（水声工程专业论文）基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究.pdf

基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 m e t h o d sa n da p p l i c a t i o n so fs o u n da b s o r p t i o na n di n s u l a t i o n m e a s u r e m e n t sb a s e do nt r a n s f e rf u n c t i o n s a b s t r a o t s o u n da b s o r p t i o na n di n s u l a t i o ni st h ea c o u s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co f m a t e d a l m e a s u r e m e n t o fs o u n da b s o r p t i o na n di n s u l a t i o nh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nn o i s ec o n 廿o la n d a c o u s t i c a ld e s i g n t 1 1 i sp a r i e ra l m st od e v e l o ps o u n da b s o r p t i o na n di n s u l m i o nr e a l t i m e m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do ni m p e d a n c et u b e ，w h i c hw i l lb ea p p l i e di nm e a s u r e m e n ti ns i t u a n dp r o d u c tl i n e i nt h i sp a p e r r o o ms o u n df i e l dt h e o r ya st h eb a s i so f m e a s u r e m e n tb a s e do nr e v e r b e r a t i o n c h a m b e ra n dw a v e g u i d et h e o r ya st h eb a s i so fm e a s u r e m e n tb a s e do ni m p e d a n c et u b ea r e i n t r o d u c e d n o i s ec o n t r o li nt u b eu s i n gb p n ni ss i m u l a t e db vm a t l a b r e v e r b e m t i o nr o o m m e t h o da n ds t a n d i n gw a v er a t i om e t h o df o rm e a s u r e m e n ti na i ra r ei n t r o d u c e d f r e ef i e l d m e t h o da n ds t a n d i n gw a v er a t i om e t h o df o ru n d e r w a t e ra c o u s t i cm e a s u r e m e n ti sp r e s e n t e d t r a n s f e r r u n i o nm e t h o di ss h o w ni nd e t a i l 豇1 ea p p l i c a t i o no fv e c t o rh y d r o p h o n ei n u n d e r w a t e rs o u n d 曲s o r p t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n ti sd i s c u s s e d r e v e r b e r a t i o nr o o m m e t h o df o rs o u n di n s u l a t i o nm e a s u r e m e n ti sp r e s e n t e d ，a n dt h es o u n dt r a n s m i s s i o nl o s so f a l u m i n u mp l a t