（机械工程专业论文）道路交通噪声主动控制技术的有关问题研究.pdf

愈 型：! j 查窒鎏叁耋 ! i 坐! 坠重些窒塑些童圭垫丝型丝垄墼鱼：叁塑望丝窒 5 、参考文献4 9 6 、致谢5 5 7 、个人简历5 6 8 、在站期间本人发表或完成的学术论文5 6 9 、附录5 6 插图及表格清单 图l ：道路旁高层建筑示意图2 l 图2 ：障板上的矩形房间( 声腔) 及其座标和参数2 3 图3 ：窗户界面处的声反射2 5 图4 ：开窗房间及其座标、参数和测量传感器位置示意图3 4 图5 ：相干值实验验证系统布置框图3 5 图6 ：计算相干值与实验相干值间的比较3 9 4 2 图7 ：数值算例预测计算的相干曲线4 5 图8 ： 数值例子中改变参数a 和b 、计算的相干曲线4 6 幽9 ：当p l ( x = 0 7m ，y = 3 0m ，z = 2 0m ) 和a b = 1 4 1 4 m 2 数值例子中改变p o 位置的相干曲线4 7 表1 ：实验房i 、司参数和测量传感器位置表 3 7 - 5 一 型l j 塑奎塑叁兰 些鳖i ：坠堡型耋垒坠些篁耋窒竖墅些垒查些鱼垒生! i ! ! g 坠 1 、摘要 本文主要包括局域空间噪声主动控制技术的综述和道路噪声传入高 层建筑开窗房间圭麴量型扭王性的理论计算和实验研究二部分内容。 ( 1 ) 低频噪声主动控制技术实现实用化，需要研究其在声学和电子 控制方法上的可实现性。f 本文在系统的文献检索的基础上，首先综述了 局域空间自适应噪声主动控制技术的发展，内容包括用次级声源控制室 外局域噪声、围护结构内的局域空间和室外向室内传播的小范围区域空 间噪声主动控制在声学上的限制( 原理) ，以及各种控制策略和算法的 应用。本文列出的文献包括了已有的重要研究成果，可为读者进一步了 解陔领域的研究提供详细的背景材料。夕勺 ( 2 ) 传入高层建筑房间中的道路交通噪声通常以低频成分为主，对 此有可能应用低频噪声主动控制技术( a n c ) 进行控制。f 而住房的舒适标准 、 包括关窗和开窗的两种情况，尤以开窗情况下的噪声影响控制较为重 要，且难度较大，因此本文只考虑开窗的情况。要采用有关的前传丰动 控制策略，首先必须要求在窗外参考信号和室内误差信号之间存在着良 好的相于性，才有可能取得较好的降噪效果。为了较好地了解这种相干 性本文根据道路交通噪声预测方法、波动理论和模态耦合理论，提出 了一种高层建筑中矩形房间室内与其开窗窗外声压问相干性的理论计算 方法，并考虑了开窗对传入空的矩形房间声场的影响。研究结果呵用于 预先了解对传入高层建筑开窗房间的道路交通噪声采用a n c 技术的可 行性。针对理论计算方法，又设计了一种实验方法进行了，验证。实验地 点位于南京市的幢3 4 层高层建筑的1 7 层和3 0 层同类共二间空的矩形 房r 司，各有一扇可开启的窗户。通过对室内和窗外的声压进行测量，然 后将其转化为实验相干数值来表示结果，再与该测量条件下根据本文的 相干理论计算得到的相干值进行比较。总体上，计算的相干值与实验结 存在误差的原因，用数值算例来计算与预测，并讨论了有关参数与系统 的相干性的关系。， 关键词：阳干性，道路交通噪声，噪声主动控制，局域空间 a b s t r a c t an l e t h o df o rt h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t i n gt h ec o h e r e n c eb e t w e e nt h e s o u n dp r e s s u r e i n s i d ear e c t a n g u l a rr o o mi nah i g h r i s eb u i l d i n ga n dt h a to u t s i d et h eo p e n i n gw i n d o wo f t h er o o mi sp r o p o s e d t h et r a f f i cn o i s et r a n s m i t t i r i gi n t ot h er o o m si sg e n e r a l l yd o m i n a t e d b yl o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，t ow h i c ht h ea c t i v en o i s ec o n t r o l ( a n c ) t e c h n o l o g ym a y f i n di t sa p p l i c a t i o n h o w e v e r ，ag o o dc o h e r e n c eb e t w e e nr e f e r e n c ea n de r r o rs i g n a l si