的上游处或下游处(以虚线表示)同管子70相接，如图6所示。另一种情况是，将不需要的声波从管子78排空到远处。

该射流阵列可以由平面阵列弯曲成圆筒形组成，或是由围绕着中心管70缠绕的连续的射流元件薄片构成的片组组成。圆筒形的或大致平面形的射流元件片组阵列，可将纯被动式的声波吸收元件做为补充以实现主动式射流环路的稳定性，并较单靠射流阵列自身作用而言增加了衰减的频率范围。有关这种设计的一个实例将在下面的讨论中给出。

本发明还提出了在环境中衰减声波的方法、防止振动物体向周围环境幅射声波的方法，消减在噪声环境中由于声波所引起的物体振动的方法以及吸收将要入射到物体上的声波的方法。后一种吸收声波方法包括将本发明的射流结构体插入到声波和需要保护的物体之间以避免声波影响。经过加压的流体连续地送至射流结构体的供应口，同时，将要被吸收的声波的声压在结构体的输入口处被连续探测。被探测的声压被连续调制以产生与被探测到的声波相位相异的声波，即消声声波。射流结构体连续地向环境中需要保护以免受声波影响的物体周围输出带有消声声波的足量流体，以便基本上消减环境中的声压，并因此消减了这些声波对物体造成的压力。

为了消减来源于振动物体的声幅射，采用了与上述类似的过程，不同之处在于依据本发明的射流结构体输出的连续消声声波位于振动物体的周围并基本上消除了振动物体的声波幅射。这样，噪声从振动物体向其所在环境的传播就大致被消除了。类似地，由声波所引起的物体振动的消除可以通过使用本发明的射流结构体自其输出口向暴露于噪声环境的物体表面的邻近区域连续输出足量经过放大的流体的方法来实现。这种对环境中作用于物体上的声波的消减，大大减少了声波导致的物体的振动激励。

这样，本发明不仅提供了适合于各种特定应用的具有很宽的几何形状范围的射流结构体，同时也提供了消减因声波导致的物体振动的方法、消减物体向环境发出声波幅射的方法以及用于吸收作用于物体的声波的方法。不仅如此，本发明还首次提供了具有对从0到约2000Hz的很宽频率范围上的宽声波波段进行控制的能力的结构体。对于如此宽波段的声音或噪声进行控制，通常认为使用电子麦克风和扬声器系统是不可能实现的，因为这需要数以千计的该种装置。

如上所述和在下面所声明的、下面的例子所说明的是本发明的特定实施例。这些例子目的在于说明并使本发明便于理解，而不构成对本发明的限制。

可通过与EASY5(工程分析系统5)软件并用的一组标准件对射流放大器环路中的单个元件进行建模，该软件由位于华盛顿西雅图的波音公司提供。使用该软件进行的模拟产生了以下的观察资料和结果，这些观察资料和结果提供了对根据本发明用于特定应场合的低阻抗结构体设计的一些有用的指导。但应当清楚本发明并不限于下面模拟实例的内容，该例子说明了开环(有关稳定性)和闭环(有关性能)的常规传输功能分析。

第一项应用为一个具有低幅射率的配平板，如在喷气式飞机中所使用的。该配平板的阻抗被设计成与传播幅射的介质特性阻抗ρc相同或更小些。如果配平板的阻抗为1ρc，则按声波沿配平板的法线方向以平面波的方式幅射或是从配平板上从各个方向在一个散射区域内幅射这二种情况的不同由振动中的配平板所发出的噪声比没有振动的配平板要低6至10个分贝。

第二项应用是一个导管式消声器，比如备用动力单元的排气装置，或是空调机导管。一般而言，在喷气式飞机里，低频的空调器噪声产生于对来自引擎外部的压缩了的空气的强化涡流混合以及在机舱内重复循环的空气。虽然衰减量无法通过EASY5软件直接计算出，但从该程序输出的阻抗可用来通过现有的导管一声学程序预测性能。

所选用的基本放大器模型如图7所示，虽然在某些应用中也可以选用其他的模型。这里选择了一个加法放大器85以便使该放大级内的一个附加反馈回路去提高增益，如下面所描述的那样。经过增益84a和84b的压力放大分别假设为自第一控制口80a的因子3和自第二控制口84b的因子4。相应的时间延迟86a和86b假设分别是0.07和0.06毫秒，时间延迟模型以一个8阶的Pade逼近，即具有单位幅值的s平面内的二个8阶多项式的比。这就在所感兴趣的整个频率范围(0至1000Hz)上提供了相位的良好线性逼近，输出在加法器88处相加后由输出口89输出。

在每个端口处还有输入和输出阻抗以及小的腔体，引入需要考虑的相位滞后的问题。它们被建模为在通带具有单位增益和可变时间常数的一阶低通滤波器，多个滤波器在控制口组合成一个滤波器。由于腔体和阻抗决定了一个最小的时间常数，所以如果希望为增加环路稳定性而进行滤波，则要选一个更大的时间常数，这可以通过进一步缩小小孔或增加腔体而增加阻力来实现。