ei ss i m u l a t e db yu s i n ga u t o s e a s o u n dt r a n s r u l s s i o nl o s sm e a s u r e m e n tu s i n g f o u rm i c r o p h o n e si ni m p e d a n c et u b ei ss t u d i e d i nt h i sp a p e r , r e a l - t i m em e a s u r e m e n ts y s t e m so fs o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n ds o u n d t r a n s m i s s i o nl o s sb a s e do ni m p e d a n c et u b ei sd e v e l o p e db yv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n i q u ee n d l a b v i e w p r o b l e m ss u c h 硒s y s t e mf r e q u e n c yr e s d o n s ei n t e r f e r e n c ea r es o l v e d 。m c h a r a c t e f i s t i co ft r a n s f e rf u n c t i o n sp h a s ei sa n a l y z e da n dp h a s ea b e r r a t i o na f t e ra v e m g i n gi s e l i m i n a t e d m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w 也a tt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi ss a t i s f i e dw i t h a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t w h i c hi sm e a n i n g f u lt or e a l - t i m em e a s u r e m e n ti ns i 协 k e yw o r d s ：s o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ；s o u n dt r a n s m i s s i o nl o s s ；t r a n s f e rf u n c t i o n m e t h o d ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；l a b v i e w 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士礤究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及摆导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 敝，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据瘁进行检索，也霹采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名；查兰堕 导师签名： 丝丝盈 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 随着社会的发展，噪声控制越来越受到人们的重视。噪声控制的方法主要分 为三类：声源控制、声传播路径控制以及接收处控制。根据控制对象的不同又可 分为主动控制和被动噪声控制。被动控制是在噪声传播的通道和媒介上采取措施， 使得噪声源发出的噪声在传播过程中被抑制和减弱。而所采取的措施主要包括两 个方面：吸声和隔声。因此吸声和隔声的测量对噪声控制具有重要的参考意义。随 着声学的发展，声学材料性能参数被广泛应用于声学设计，因此声学材料性能的 测量越来越受到重视，吸声性能与隔声性能作为声学材料最重要的两个评价参量， 二者的测量具有重要意义。 1 1 本文研究的意义 1 9 0 0 年，w c s a b i n e 在解决福格艺术博物馆的混响问题中，经过大量实验， 得出了赛宾混响时间公式，并依据这个公式负责设计了世界上三大最佳音乐厅之 一的波士顿音乐厅。