s e s s e n t i a if o ra ne f f e c t i v en o i s er e d u c t i o na n ds h o u l db ec h e c k e df i r s t ，i ff e e d f o r w a r d c o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e dt h ec o m f o r t a b l e l i v i n gc r i t e r i af o rar o o mm u s tc o v e rs i t u a t i o n s o fb o t hc l o s e da n do p e nw i n d o w s ，a n dt h i sp a p e rw i l lo n l yf o c u so nt h eo p e nw i n d o w s i t l l a t i o nt h ee f f e c to fo p e nw i n d o wo nt h es o u n df i e l dt r a n s m i t t e di n t o a ne m p t y r e c t a n g u l a rr o o mi ss t u d i e di no r d e rt oh a v eap h y s i c a li n s i g h to ft h ec o h e r e n c e b a s e do n t r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm e t h o d s ，w a v et h e o r y ，a n dm o d ec o u p l i n gt h e o r y ，t h er e s u l t so ft h i s p a p e re n a b l e do n et od e t e r m i n et h ep o t e n t i a l sa n dl i m i t a t i o n so fa n c u s e dt or e d u c es u c h t r a n s m i s s i o n a ne x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nf o rt h em e t h o di s p r e s e n t e de x p e r i m e n t a l c o h e r e n c er e s u l t sa r es h o w nf o ro n et y p eo ft w oe m p t yr e c t a n g u l a rr o o m ss e p a r a t e l y l o c a t e do nt h e17 t hf l o o ra n d3 0 t hf l o o ro fo n et o t a l3 4 f l o o rh i g h - r i s eb u i l d i n gi nn a n ji n g o fc h i n at h et h e o r e t i c a lv a l u e sw i t ht h ep r o p o s e dm e t h o da r eg e n e r a l l yi ng o o da g r e e m e n t w i t ht h em e a s u r e dv a l u e s t h ea g r e e m e n ts h o w st h ee f f e c t i v eo ft h em e t h o df o rp r e d i c t i n g t h ec o h e r e n c e ，w h i c hw i l lb ea s s i s t a n tt od e t e r m i n i n gt h ep o s s i b i l i t i e sa n dp h y s i c a l l i m i t a t i o n sf o rm a k i n ga ne f f o r t f o ra c t i v ec o n t r o lt r a f f i cn o i s ei nh i g h r i s eb u i l d i n g st h e n ， t h en u m e r i c a le x a m p l e sa r ep r e s e n t e dt op r e l i m i n a r i l yp r e d i c ta n ds h o wt i r ec o h e le n c eo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：c o h e r e n c e ，r o a dt r a f f i cn o is e ，a c t iv ed o is ec o o t f 0 1 ，1 0 c a l a r e a s d a c e z o n e 7 腐 型! j 查銮望叁兰 些墅丝i 堇鳖垒塑些重量皇塑丝丝堑耋垒塑查垒垫些l ! ! 