如图8所示，在相互连接的环路元件的上方，有一个用EASY5的符号95建模表示的终极放大器。由于小的输出负载阻抗，这里压力放大因子不再适用。正如在图中所看到的那样，由于压力反馈不再可行，这时选择了具有一对控制口的放大器。来自控制口90的信号经输入滤波器92滤波，在增益94处放大，并在延迟器96处进行时间延迟，在输出口98形成输出。

图9A所示为一个相连的五级系统，该环路适用于对飞机内部配平系统性能的分析。通过配平板表面的声空间，来自初始源头100的声波在麦克风口102与经过反馈110从环路消声声波输出口输出的消声声波相混合。残余噪声进入4级声压放大器104(图7所示的那种)，然后通过流量放大级106(图8所示的那种)进入环境。环境以幅射阻抗108表示，阻抗值假设为1ρc。假设放大器106处的输出负载阻抗可忽略，因为从扬声器口至麦克风口的距离，假设为0.01米，所以从该输出口输出的信号具有一个延迟。开环增益的测量是从求和接点102的输出至同一求和接点的顶端输入109；而闭环性能的测量是从求和接点的左端输入101至其输出103。

图9B所示为开环增益，元件参数已经过调整以便在环路中相位为180°处有10dB的增益裕度。在零环路增益时相位余量为90°，图9C所示为相应的闭环性能，为获得该性能，元件参数做如下假设，对组合104中的每个压力放大级来说，具有放大因子4、时间延迟0.07ms，以及10,000Hz的低通角频率。图9A所示的流量放大级106，假设具有3.2×10^-8m³/S·N·m²的传输导纳、0.07毫秒的时间延迟和80Hz的低通角频率。有些情况下，以较小的裕量可以在衰减频带获得更好的性能，但衰减频带外的放大也会加大。

下面要说明一种在片组环路中减少射流放大器元件个数的方法。这样一种设计可以获得更薄的片组，从而减小了结构体的体积、重量和成本。在每个放大器上增加一个正反馈环路，只要反馈环路增益小于1，放大器增益就会稳定地提高。在图10中，当不与阻抗Z₁116和Z₂118相连时，放大器112具有一个从输入口111a至输出口114的增益F₁，以及一个从输入口111b至输出口114的增益F₂。在与Z₁和Z₂(通常Z₁，Z₂是阻尼小孔)相连时，输出口114处的一部分压力P₂在输入口111b被探测，该部分压力为β＝Z₁/(Z₁+Z₂)。在输出114处的压力值P₂为放大器的输入口111a处的P₁经增益F₁放大后的压力与放大器的输入口111b的反馈压力经增益F₂放大后所得压力之和。因此，P₂＝F₁·P₁+βF₂P₂或P₂＝(F₁/(1-βF₂))P₁。在没有反馈情况下，关系为P₂＝F₁P₁。如图10所示的放大器布置方式，增益增大因子为1/(1-βF₂)。在计算Z₁和Z₂时，必须将与传播距离有关的时间延迟与和反馈环路的腔体有关系的容性考虑进去，但只要βF₂不等于1，环路就是稳定的。

在EASY5所建的反馈模型中，如图10所示，假设反馈被加到了图7中具有较小增益3的第二控制口80b，Z₁为第二控制口的输入阻抗，且Z₂为一合适的小孔阻尼。

应当认识到对放大器输入加以适当滤波可以改变射流环路的性能，如果用带通滤波器代替低通滤波器，具有所需性能的频率的频率范围可向上提高，其代价是低频性能下降。关于使用阻性元件和容性元件实现上述滤波器的方法，对声过滤领域内技术人员是显而易见的。

图11A为一带反馈增压的压力放大级的示意图。本质上而言，图11A为图7中所示环路与图10中所述环路的组合，并在反馈回路中带有一个时间延迟。该系统的好处在于因为在片组中有较少的射流元件而使结构体变得更薄，其代价是降低了环路的高频性能。

图11B是图11A所示环路的输出曲线图。图11B清楚地显示了从第一控制口140至输出口142的增益比经过第二控制口144的无反馈的情况大(20dB)，在后一种情况下，增益块146的因子为4(12dB)。由于环路中的时间延迟，其增益提高最高只能用在几百赫兹。

图12A所示为一消声器衬层简化示意图。该衬层由主动式衬层元件120和被动式衬层元件122组成，图12B中示出了其相应的声学性能。被动衬层122具有双重功用。首先，它为从主动式衬层的麦克风口至其扬声器口的反馈提供了阻尼，其次，它提供了对主动式衬层衰减波段以上频率段进行衰减的功能。