这个经典的公式后来被广泛用于测量材料的吸声系数和建筑 声学混响设计。当然前者是为后者服务的，通过实验测得的吸声系数来进行建筑 声学的设计，使其满足一定的混响时间要求。 各类剧院、体育场馆和歌舞厅以及与声学有关的录音室、演播室等专业用房 本身有一定的声学技术指标，而且凡是公共场所，一般都需要传播语言或音乐，即 使是家庭用房现在也需要有良好的音乐欣赏环境。 1 9 9 2 年，刚刚落成的波恩议会大厦因为严重的声聚焦问题而不能使用。中国 留德访问学者查雪琴等利用马大猷先生的微穿孔板理论解决了这个问题。微穿孔 板的成功应用离不开吸声效果的测量，因为室内声学设计的基础就是所安装吸声 材料的吸声系数。 随着汽车业的发展，汽车内部声学环境越来越受到重视，而汽车内部的声学 环境主要是通过内饰材料吸声以及阻尼材料隔声隔振来实现的。对于汽车内饰材 料及阻尼材料生产厂，材料吸声及隔声性能的测量是必需的，而能够应用于生产 线上的测试设备则是最受欢迎的。目前，传统驻波比法吸声测量驻波管太大，而 使用传递函数法的吸声设备也只能用于实验室中，因为其价格昂贵且数据处理不 是实时的，很难应用于生产线测量。隔声测量的国家标准只有混响室法一种，国 内科研院所的混响室少之又少，更何况生产厂，且混响室测量对大型试件测量效 果明显，不可能应用于生产线测量，因此，使用阻抗管进行隔声测量受到越来越 多的关注，因为使用阻抗管测量方便快捷，试件小，但是测量效果与试件本身特 性有关。本文对吸声及隔声阻抗管测量方法进行研究，并开发方便应用实时、狈4 量 的吸声及隔声测量系统，并对其应用进行探讨。 在近代海战中，潜艇的战术、技术性能越来越取决于潜艇的声隐形性能，因 此潜艇的声隐性研究越来越受到重视。声隐性的提高需要从安静化与隐形化入手。 敷设吸声材料及消声材料是提高声隐形化的主要措施u 】。而吸声系数的测量则是吸 声材料的性能重要评判方法。 传统水声吸声系数的测量方法都是从空气中吸声材料吸声系数的测量方法借 鉴而来 2 】。传统的水声材料吸声系数的测量方法有自由场法p ，4 】和阻抗管法【5 “。自 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 由场可以模拟实际使用的情况，对于许多应用性课题，在实验室研究的后期，总 希望做成成品在自由场中进行测试。但是，自由场测量仅适用于较高频率以及较 大尺寸下的测量，而且难以避免样品边沿衍射的影响【7 1 。而且自由场测量需要具备 消声水池，并且测量时试件放置非常麻烦。阻抗管测量方法与空气中吸声系数测 量方法相似，比起自由场法，测量起来更加方便。现在通用的是驻波比法【7 , 8 1 ，但 是和空气中有所区别的是，传声管的滑动会破坏静水压【卯，因此影响测量结果；为 了测得管中声场的最大值与最小值，必须保证管长， , m a x ，2 m a x 为波长最大值； 4 而且，只能进行单频测量。而将驻波管双传声器法引入水中吸声系数的测量，则 会在不破坏静水压的情况下进行宽频测量，并缩短阻抗管的长度【9 1o 】，大大方便吸 声系数的测量。本文还将对水声吸声系数测量方法进行探讨。 1 2 研究背景 1 9 0 0 年，w c s a b i n e 为解决教堂的混响问题，提出了s a b i n e 混响公式咖， 得出结论混晌时间与房间的体积成正比，与房间的总吸声量成反比，其中房间的 总吸声量是吸声面积与吸声系数的乘积。之后，n o r r i s 、e y r i n g 、s c h u s t e r 、 w a i t z m a n 分别得到了吸声量的改进公式嘲。混响室法测量吸声系数则是通过测量 安装吸声材料混响室内混响时间，利用s a b i n e 公式得到吸声系数。 阻抗管测量空气中材料声学性能已经有1 0 0 多年的历史。b e r a n e k l 9 8 8 年所著 声学测量中介绍了6 种测量方法【9 j 。其中两种方法得到广泛认同并成为国际标 准：驻波比法与传递函数法。 驻波比法测量空气中吸声系数是一种经典的测量方法。中科院声学所建造了 4 0 m m x 4 0 m m 5 0 0 0 m m 的驻波管用来测量吸声尖劈及其它较大吸声件的吸声系 数。上海交通大学为测量水声材料吸声系数而建造的注水驻波管长度达8 米【5 1 。 在频谱分析理论及f f t 算法逐渐成熟之后，1 9 7 7 年，a f s e y b e r t 与d f r o s s 首次提出了双传声器白噪声激励技术【“】。 1 9 8 0 年，j y c h u n g 与d a b l a s e r 发展了双传声器理论 1 2 , 1 3 ，共同提 出利用阻抗管双传声器传递函数法测量空气中材料吸声系数及声强的方法。传递 函数法使吸声系数的测量从单频测量跨越到宽频测量，大大节省了测量时间；传 递函数法中传声器位置是固定的。