垒 2 、符号表示一览 a 。模态耦合因子； a 。在距离r 。w 处、第s 条行车道路上、第u 类车发出的噪声源强； a ( c o1与车辆表面振速和空气属性有关的声源强度； 。开窗窗户高； b开窗窗户宽； c构造组的方程组矩阵； c ，地面属性决定的反射系数； ( 1 1建筑表面属性决定的反射系数； d道路与高层建筑问的距离： c空气中的声速； f声音频率； h研究的高层建筑中房间从地面算起的高度； i虚数单位； i表示时间或位置独立、随机出现的车辆： k k 傅立叶余弦序列系数； k声音波数； l 。正对高层建筑的第s 条车道研究部分的半长； l 、，l 、，l ：，研究房间的长、宽、高； m 空气吸声系数； i t l ( u ，r )由空气吸收或风、温度、障碍引起的声衰减参数： 1 t 1 ，n模态数值； n 车流密度： n ；第s 条车道上的车流密度； n 。第u 类车辆的车流密度： 腐 丝j ! 壅奎塑叁堂 ! l 丝丝；垄塑奎塑些重皇垫丝塑些窒垡鱼鱼耋堡l ! ! 坠 n 。研究长度道路上的车辆数； n s u 研究长度道路上、笫u 类车辆的数目： p ( r ，u ，t ) 距r 处频率为u 的声压； p ( x ，y ，z ，6 9 ，t ) 声压； p ，q 模态数值； r ，r 。，车辆与受声点之间的距离； s ，s 窗户打开部分的虚拟表面； t 时间； t上标，矩阵的转置； v车辆平均行速； v 、，v 。，v ：分别在x 、y 、z 方向上的空气质点速度； x ，y 。z变换后的坐标； x o ，y o ，z o 参考传感器的位置： x ，y ，z 受声点的位置； v 散度： 6 6 脉冲响应函数； p 空气密度； u 声圆频率( = 2nd ； y2 ( 国)频率为( 0 的相干系数： 4 上标，变量的复共轭。 塞型! 查奎鎏叁兰 堂丝丝i 堕堑垒望坚鸯耋垫丝型丝垄墼鱼叁塑鳖些! l 3 、局域空间噪声主动控制技术的进展 3 1 背景 传统的噪声控制采用被动的方法和装置，如隔声罩，隔声屏障，消 声器等，它们能有效地抑制中高频的噪声，但如果用于处理低频噪声， 则存在体积大、价格贵、效果差等根本性的问题。同时，采用被动控制 的方法，常常很难在一个噪声空间内有目标地形成一个预定的安静区 域，而不影响设备和操作者的工作。与被动方法相反，噪声主动控制方 法适用于控制低频噪声，同时能在一个噪声空间内有目标地形成一个预 定的安静区域而不影响设备和操作者的工作，即进行局部区域的噪声控 制。 噪声主动控制的概念，最早可追溯到1 9 3 6 年l e u g 发表的管道噪声 控制专利。它通过引入一个次级声源向管道内反相回放在此之前接受到 的管道噪声( 初级声源) ，从而达到降低外传低频噪声的目的。由于当 时的控制技术的限制，不可能制造出所需的实时控制系统，因而l e u g 提 出的这一新技术长期未受到注意。1 9 5 3 年，o l s o n 和m a y 进行了一些噪 声主动控制实验，提出了在噪声很大的机器附近的操作者头部位置形成 “安静区域”的方法【2 】。但是，由于所用的控制电路为模拟器件，结果效 果不够理想。至七十年代开始，由于声学删论，信号处理理论和数字控 制电子技术的发展，以及对低频噪声控制的需要，噪声主动控制技术的 研究才又得到了重视3 1 。到了九十年代，由于功能越来越强的高速微处理 器的出现和自适应控制理论与方法的发展，大大推动了噪声主动控制技 术的研究向逐步实用化的方向进展d - g l 。目前，已可应用于实际问题的噪 声主动控制技术的例子包括：空调管道噪声的主动控制10 1 ，主动护耳器 技术1 1 和螺旋浆飞机机舱内谐波噪声的主动控制1 2 1 等，些应用已实现 厂商品化，但这一技术的应用面尚较狭窄，还远不能满足需求。经过不 1 0 型l 垫窒雪叁兰 ：些些些塑些坠些些些丝些 断的努力，研究人员发现，需要进行更深入的研究，搞清各种声场和结 构中弹性波的特性，才能确保噪声主动控制技术的可行性，研发出更多 种噪声主动控制技术的实用系统。 噪声主动控制技术更为广阔的应用领域在于能实现三维空间噪声的 控制。在过去的几十年中，在声场特性、声能传播与辐射、结构振动等 方面的基础研究已取得了很大的成果4 9 1 。但是，由于三维空间问题中声 源及声波传播的复杂性和因果性，已进行的空间主动控制的实验工作， 大部分对真实环境实验条件作了大量的理论简化，许多研究集中于单频 情形，没有对某些必要的关键性问题作深入研究，因而这些实验工作的 结果并不理想，只取得了非常有限的效果。 