图12A中所示的主动式衬层元件120占据了全部衬层表面的1/2并面对需要控制的噪声声波128。主动式衬层元件120由大致按图9所示配置的射流元件形成的片组组成，所不同的是只使用了二个压力放大级。每个放大级具有图11A所示的结构。此外，片组的面板125上盖有一阻抗为4ρc的阻抗层，应当理解该阻值是在整个片组区域上的平均值，即，假如扬声器口占有整个片组区域的5％，则扬声器前的阻值为4ρc的5％。

衬层的被动式部分122由阻抗为1ρc的阻力表面层126组成，位于深度d约为1英寸的凹陷阵列之上，凹陷阵列将消声器壳体130与主动式和被动式元件隔开。应当注意凹陷占据了阻抗1ρc的基层126下方的空间，以及深度假设为0.25英尺的主动式衬层元件120下面的空间。

特性曲线图12B给出按图12A所示配置的单位长度的衬层的衰减情况的估测。该单位长度等于空调机消声器导管的直径，假设该消声器具有内直径为11英寸的横截面。

虽然已对本发明的优选实施例进行了图式和说明，应该理解，由此所做的各种修改均不超出上述本发明以及后面权利要求的实质和范围。

Claims (13)

1.一种结构体，用于衰减流体环境中的声波，其包括：

(a)面板，其具有多对与流体环境流体连通的输入口和输出口，输入口和输出口对中的每一个输入口都位于该对中相应的输出口附近；

(b)由射流薄片形成的片组，每个射流薄片包括多个射流元件，所述射流元件包括射流传导元件和射流放大器，包括在一个射流薄片中的射流元件与相邻射流薄片中的射流元件流体连通，形成了多个相互连通的射流元件，位于射流薄片片组一个表面上的射流薄片与面板是并排的，面板上成对的输入口和输出口与所述多个相互连通的射流元件中相关联的一个流体连通；

(c)背板，具有多个流体供应口、排空口和通气口，该背板与远离面板的射流薄片是并排的，这些供应口、排空口和通气口与射流元件流体连通，供应口接收压力流体，排空口为与从输出口出来的声波反相的残余声波提供了出口，通气口向大气压力开放，于是，进入输入口的声波被从成对输入口和输出口中的相应输出口出来的声波抵消，出来的声波与进入的声波反相。

2.如权利要求1所述的结构体，其中，每个射流薄片的厚度约为0.1mm到1mm。

3.如权利要求2所述的结构体，其中，射流传导元件具有小孔和腔体，对流经射流元件的流体进行声学滤波，防止发生自激振荡。

4.如权利要求1所述的结构体，其中，射流传导元件具有小孔和腔体，对流经射流元件的流体进行声学滤波，防止发生自激振荡。

5.如权利要求1所述的结构体，其中，面板形成了室的内表面，面对着室的内部。

6.如权利要求5所述的结构体，其中，室是飞机的机舱。

7.如权利要求5所述的结构体，其中，室是房间，面板形成了房间的墙面。

8.如权利要求5所述的结构体，其中，室是消声器。

9.如权利要求8所述的结构体，其中，消声器为圆筒形。

10.一种衰减流体环境中声波的方法，该方法包括：

(a)在多个输入口接收要衰减的声波，每一个输入口都位于相应的输出口附近，所述输入口和相应的输出口位于面板上，

(b)将在多个输入口中的每一个处接收到的要衰减的声波提供给相应的射流元件片组，对供应到射流元件片组的压力流体进行放大和相位调制，生成与相应输入口接收到的声波反相的调制后的压力流体，所述射流元件片组包括射流放大器，射流元件包括在射流薄片的片组中，相邻射流薄片中的射流元件是流体连通的，多个输入口位于所述射流薄片的片组的一个表面上；

(c)将所述射流元件片组生成的反相调制压力流体传导到相应的输出口；

(d)减小传导到相应输出口的反相调制压力流体与供应到射流元件片组的压力流体的其余部分之间的干扰。

11.如权利要求10所述的方法，还包括对供应到输出口的反相调制压力流体进行滤波，减小自激振荡。

12.一种衰减由振动体向其周围环境幅射的声波的方法，包括：

(a)在振动体和其周围环境之间加入射流元件片组阵列；

(b)在多个输入口接收要衰减的声波，每一个输入口都位于相应的输出口附近，所述输入口和相应的输出口位于面板上，

(c)将在多个输入口中的每一个处接收到的要衰减的声波提供给相应的射流元件片组，对供应到射流元件片组的压力流体进行放大和相位调制，生成与相应输入口接收到的声波反相的调制后的压力流体，所述射流元件片组包括射流放大器，射流元件包括在射流薄片的片组中，相邻射流薄片中的射流元件是流体连通的，多个输入口位于所述射流薄片的片组的一个表面上；

(d)将每一个射流元件片组生成的反相调制压力流体传导到与把要衰减的声波供应到射流元件片组的输入口相应的输出口；

(e)减小传导到相应输出口的反相调制压力流体与供应到射流元件片组的压力流体的其余部分之间的干扰。

13.如权利要求12所述的方法，还包括对传导到输出口的反相调制压力流体进行滤波，减小自激振荡。

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