1 9 8 6 年，h a n sb o d 6 n 与m a t sa b o m 系统地分 析了双传声器法测量材料声学特性的误差，并提出了一系列减少误差的措施i i l 】。 1 9 9 5 年，同济大学王毅刚等改进了基于双传声器的传递函数法【1 4 1 ，提出了基于三 传声器的传递函数法，解决了双传声器间距不能等于半波长整数倍的问题。1 9 9 9 年，西北工业大学陈克安等研究了双传声法测量空气中斜入射吸声系数时受各种 测量因素的影响u ”。 水声材料吸声系数测量方法是从空气中吸声系数测量方法发展而来，因此原 理基本相同，但由于水下材料声学特性以及水中测量局限性，水声材料吸声系数 测量也有不同之处。 自由场法是一种应用比较成熟的准现场测量方法，国内杭州应用声学研究所 李水及缪荣兴等对自由场法进行了深入的理论及实验研究，提出了自由场宽带压 缩脉冲叠加法。1 9 8 1 年，d h t r i v e t t 提出了自由场测量的p r o n y 方法来减小边 缘衍射对测量的影响1 9 9 7 年，张清泉及朱蓓丽对p r o n y 方法进行了探讨和改进。 大连理工大学硕士研究生学位论文 阻抗管驻波比法是水声材料吸声系数测量应用非常普遍的一种方法。1 9 9 2 年， 上海交通大学朱蓓丽与中国舰船研究中心肖今新进行了阻抗管双水听器传递函数 法低频测试并给出了误差分析晡j 。2 0 0 2 年，t 0 d ds c h u l t z 等给出了双传声器法测量 材料声学特性的不确定度理论分析【l ”。2 0 0 2 年，p r e s t o ns w i l s o n 系统阐述了注水 阻抗管的声传播理论并分析了注水阻抗管与空气中阻抗管的声性能差异【9 】。 隔声量是一种与吸声系数不同的材料声学属性，其测量方法没有吸声系数发 展那么成熟。目前关于隔声测量标准只有混响室法一种。 1 9 8 5 年，国家出台了建筑隔声测量规范，规定了混晌室要求、试件放置要求 以及测试方法。2 0 0 2 年，朱蓓丽等讨论了三传声器阻抗管隔声测量方法，并提出 了改进的四传声器阻抗管隔声量测量方法。 对于目前的吸声与隔声测量方法，其数据处理很少是实时的，很难应用于现 场测量与生产线测量等情况下。 1 3 本文的主要内容 本文旨在研究适用于阻抗管吸声隔声实时测量方法，并基于虚拟仪器技术与 l a b v i e w 开发一套阻抗管吸声隔声测量系统，并讨论测量系统在现场测量等情况 下的应用。 第二章主要介绍了声学测量的声场理论基础，介绍了稳态声场理论和管内平 面波条件，并讨论了管内平面波理论的简单应用，使用神经网络进行管内噪声控 制的仿真。 第三章介绍了多孔材料、微穿孔体、复合板等结构以及水声吸声结构的吸声 原理，介绍了传统的吸声系数测量方法：混响室法和驻波比法，具体推导了简谐 激励以及随机激励下的吸声系数测量公式，并对公式进行了不确定度分析。介绍 了水声吸声测量方法，并对将矢量传声器引入水声吸声系数测量进行了探讨。 第四章推导了无限大障板的隔声量公式。使用统计能量工具a u t o s e a 对铝板 的隔声进行了仿真。介绍了混响室隔声测量方法。具体推导了阻抗管四传声器隔 声测量公式，并对公式进行了不确定度分析。 第五章首先介绍了虚拟仪器技术以及l a b v i e w 软件开发系统，介绍了信号处 理基础知识以及声学信号采集基本知识。然后基于虚拟仪器技术开发了阻抗管双 传声器传递函数法吸声系数测量系统与传递损失测量系统，解决了宽频激励源问 题、传递函数测量系统频响干扰问题，理论分析了传递函数相位特点，并解决了 相位平均后畸变问题。讨论了测量系统在现场测量等实际情况下的应用。 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 2 声场测量理论基础 混响室声学测量的基础是室内稳态声场与简正波理论；阻抗管声学测量的理 论基础是管中平面波理论。 2 1 室内声场理论 无界空间的声场成为自由声场，这种声场中没有声波的反射，有效声压与同 声源的距离成反比。消声室就是在有限空间内对自由声场的模拟。 但是在实际问题中，声音的辐射、传播与接收都是在室内进行的。由于室内 壁面对声音进行反射而形成驻波，且由于壁面的不均匀性等条件造成室内声场变得 十分复杂。对于规则的室内声场，可以通过波动理论进行解答，对于一般的封闭 空间，使用统计声学来进行分析。 2 1 1 简正波理论 在室内声场，用傅立叶分析将室内声波分解成相互正交的简谐波，成为简正 波。 对于长宽高为，。z ，：矩形房间，声波方程 馨+ 磐+ 馨+ 去粤：o 懈h 反2 + 却2 出2 c 2a t 2 。 边界条件是 望i ：o ，塑i ：o ，一o pj ：o u “ 缸j 。