对于自由空间或围护空间中的噪声场，采用全空间控制策略会遇到 一些根本性的限制，此时可采用局域控制的策略。易于实现的局域控制 策略虽然会造成降噪区域范围外的噪声级升高，但通常是可容许的。例 如，对汽车车厢内多处局域噪声( 围绕司机或乘客头部位置) 进行主动 控制就是一例m j 。局域空间噪声主动控制技术研究目前已达到一定的水 平，但要继续发展尚需对一些问题进行更深入的研究( 例如，对非线性、 时变( 随机) 、低频端宽频的信号进行快速、有效、自适应的处理的问 题) ，需要寻找新的解决方法，以求新的进展。本章将对局域噪声 ：动 控制技术的白适应控制机理和数字信号控制实现算法等方面进行综述， 介绍一些已经实现和可能实现的局域噪声主动控制技术的应用或实验研 究结果。 3 2 局域噪声主动控制的声学原理 局域空间主动噪声控制的原理基于声波的干涉机制，即对所控制的 局域空间，用次级声源产生的声波对初级声源产生的噪声进行抵消性干 涉，以使被研究的空间局域内的噪声声压值达到期望的控制目的。本文 些! i 查：銮望叁兰 些丝i 坠些些垄垒型些皇圭丝堑塑些壁堕鱼垒叁垒! 些堕 将局域空间主动噪声控制分为初级声源和次级声源均在室外( 室外局 域) ，初级声源和次级声源均在围护结构内( 围护结构内局域) ，以及 初级声源在室外、次级声源在室内( 室外向室内的声传播) 等三种情况。 3 2 1 室外局域 西澳大g j , x 大学的潘杰等系统地研究了自由空间局域噪声的二t 动控 制】。研究表明，局部安静区域的大小主要取决于初级声源、次级声源、 误差传感器的空间布置以及周围存在的反射面的几何学。单个次级声源 的控制效果有限，一般考虑采用多个次级声源和多个误差传感器。此时， 次级声源产生的安静区域并非单个声源情况的叠加，它们之间存在互相 干涉，需要通过优化布置，才能取得最大的安静区域” m 】；g u o 和p a n 研究了存在一对初次级声源时地面的影响1 7 】，发现地面较严重地影响了 安静区域的大小，影响因素包括声源和误差传感器离地面的距离、初级 声源和次级声源间的距离以及次级声源和误差传感器间的距离。因此， 一般而言半空间控制系统的安静区域小于全空间自由场的情况。只有当 声源离开反射而一个波长以上时，反射面对相应频率声波的影响才可被 忽略1 1 8 1 。 3 2 2 围护结构内的局域 n e l s o n 和e l l i o t t 的研究小组( 英国南安普顿大学声振动研究所) 系 统地研究了围护结构内局域空间噪声主动控制问题。j o s e p h 和e l l i o t t 用 统计方法研究了围护结构内谐波声场的蕾动控制m 】。对于频率较高的低 频成分，房间响应来自大量的模态，很难实现全空间的声场控制，只能 采用以某个控制点为中心的局域空间策略。o l s o n 和m a y 对人的头部位 置进行了噪声控制的研究1 2 1 。由于其控制目标为降低监测传感器位置处的 噪声，只要该传感器靠近次级声源，次级声源不需太大的激励信号，也 型! j 垫奎堑叁兰 ! ! 丝! ! 兰望堑查望些童窒垒堑箜坠丝尘些鱼垒垫! i 堡些 就不会向远离控制局域的地方发射太多的新增噪声。而在靠近次级声源 的局域，初级声场与次级声源的信号发生叠加干涉形成噪声降低的区域 1 2 0 川。理论上可以对活塞纯音信号用数值计算的方法分析这种干涉降噪 的效果，并定义比原先降低1 0 d b 以上的局域为安静区1 2 2 ；当传感器靠近 次级声源，安静范围很小，但在1 k h z 以下频域，该范围与频率无关；当 传感器远移，安静范围在低频时较大，但会随激发频率的增加而减小。 最大的范围为波长的十分之一。 d a v i d 和e l l i o t t 研究了次级声源轴线方向上所形成安静区域的形状， 发现在均匀初级声场时，对频率很高的声音，围绕次级声源所形成的安 静带为非常完整的壳状。但对扩散的初级声场，安静区域的形状与声波 波长和主动噪声控制系统的尺度有关23 1 。在低频激励下初级声场仍可近 似看成均匀场，安静区域形状保持呈壳状围绕次级声源；而在较高频率 的激励时，初级声源场为扩散场，将围绕监测传感器形成直径近似为研 究声波十分之一波长的球形安静区域，并与初级声源场的空间相天特性 有关。 真实的局域噪声控制系统还需考虑人的头部存在时的影响。b o n i t o 和e l l i o t t 仿真和实验研究了将人头近似为硬的球体时扩散的初级声场内 次级声场的衍射特性，结果表明平均的安静范围较人头引入前略有增大 【24 | 。为了产生有用的安静局域空间，误差传感器必须放在距次级声源较 远处，这会给安静区域内头部的活动带来不便。b o n i t o 和e l l i o t t 提出用 虚拟传感器的概念，将真正的传感器放在距离人头较远处，f e ：l 可产牛其 紧靠头部的效果，并进行了理论与实验研究2 5 1 。k e s t e l l 和h a n s e n 则用能 量密度传感器代替普通的声压传感器对此进行了改进，以求取更好的效 果【2 6 】。 传统的局域噪声主动控制技术所采用的最小化评价量为声压值：该 燮! i 塑至堑叁耋 ! l 丝些皇墅量窒望些篁些堑些型堑些廷垄坠些垒些垒 方法的优点为应用形式简单。为了将控制点的安静区域扩大，另一种方 法是同时采用声压值和声粒子速度值作为控制点最小化的函数，较仅用 声压值作为评价量取得更好的效果27 1 。t s e n g 和r a f a e l y 等则提出用控制 论的鲁棒h 2 和h 。准则2 8 i 。通过采用二或三个次级声源的方法，不仅可 以使单点的声压值最小，而且使整个安静区域的评价量最小，以获得更 火的安静范围。 3 。2 3 室外向室内的声传播 目前，对飞机、汽车等系统，存在采用轻质量结构和壳体设计的趋势， 以求节省能源和材料，但由此却带来了大量的舱内或车厢内低频噪声控 制问题。因此目前室内噪声主动控制的热点问题之一，集中在对从室外 通过弹性边界传入围护结构内噪声的控制2 9 1 。研究方法之一，是将系统 模拟为声腔表面带有一个弹性平板( 例如，p a n 等3 ( 1 , 3 i l ，s n y d e r 【3 2 j ，k i m 和 b r e n n a n 3 3 1 s a m p a t h 和b a l a c h a m d r a n 3 引，等等) 。虽然这些研究主要考 虑腔体内全空间噪声的控制问题，但其方法可以推广至对腔内局域空间 的噪声控制，已有的研究为对飞机和汽车内驾驶员和乘客头部位置噪声 的控制。 这种方法也可用于对建筑物室外噪声传入室内的情况作局域主动控 制，按建筑物的舒适标准，可分为房间窗户打开和关闭两种情况。由于 这时的实际声传播路径一般非常复杂，所以该类研究很少【3 “。窗户关闭 时，窗户玻璃可以模拟为一类弹性边界，房间可看成竖放的空腔，因此 系统可考虑为腔体加简支弹性边界；对普通建筑物，窗户打开的机会更 多一些，会有更多的噪声能量进入，将较窗户关闭更有研究价值，但其 研究的难度更大，几乎没有看到有关该类问题研究的报道。 型! i 查：窒塑叁兰 坐坠笪兰堕塑耋垄鬯重翌垄坠型些垒垄墼查耋堡些 3 3 控制算法 区i 为实际初级声源的噪声包括稳态的和随机的两种情况，针对它们 需要采用不同布置的次级声源、参考传感器或误差传感器，通过自适应 数字信号处理算法应用d s p 高速单板机实现实时控制。自适应建模采用 f i r 和i i r 滤波器36 f ，最常用的算法为最小力差( l m s ) 方法。但因需要考 虑次级声源的动态性能( 传递函数) ，由此发展出滤波f x l m s 算法。 f i r 具有性能稳定的特点，但需要较多的点才能得到好的性能，因此计 算量较大；i i r 具有简单的形式，计算量小，计算成本低，但系统可能出 现不稳定的现象；如果能克服不稳定的极点因素，i i r 的应用将具有更大 的吸引力。 控制算法包括前馈算法，反馈算法，以及前馈与反馈复合算法。前 馈算法需要由参考传感器提供良好相干的信号，在此条件下才能取得较 好的降噪效果；反馈算法主要应用于初级声源具有可预测性噪声成分的 情形；前馈与反馈复合算法则结合了两种算法的特点阳。4 0 1 。好的算法应 具有收敛快，降噪比大和鲁棒性等特点。不论采用哪一种算法，都需要 考虑声延迟和声反馈的影响。一般采用补偿的方法来克服：但对一些具 体问题，采用特殊应用的布置，叮忽略它们的影响。 k u o 和m o r g a n 通过分析最基本的基于单通道、宽频带、前馈的自适 应控制算法，并将其改进为窄频前馈和自适应反馈控制，进而将单通道 算法扩展到多通道的情况；同时，全面地介绍了各种在线、次级路径模 拟技术和特殊的自适应算法，例如r l s 算法，网格算法，频域算法，分 频算法，回归最小平方算法等【4 1 1 。 常用算法一般具有简捷性。为了取得更好的性能，许多研究者发展 或完善了各种算法。例如，k i m 和l e e 借助i i r 滤波器结构提出r 基于 型堕至鎏叁耋 ! 丝鬯磐型墼丝型型型些 遗传算法的主动噪声控制算法。算法具有较好的频率特性，对输入信号 相关性不敏感，不会陷入局部最小，且只需一一代学习样本等优点【4 2 | 。f u j i i 和m u n e v a s u 等提出了一科；同步方法，在不向次级声源引入额外噪声前提 下，不停地更新反馈控制滤波器的参数，其中，同- - 少1 l 了 任l 1 应用系统辨识 方法求解43 l 。t a n a k a 和m a k i n o 提出了一种将数据成块处理的方法，其 收敛速率与一般的单个数据采样的方法相同，但降低了计算的复杂性。 