吣 7 砂i y 咄出k 以 因此解得 p ；a c o s 三堑苎c o s 三竺型c o s 呈堕三e x p ( _ ，2 观f ) ccc 式中 五= c 2 ，吃= 0 , 1 ，2 ， 工= 呵。2 ，b = o ，1 ，2 ， z = 啦c 2 l ，n z = o ，1 ，2 ， 砖= 七代七霞 简正波的特性是总声压是各简正波之和。于是可得到： p = ：c o s ( 成z ) c o s ( 或y ) e o s ( k z ) e x p ( j a ) , t ) h ，- 0 n 。一o n ，l o 其中t = 孚，弓= 孚，2 ，r 。f , ，= 2 巩。 简正波衰减特性由下式表述： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 小一哗2 笋2 e x p ( 哪) 娌 其中为简正函数，蚝为n 简正波衰变常数( 详见 8 p 1 8 9 ) 。 2 1 2 室内稳态声场 完整的波动方程的解应该是由点声源辐射的声波在到达边界之前的部分，在 声源没有停止辐射的条件下室内各反射所形成的满足房间边界条件的一系列简正 波之和共同组成。表达式为： p ( 昙) = 。帮马唧y ( o t - k t ，刊，+ r 胪：等莩若五嚣耥唧， 1 0 其中，p 为声压，f 频率，r 为室内平均反射系数，d 为指向性因数， r 与r o 分别为接收点和发射点坐标， c 为空气声速，p 为空气密度，o 。( ，) 简正波幅度函数， n 房间模式数：( n n ，n ；) ， f】1 气= i e l = 岛= 一2 人。= l i g n 。n ，8 n 。1 ，：n 阶模式的阻尼系数， 。：n 阶模式的角频率， q o 声源强度， 。 v 房间体积。 对( 2 1 0 ) 式取时间平均得到： 以2 篇+ r 2 p 2 c 4 譬莩丢藻鬻嘞q u 其中，上式第一项给出的是直达声，考虑到受房间影响，加上修正系数r ，第 二项为混响声。 2 1 3 扩散声场 扩散声场1 需要满足以下条件： 1 、声以声线方式以声速直线传播，声线所携带的声能向各方向的传递几率 相同； 2 、各声线是互不相干的，声线在叠加时，他们的相位变化是无规的； 3 、室内各点声能密度处处相同。 2 1 4 混响 当声源在房间内停止发声后，残余声能在房间内反复反射，因为空气以及墙 面的吸收作用，其声能密度下降。此时的室内声波称为混响。 室内声场稳定后，停止声源，声能密度下降为原有数值的百万分之一( 6 0 d b ) 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 的所需时间称为混响时间。 室内声场在衰减过程中能量分布是不断变化的。由于不同类型的驻波衰减时 间不同，从室内纪录下来的混晌时间就不是一条光滑曲线，里三折状，第一段与 斜向波对应，衰减速度最快；中间一段与切向波对应，衰减速度次之；最后一段 与轴向波对应，衰减速度最慢。 室内声场衰减不均匀性，从统计声学来讲是室内声场扩散不够的表现，要使 室内声场扩散的好，那应该尽量使房间呈不规则状，且在室内放置散射体，或扩 散体，同时使用宽频带声源以激发更多的驻波方式，这样各种类型的波在衰减过 程中的无规性增加，从而使室内声场在衰减过程中的无规性增加，从而使室内声 场在衰减过程中趋于均匀，混响曲线趋于光滑。 2 2 管中平面波理论 一般声源在无界空间内的辐射往往是波阵面逐渐发散的球面波，将声约束在 管子里面，管子的形状尺寸以及管壁材料还有声源的状态都会对声波的传输产生 影响。 2 2 1 矩形声波导管 设矩形管高宽f r ，管长z ，声波采用三维坐标波动方程表示 鲁+ 鲁十害：去百0 2 p (2-12)o孤2 a y2z 2 c n 2o t 2 、“6 7 令解为： p = 岛( z ，弘z ) e x p ( j c o t ) 令： p o ( x , y , z ) = 飘y z ( 力 分离变量法解上式可以得到： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) x ( x ) = 4 c o s 幼+ 尽血危( 2 1 5 ) r f y ) = 4 c o s 钞+ 耳如钞( 2 1 6 ) 因为z 方向没有反射波，取行波解 z ( z ) = a ze x p ( - 砖z z )( 2 1 7 ) 于是可以得到x ，y 方向质点振速 k = 赤妾= 赤m z ( 力( 掣 喇咖惫z 。m s i i l w 枷唧) ( 2 1 8 ) u = 赤考= 壶x ( 啦( z 警 唧u 础= 嘉捌曲砷x - 4 s i n 钞+ b c o s 钞) e x p ( j a x ) ( 2 1 9 ) 根据刚性壁面边界条件 叱b l = o v ，b 。= o ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 b x = b v = 0 ， 弓= 吩烈弓= 0 , 1 , 2 ) p _ 。，2a , z c o sk x x c o sk y ye x p j ( c o t 一七：三) k z = ( 筹一毙，) ” 因此可知，必须另七一为实数时，z 方向才会有行波， 勉= + 研 等 a ( 2 3 1 ) 其中 厶= 矧2 饼 像s z ， 这被称为声波导管的简正频率。 2 2 2 矩形管中平面波获得 称对应于( n 。，n y ) 的波( n x ，n y ) 次简正波_ 贝0 ( 0 ，o ) 次简正波声压为： p o o = 如e x p j ( 耐一也力 ( 2 3 3 ) 显然( o ，o ) 次简正波就是沿z 方向波阵面的一维平面波。而其他被称为高次波。 因此管中平面波频率上限为高次波频率下限。即 正= r a i n ( l ，兀)( 2 3 4 ) 2 2 3 圆柱形波导管 对于半径为a 的圆柱形管，使用柱坐标系来描述管内声场： 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 吾导- 引+ 专等+ 窘：古事 q - 3 勋 令p ( ，0 ，z ) ：r ( ，) 0 徊) z 0 ) e x p ( j r o t ) ，则可以得到 z ( z ) = a ，e x p ( 一f l q z ) ( 2 3 6 ) ( 占) ：a ec o s ( m 口一) ，m 为正整数 ( 2 3 7 ) r ( p ) = 4 厶( 妒) ( 2 3 8 ) 于是管中声压解为 = a j ( k s ) e o s ( m o q ) ) e x p j ( r o t 一也z ) ( 2 - 3 9 ) 对应径向速度为 ：上旦红：4 盟坐。! 掣c 。s ( m 曰一) e x p _ ，( 耐一t z ) 240o 。“岛r 。岛d ( k , r ) ”7 “7 一。、一”7 由于边界条件 u i ：0 ( 2 4 1 ) 可以得到 ( ，口) ：0 ( 2 4 2 ) 可知在刚性壁面边界条件下，t 有一系列特定数值，表示为k ，可得到 p 。：4 。厶( 皇。，) c o s 0 一) e x p ，( 研一屯z ) ( 2 4 3 ) 其中t = 以2 一磕。 可知p o 。= 4 。e x p j ( c o t t z ) 为平面波，其它为( m ，n ) 次高次波。查表得到 】= 3 8 3 2 a ，= 1 8 4 a 。 圆柱形管中声波导管截止频率为 ， 。( 2 4 4 ) 工= z o = 岛。芒= 1 8 4 c o 2 z a 若声源作极轴对称振动，则m = o ，于是可以确定 。 ( 2 4 5 ) z = f o i = k o l _ t - 0 = 3 8 3 2 c o 2 z a 2 2 4 管中平面波理论应用：管道噪声控制 传统的管道噪声控制方法是改变管道形状利用管道自身的声阻或在管道内添 加吸声材料等的被动控制方法。但是传统的被动控制方法仅对特定频段的噪声有 效且控制效果不理想。信号处理技术发展起来后，基于经典信号处理算法的主动 控制逐渐发展起来。这种算法对平稳过程的控制效果明显，但是当噪声频谱发生 剧烈变化或是出现非线性时，控制效果下降明显。本文提出基于神经网络的误差 二次学习方法进行管道噪声的主动控制。由于神经网络拥有很好处理非线性的功 大连理工大学硕士研究生学位论文 能以及自学习和自调节功能，使神经网络控制对环境的变化具有自适应性，而且 不依赖于实际系统模型。 神经网络b p 算法 三三殛w l j 霆二 网络的前向传播过程如下表示： p x ( ) = w ( 疗) y f ( ) i = o y ，( 玎) = 妒j ( x ( 船) ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 其中w 。，为权值系数，所采用非线性函数为 砷) = 专。 权值学习过程为： a w f l ( r 1 ) = a a w j , ( n 一1 ) + 叩疋( 珂) y ，( 阼) w ， + 1 ) = ( 月) + y a w j , ( n ) 其中系数口与”用于控制收敛速度。 管道噪声控制模型 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) 对于轴对称管截面( 圆型截面) ，当半径满足，五 o 6 1 时，管内为平面波声 场，可以看作一维系统。本文管道噪声控制背景为管中平面波声场。 