该法通过引进修正项来补偿单数据采样与数据直接成块处理的差别，然 后应用一种快速f i r 滤波技术计算滤波器输出，并更新滤波器参数的值 1 4 4 1 。b o u c h a r d 和q u e d n a u 则引入了多通道r l s 算法和多通道快速横向滤 波器算法，一定程度上可以提高收敛速度h “。 在另外方面，a d a c h i 和s a n o 研究了可直接用于小空问室内噪声控制 的算法。他们用系统辨识理论建立了一种包括扬声器和麦克风特性的声 场模型，从而设计出一种二自由度的控制系统，并在实验室用其对汽车 内噪声数据进行了控制处理【4 6 , 4 7 1 。o m o t o 和f u j i w a r a 等对运动声源噪声 主动控制问题进行了探讨。应用l m s 反馈和前馈算法，他们对紧靠路边 单辆快速运动的汽车噪声进行了主动控制仿真计算，结果表明反馈结构 大约有5 1 0 d b 的降噪效果，前馈结构的效果则很小4 引。 3 4 应用 自由窄问局域噪声主动控制技术已应刖于建：矗：噪声主动控制隔声屏 障，以及对露天变压器低频谐波噪声等的控制 4 9 - 5 1 】；但对于声屏障的应 用，尚缺乏考虑声源是移动的因数。围护空问局域噪声主动控制技术最 为矗接的应用包括汽车、飞机、船舶等噪声很大的交通工具内的噪声控 制靶i ，以及对多媒体电脑音响系统产生娱乐用个人安静区域5 3 1 ，或对作 核磁共振 义检杳病人头部位置的噪声i 井行控制5 4 】；当声源集中于一个位 型：! 堡窒塑叁兰 = ：些丝些三丝堡耋望些篁耋壁垒丝些垒垒堕鱼垒鎏些 置，与声源分布于整个机舱，所采用的控制方法是不同的。对于噪声从 室外传入室内，在室内产生分布声场的情况，又不同于单个声源直接置 于室内的情况。此时既有空气声传入，又有结构声传入。这种情况下可 将参考传感器布置于室外。只要误差传感器可以得到较好的相干信号， 就可蹦次级传感器在人的头部区域( 如床头位置) 产生安静区。由于围 护结构的影响，返回到参考传感器的控制信号可以很弱，因而这种布置 可以不考虑声反馈的影响。c r a w f o r d 和s t e w a r t 报道了一种采用低价d s p 技术的双通道主动噪声控制器，可用于许多情形5 5 1 。虽然该成果局限于 信号稳定的声源，但他们指出，随着功能强大、价格低廉的d s p ：芭= 片的 出现，以及噪声主动控制技术的发展，在未来的1 0 年内，有望出现更多 的应用。 3 5 展望 虽然目前已经取得的、具有实效性的工程应用实例不多，但刁i 容置 疑，噪声主动控制技术具有良好的应用前景。通过文献检索，本文作者 认为，已经取得的、具有实效性的应用大都在9 0 年代中期已完成，噪声 一i 三动控制技术更大的应用领域将在三维空间噪声场的控制方面，进一步 的研究正处于另一个“静寂”或“瓶颈”时期。由于实现全空间噪声主 动控制存在很大的难度，局域空间噪声主动控制的工程应用是下一阶段 努力的目标。虽然在局域空间噪声主动控制的声学原理和控制算法上都 已获得不小的进展，但在实际应用方面由于存在局限性，使得其应用效 果尚不够理想。因此，对局域空间噪声二l 动控制的声学原理和控制算法 继续在深度和广度上进行研究，发展和采用最先进的d s p 技术和实用的 局域噪声主动控制工程设计方法，将使这先进的噪声控制技术在今后 十年应用于一此最尖端的重要的部门。 ! 型! j 塑垒塑叁耋 ! l 丝；垒重堕奎鎏鳖童耋垫丝型垫垄塑鱼：差塑望型塞 4 、道路噪声传入高层建筑开窗房间相干性的理论计算和实验研究 4 1 研究背景 道路交通噪声是现代城市的主要环境污染问题之一。其它绝大部分 噪声，如工厂噪声，可以通过规划、管理或搬迁声源来加以控制。但是， 交通噪声是如此的广泛，在汽车噪声能够被厂家降低之前，难以绝对避 免。许多住在沿街的居民，总是受到交通噪声的影响，而且这种噪声含 有很宽的频率成分。一般用以控制交通噪声的技术为被动的方法，典型 的方法如声屏障和隔声窗，它们主要对中高频的声音有效。另一方面， 现代城市中的高层建筑数量发展很快；以上海市为例，目前高于2 4 米的 高层建筑数量已达3 0 0 0 幢以上。由于总是经过一定的距离传播，所以一 股传达到高层建筑内的声音的绝大部分高频成分被空气所吸收，而低频 成分则衰减得很少。这也是造成许多住在高层建筑高层的人仍然感到不 舒服的原因。某些时候，传入高层建筑的低频道路交通噪声，还由于其 波长与房间的尺寸处于同一数量级，房间中会出现共振的现象，可使这 种影响变得更为严重【56 1 。与此同时，噪声主动控制方法现被公认为是用 以降低低频噪声的种重要技术，因此，值得探索用噪声主动控制技术 去研究控制传入高层建筑房问的低频道路交通噪声。 根据建筑声学中房间的住宅舒适性标准，需要考虑开窗和关窗的两 种情况。因此，传入房间的噪声主动控制也应分为这两种情形。 对于关窗情况，可以模拟为对噪声传入封闭声腔的主动控制。