管道模型 图2 2 管道噪声控制模型 f i g 2 2 m o d e lo f n o i s ec o n t r o li nt u b e 如图2 2 所示，噪声以平面波在管道内传播，噪声传感器所接收信号x ( t ) ， 那么噪声控制喇叭所发射声波应为x ( t ) 的反相声波，因为本文采用时间序列控制 方法，不对序列进行频域分析，因此得不到相位信息，但是只需降时间序列的负 序列作为控制信号即可实现反相效果。 本文采用b p 神经网络学习算法，以接收序列x ( t ) 作为输入信号，以其负序列 作为输出来训练神经网络。 由于神经网络训练误差越小，所需训练时间越长，因此本文采用误差二次训 练控制方法，不但节约了计算时间，而且改善了控制效果。 在实际训练过程中，由于噪声传感器与控制器以及误差传感器存在一定距离， 且声波传播需要时间，因此，训练中，网络1 的输入为x ( t ) ，输出为一z “一1 ) ， 网络2 输入为e ( t ) ，输出为一e + 0 + 1 ) ，因此，控制信号为z 0 ) 一x + o 一1 ) 一口p + 1 ) 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 仿真结果 本文对随机噪声的控制进行了仿真。为了比较训练样本的有效性，本文分别 以随机序列和正弦序列作为训练样本，然后另取随机序列与正弦序列进行控制， 控制结果如表2 1 所示。 表2 i 不同样本学习控制结果比较 ! 业：2 ：! 曼! 垫p 墅i ! ! ! ! ! ! 熟! ! 型i ! 坠盟塑塑塑i 塾g ! 型! ! ! ! 塑里p ! 塑 噪声平均功率训练控制后平均功率降噪分贝数 图2 3 一为使用随机序列样本学习网络学习高信噪比正弦序列噪声控制结果时 图2 3 正弦时间序列( 横坐标为时间序列号 坐标为幅度) 纵图2 4f f t 结果( 横坐标为f f t 点数，纵坐标为 f f t 幅度) f i g 2 3t i m es e r i e so fs i n es i g n a l ( a b s c i s s ai st i m e f i g 2 4f f tr e s u l t ( a b s c i s s ai sf 订p o i n t s s e r i e sn u m b e r , o r d i n a t ei sa m o l i t u d 曲o r d i n a t ei sf f ta m o l i t u d e ) 图2 5 控制后时间序列( 横坐标为时间序列号， 纵坐标为幅度) f i g 2 5t i m es e r i e sa f t e rc o n t r o l ( a b s c i s s ai st i m e s e r i e sn u m b e r , o r d i n a t ei sa m p l i t u d e ) 图2 6 控制后序列f f t 结果( 横坐标为f f t 点 数，纵坐标为f f t 幅度) f i g 2 6f f rr e s u l ta f t e rc o n t r o l ( a b s c i s s ai sf f t p o i n t s ，o r d i n a t ei sf f ta m p l i t u d e ) 由图2 3 一图2 6 及表2 1 可以看出：使用随机序列作为样本进行训练，对随 机噪声及正弦噪声信号都有很好的控制效果；使用正弦序列作为样本进行训练， 所训练网络对同频噪声控制效果明显，对随机噪声控制效果很差，对不同频率正 弦噪声信号有一定的控制效果，但是会产生叠加频率噪声。为了验证误差二次训 练模型的有效性，本文对不进行误差二次训练以及进行误差二次训练的模型分别 进行了仿真。所得结果如下图： 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 圈2 7 不进行误差= 次训练结果 f i g 2 7r e s u l tw i t h o u ts e c o n ds t u d y 山。山。址。，山j 。j 下”：1 广w ”_ t 1 1 1 厂r 7 呵：| r 1 r f l 聊r 图2 8 进行误差二次训练后结果 f i g 2 8r e s u l ta l l e rs e c o n ds t u d y 表2 2 误差二次训练前后控制结果比较 噪声平均功率训练控制后平均功率降噪分贝数 由图2 7 、图2 8 、表2 2 可知，在进行误差二次学习后，噪声功率下降近1 0 d b ， 这说明，误差二次训练模型改善了b p 神经网络进行管内噪声控制的效果。 通过仿真可知，通过学习，b p 神经网络用于管道噪声控制效果明显。