以此 为题的研究，在文献中有大量的报道。早期，研究者的工作集中于声音 通过由矩形房间简支的矩形板或窗传入声腔的平均作用，而不考虑其瞬 时行为( 例如，见文献 s 7 ，5 8 ) 。 当前，由于对飞机和车辆等轻型质 量系统，存在进行低频噪声控制的客观需求，对于室内噪声主动控制的 研究兴趣，大量集中于带弹性边界的围护结构1 。关窗表面的玻i 离可近 1 8 - 型i 查銮塑叁兰 l 墅些i 望些窒塑些耋土垫丝型i 垒查墅鱼篓笪些! 些垄 似为弹性边界；关窗空的矩形房间可模拟为一类很好的空腔简支板模 型。对此，许多前人的成果，可直接应用于分析该类问题( 如，潘杰等 。，s n y d e r 1 ，k i m b r e n n a n 和s a m p a t h b a l a c h a m d r a n m “等人的 工作) 。然而，因为此类主题难度很大，很少有人将其注意力集中于传 入建筑的噪声主动控制。 对于开窗情况，尤以开窗情况下的噪声影响控制较为重要，且难度 较大。d u h a m e l 和s e r g e n t 在文献 6 5 中提出了交通噪声主动控制的概 念。但是，他们的工作主要是关于对由非相关线源产生的室外噪声进行 ：动控制，虽然其最终研究也拓展到对透过刚性平板( 置于自由空间) 二隙缝的声压进行数值计算，模拟噪声通过打开的窗户进入房间，但是 隙缝的衍射与置于关门房间墙上真实打开的窗户有很大的不同。m a r t i n ” 也提出了一种主动降低交通噪声的策略，对决定性的、变化缓慢的、来 自起飞飞机、列车、汽车等运动声源辐射的噪声进行控制，但只限定在 开放的空间。k r o p p 和b e r i l l e n 7 删提出了一种研究建筑阳台低、中频声 学性能的理论模型，用于阳台的优化设计，简单地将整个前墙视作完全 地打开来模拟实际部分开放的阳台。可见，对传入开窗房间的交通噪声 进行预测和主动控制，尚存在空白，虽然这种物理系统的复杂性有可能 限制实际的控制效果。本文将为填补这项空白做出努力。 要主动地控制从打开的窗户传入房间的噪声，可采用全空间和局部 空间两种方法。由于房间中的声场一般非常的复杂，很难或者甚至不可 能完成全空间的控制。虽然局域控制会造成离开误差传感器的其它位置 的噪声级升高，但对于获取局部的安静区域是科t 可以采用的策略。除 此之外，受声点接受的交通噪声一般为在低频段宽频或随机的噪声，由 于电子硬件的时延，仅用反馈的算法效果将非常有限，获得的安静区域 也是很小和不稳定的。另一方面，本文条件一f f l g 声音传入适宜采用前传 型：! ：i 查窒塑叁耋 ：些丝丝垒望堕室堡些篁尘塑丝堡墼垄塑鱼垒堑! ! ! g 堕 的策略。参考传感器可置于室外，如窗台之下。这种布置可能减少来自 内墙墙面的反射以及次级声源向参考传感器的辐射。但是，由参考传感 器和误差传感器之间存在的相干性将反过来影响控制的性能。一种弥补 单一算法缺点的方法是复合前馈和反馈的策略6 9 一伽，但需要从非常有限 的传感器中尽可能多地获取信息。无论如何，一旦其中采用了前传的策 略用于传播的控制，在受声点间的信号通过开窗窗户传入的相干性，需 作为一个重要的问题来研究。 因此，最重要的是，如要采用有关的前传主动控制策略，首先就需 要研究高层建筑中矩形房间中误差信号和其开窗窗外参考信号问的相干 性，其值对降噪效果具有重要作用。综上所述，本文将拓展d u h a m e la n d s e r g e n t 的概念，考虑实际打开的窗户的影响，发展了一种用于计算高层 建筑中空的矩形房间内外噪声信号相干性的理论计算方法，并设计了一 种实验方法进行验证。实验地点位于南京市的一幢3 4 层高层建筑的1 7 层和3 0 层同类共二间空的矩形房间，各有一扇可开启的窗户。通过对室 内和窗外的声压进行测量，将其转化为相干的数值表示结果，与测量条 件1 f 、本文的相干理论计算值进行了比较，总体上，计算的相干值与实 验结果有较好的吻合。为此，本文的理沦计算方法可为对高层建筑交通 噪声的影响尝试进行噪声主动控制可行性研究提供一种新的评价方法。 文一 ，还讨论了计算模型中存在误差的原因，并用一些计算结果讨论了有 关参数与系统的相干性的关系。 4 2 理论推导 4 2 1 道路交通噪声在高层建筑正面的声压 某道路干线边的高层建筑如图1 所示。作下列假设：道路和建筑 问没有其他障碍物；面向建筑的道路有来去2 条车行线，每条车行线上 的车流具有几乎相同的平均行车速度，行驶的车辆种类包括小型车、重 l 淘奁通凡学 些垒丝i 垄些奎堡些室圭丝笪堂望查堑廷型丝 l l 丝丝 型：! i 查窒望叁堂些燮墼丝墼型些雀烂 型车( 又分公共汽车和卡车) 和摩托车等3 类，整条道路每秒的车流量 为n ，各条车行线的车流量约为n 、zn 2 ，第u 类车的流量为n 一即 a r ：窆。：2 ；正对建筑物的第s 条车行线的研究长度或影响长度为 i - l , l ，车流量为n 、，其中第u 类车的流量为m u ( 纸2 骞以n j 。 道路上行驶 打开的窗户 图1 ：道路旁高层建筑示意图 每辆车可看作在道路上行驶着、远离观察点的单极声源，于是单辆 乌：在受声点频域的声压可以下式表示： p ( r ，f ) ：o + c r ) 4 白) m 如，r ) e x p l 妞打彤4 硝 ( 1 ) 式中，a ( ) 为与车辆表面振速和空气属性有关的声源强度；c r 为地面的 反射系数；参数r 为车辆与受声点间的距离；6 0 为声音频率；t 指时间； 丝些至塑叁兰一：型些丝塑墼皇丝型墼些丝墼坠 k 为波数( ：c ) ；m ( u ，r ) 为由空气吸收或风、温度、障碍引起的声衰 减参数，最简单的情况，它可表示为m ( ，r ) 3 e x p ( 一m ) ( 式中，m 指 空气吸声系数) 。 根据上述假设和车流可能呈现的运动分布( 如泊松分布，或其它某 神分布) ，从道路传到该高层建筑正面的声压可按下式计算： p 妇，= 喜窑篓氏。竺掣 。童、= 1 窆n = l 弘= 0 型筹剑i “。 l ， ( 2 ) e ( 4 。佤。，) ：e f 弦( 一s ) 占( u - - z 龇一j ) ( 3 ) 式中，对所有的s 、u ，有“o = 0 ，以及 f ：乒下可 ( 4 ) ld ：、厅_ 万 在( 2 ) 一( 4 ) 式中，假定时段p l s v ，+ 上s v 内声压p ( r ，t ) 仅受到 道路上车流的影响；j 指独立随机时间或任何一辆汽车的位置。复数独立 随机变量a 、，。：( 1 + d ) a m ( c o ，) 与距离凡。处、第s 条车行线上、呈任意 密度分布函数的第u 类车的瞬态变化有关；爿。，。s 的复共轭为为4 ：。，t 。 为车辆及其声压出现时的独立随机时间；距离d 、d 和h 如图1 所示。 4 2 2 声音传入高层建筑的理论模型 高层建筑正面带有一扇打开窗户的房间可被模拟成无限障板j ：的 个局部打开的矩形声腔，见图2 。房间中的声压级取决于窗户打= f f 部分的 大小、内表面墙的吸声性能，以及房间的尺寸。对于高于s c h r o d e r 频率 的声音成分，声场将呈现扩散性；对于低频声，声压具有明显的共振峰。 房间尺度大约为3 x3 4m 、所研究的噪声频率低于l o o h z 时，虽然窗 瓜 型：! j 查奎望叁兰 垡塑垫些墼塑里些童笪垄垫些星垒丝鱼耋耋些 户面积尺寸总是小于整个前墙的面积，但是噪声波长将大于3 4 米，这 样研究低频噪声相干性时，可不考虑吸声的影响。 z 图2 ：障板上的矩形房间( 声腔) 及其座标和参数 如图2 所示，研究的房间空腔长l ，、宽l ，、高l 、；打开的窗户高为“、 宽为b 。房间内的声压p ( x ，y ，z ，0 3 ，t ) 可用波动方程表示： v ! p = i 1 萨c a 2 p ( 5 ) 其边界条件如下列方程所示： ( 一= o ，x 一= ) = 一士譬k 。= o z p md x b ；o ，y ：f ，) ：一上挈h 。：o ( 6 ) l d 甜o y ( 刊：) = 一上i p ( o 飘吐= 。 厂ijj一、lll ：氘 丝l j 查奎鎏叁耋 ! l 丝些；重些室塑些星土垫堑塑型坌塑鱼量塑坠墼丝丝 ( 5 ) 式和( 6 ) 式的解为： 肛，小m 薹弘，唧( _ k ) c o s 等h 等弘。心：圳唧( 训= 0 肛0 o 凡才 根据物理意义，应用式时需要注意，刿2 + 2 时 。 觑盹驯 + 吼m 1 j k m n = - i 厂了_ 弋厂一 j + “2 除了( 6 ) 式的边界条件外，还有图2 所示的开窗条件，即 对于卜，孚学弘“纠吐) 厂v 二z = o ) = ( v 。二+ v ，。= + v r e 】：。= v ：+ v 。 l p 二( r ，y ，o ，甜) ：( p 。+ p 。+ p 。，】= ：。= p 、+ p ，。， ( 8 ) 以玑b 0 ) = o 时0 ，对于( 0 l x , 0 字 i , ( 10 l 。，字， i 以及v = t = ) = 时，对于 c x 再c 十五c ) ，为混响声的能量 类似计算式( 2 6 ) 的过程，应用式( 1 3 ) 和式 ( 1 6 ) ，即将k 换成k 2 ，( 1 q ) 换成( 1 一o ) ( 1 5 ) ， 可以计算出声场中作直达声和镜像反射部分能量的 脉冲响应e + d ( ) ，为( 推导过程省略) ： e g + d ( ) = 筹i ( 1 _ a ) ( 1 刮“硒) t + l e x p ( 一卅 秽4 w 刊”咖州一嘶一十 磊_ w ：面i e x p ( 一m r 7 ) o r ，c ) ( 2 7 ) 6 ) 声学学报 2 0 0 0 薤 2 3 新的扩散系数求解方法 声场中的总能量为： 雨= e ( t