神经网 络学习序列样本应为随机序列或是现场测量时间序列，训练序列应较长以满足平 稳过程条件。误差二次训练模型改善了管道噪声的控制效果。随着计算机计算能 力的不断提高，神经网络必将在噪声控制领域得到成功应用。 小结 本章主要介绍了室内稳态声场理论以及管中平面波理论，并对管中平面波频 带下使用b p 神经网络进行噪声控制进行了仿真。 大连理工大学硕士研究生学位论文 3 吸声原理及测量方法 吸声材料的吸声主要靠空腔内空气与腔壁的摩擦以及空气及空腔等结构产 生共振消耗能量。空气中材料吸声系数测量方法主要有两种：混响室法与阻抗管 法。混响室法测量结果为随机入射吸声系数，阻抗管法简单方便所测为正入射吸 声系数，是使用最为普遍的测量吸声系数方法。水声材料吸声系数测量由于受条 件的限制，发展比较晚，且方法多由空气中测量方法演化而来，目前应用最广的 是自由场法与阻抗管法。自由场法使用消声水池模拟水中自由声场，比较接近实 际情况，但低频测试受衍射波影响很大，因此，随着水下吸声技术的发展，低频 测量的迫切需要，阻抗管法越来越受到重视。 3 1 材料及结构的吸声原理 本节介绍均匀材料、多孔材料、微穿孔吸声体、复合板吸声体等材料或结构 的吸声原理。 3 1 1 均匀材料 厚层均匀介质的吸声问题卅可由声波的入射及透射性质得出：设材料声特性 阻抗z ，空气声特性阻抗p o c 。，二者之比z = l = r + 豇，r 、x 分别为声阻比 岛o o 与声抗比。由声波的入射与透射规律可得吸声系数： 伽s 口一1j 2 ( 3 1 ) 口a2 1 一j ：蒯 其中，占为入射角。 3 1 2 多子l 材料 多孔吸声材料【8 , 3 7 , 3 8 主要靠声波通过材料的孔隙与固体孔壁相互摩擦而消耗 其能量。在多孔性材料中，有效空气密度为 ， ( 3 2 ) p = 生p o + 盯， 其中，：土粤为流阻常数，玎为空气粘滞系数，盯孔隙率( 材料内空气体积 占总体积比例) ，结构常数z 。 多孔材料的声阻抗率为z = p 等，声速c = 参，其中畅为管中压缩模 量。代入公式( 3 1 ) e pn - i 得到吸声系数。 3 1 3 微穿孔吸声体 微穿孔板【8 , 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 , 3 9 1g 回 看作无数并联的h e l m h o l t z 共振器，通过空气的共振消 耗能量达到吸声的目的。 基于传递函数的吸声隔声测量方法与应用研究 ( 1 ) h e l m h o l t z 共振器结构如图【8 ，2 l 】 图3 1h e l m h o l t z 共振器 f i g 3 1h e l m h o l t zl s o i m t o r 设空腔面积v ，短管截面积s ，短管长度i ，则共振器共振频率为： ，i 陌 ( 3 - 3 ) 。 2 忍。v 1 7 f l 体积振动速度在短管内产生能量消耗为 ：卫笠 ( 3 4 ) p o c o2 刀 ( 2 ) 对于半径以及长度均小于声波波长的圆管，声阻抗为： z = 丁8 r t + 抑r 。- 5 柳+ 譬 咖= 姗一争。 其中a 为圆管半径，玎为空气粘滞系数( t 5 。c 时约为1 8 5 x 1 0 1 5 k g s m ) ，p o 为 空气密度，k = 口玎。 根据圆管中声阻与管径平方成反比的关系，可知管径小到一定程度，声阻就 可以达到有效吸收的程度，不需要另加多孔性吸收材料。吸声系数为： 2 而元丽鬲忑4 rc 瓦o s 面面忑丽 ( 3 6 ) 一面瓦忑f 而磊忑i 面历丽丽 u 。7 其中，臼为入射角度，r 为阻抗比实部，国为噪声角频率，c o 为空气中声速。 双层结构可以加宽微穿孔吸声体的吸声频带。 3 1 4 复合板共振吸声体 复合板共振吸声器 8 j 2 , 7 2 , 7 3 l ( c p a ) 由薄板( 钢板) 和弹性阻尼材料构成的 边界自由的质量一弹簧共振器。c p a 结构如图3 2 所示： 大连理工大学硕士研究生学位论文 图3 2 复合板共振吸声器( 1 为弹性阻尼层，2 为自由振动薄板，3 为粘滞连接层，4 为墙壁) f i g 3 2c o m p o u n dp a n e la b s o r b e r 共振系统的质量部分即薄板连接的阻尼层，它既是板振动的阻尼层，又是质 量- 弹簧共振系统的弹性层。质量弹簧的固有频率： j ，a ：刍粤兰曼，皂。拿 ( 3 7 ) 一万、丽。面、而1 瓦 川 板的弯曲振动固有频率： k o 4 s 叩脚+ 酬，r e , m y = 1 , 2 , 3 组s ， 式中l 。，l ，分别为板的长和宽，t 为板的厚度。 因为薄板含有丰富的弯曲振动的和阻尼层结合，因此有很宽的吸声频带。在 复合板