主动吸声降噪理论与方法研究.pdf

华中科技大学博士学位论文主动吸声降噪理论与方法研究姓名：朱从云申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：黄其柏20051024 i 摘摘摘摘 要要要要 主动消声是利用声波之间的相消性干涉原理使声场局部区域声能相互抵消从而达到降低噪声的目的由于声场的复杂性加之实际声源场的再现具有相当的难度致使主动消声方法实际应用并不理想而有别于主动消声的主动吸声方法是从噪声传播途径上和受声体进行控制它的控制目标是使入射声波的反射系数很小或接近于零形成黑洞现象使得吸声系数达到最大从而达到吸声降噪的目的国外从 20 世纪 90 年代初开始对主动吸声进行研究但是研究成果少见报道国内的研究目前尚是空白本论文基于主动吸声降噪的特点围绕其若干关键技术问题在理论和计算等方面进行了研究与探讨论文回顾了主动消声吸声降噪的发展历史与现状阐述了主动吸声降噪有待解决的关键技术问题提出了论文的主攻目标和研究内容 研究了多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法采用声电类比与递推方法推导了由穿孔板多孔吸声材料及空腔组成的多层吸声结构吸声系数计算的理论模型通过数值计算揭示了不同组合方式吸声结构与吸声系数的关系 基于空腔深度与共振频率的关系提出了穿孔板主动吸声结构的吸声理论与方法经过数值计算得到了空腔深度变化与共振吸声系数的关系在此基础上提出了在穿孔板共振的条件下通过一定流速的气流可进一步提高穿孔板主动吸声结构的吸声效果 针对宽频带吸声降噪问题提出了基于声阻抗的两种主动吸声理论与方法第一种方法研究了移动刚性壁进行主动吸声的方法该主动吸声方法由一层吸声材料和吸声材料背后可以移动的刚性壁组成根据入射声波的频率调节吸声材料背后刚性壁的位置使吸声材料表面的声阻抗与空气的声阻抗相匹配吸声材料的吸声系数达到最大但是该主动吸声方法频率调节能力相对较差对单一的低中频峰值频率较为有效为此提出了另外一种基于声阻抗的主动吸声方法该吸声方法由一层吸声材料和吸声材料背后的扬声器组成调节吸声材料背后扬声器的辐射阻抗使得吸声材料的表面声阻抗率和空气的声阻抗率相匹配从而使吸声系数达到最大数值计算结果表明该吸声系统在低频时能取得较好的吸声效果高频声通常由吸声材料来达到吸声降噪的目的 ii 研究了用压电材料进行主动吸声的理论与方法用一片压电材料作为主动吸声材料通过等间距布置于压电材料正前方的两个 pvdfpoly vinylidene fluoride传感器检测出入射声波的声压根据压电材料的声电类比图利用压电材料的压电性能理论计算加在压电材料上的电压使得反射声波为零从而达到主动吸声的目的实验结果表明该主动吸声方法是可行的 基于前一章的理论研究成果提出了用两片压电材料进行主动吸声与主动隔声用两片压电材料作为主动吸声材料与主动隔声材料通过布置于两片压电材料正前方的两片不等间距的 pvdf 传感器检测出入射声波的声压根据两片压电材料的声电类比图理论计算分别加在两片压电材料上的电压使得反射声波与透射声波为零从而达到主动吸声与主动隔声的目的并通过实验验证了主动吸声与主动隔声的有效性 关键词主动吸声 声阻抗 压电材料 穿孔板 吸声系数 多层吸声结构 主动隔声 iii abstract active noise control is achieved by introducing a canceling “anti-noise” wave of equal amplitude and opposite phase using a secondary source. it is controlled with incident sound wave, yet active sound absorption is controlled with reflected sound wave and the absorption coefficient is maximal for the reflected coefficient is reached to zero. active sound absorption is vacant in china till now, yet it is researched in foreign country from 1990s and the correlative achievement is seldom reported, so the main content of the dissertation is focused on the study with active sound absorption. it presents the development of modern techniques about active sound absorption and then puts emphasis on the study about theoretical calculation absorption coefficient of the multi-layer absorber, the active absorption system based on the air stream, the active absorption system based on the characteristic impedance, the active absorption system based on the piezoelectric materials and the principle of the active absorption and active isolation based on piezoelectric materials. a theoretical method to calculate the absorption coefficient of the multi-layer absorber is proposed in this dissertation. for the multi-layer absorber composed of perforated plate, composed of perforated plate and cavity, composed of perforated plate, porous absorption material and cavity, the absorption coefficient is theoretically calculated. at last, the absorption coefficient of the different assembled absorber is calculated using the method mentioned in this dissertation. the results denoted that the method to calculate the absorption coefficient mentioned in this dissertation is feasible. the theory of active absorption using perforated plate is proposed in this dissertation. the perforated plate is used as the material of active absorption. the frequency is measured in order to get the resonate frequency and the depth between the perforated plate and the rigid wall, then the rigid wall is moved in order that the depth between the perforated plate and the rigid wall is satisfied with the resonate frequency, so the absorption coefficient is maximal iv and the aim of active absorption is reached. numerical calculation denoted that the absorption effect is not obvious, so, on the condition of the resonate frequency of the perforated plate, the air stream is passed through the cavity between the perforated plate and the rigid wall so that the absorption coefficient is about 1.0. the theoretical calculation results denoted that the active sound absorption method is feasible. the method of active absorption based on the characteristic impedance is proposed and two systems are designed in this dissertation. one of the systems is consisted of the absorption material and the moved rigid wall, the depth between the absorption material and the rigid wall is adjusted to make the surface characteristic impedance of the absorption material match with the air characteristic impedance so that the absorption coefficient is maximal. yet this system is effective for the single frequency sound wave and noneffective for the wide frequency sound wave, so the second system is posed which is consisted of two microphones, the absorption material and two loudspeakers, the incident wave is measured by the two microphones, the sound impedance is controlled in order to make the surface impedance match with the air impedance to reach the aim of active absorption. numerical calculation denoted that the second system is effective for the low frequency sound wave and noneffective for the high frequency sound wave in which the absorption material is effective. in this dissertation, the active sound absorption system is posed. the piezoelectric material is applied as the absorption material in active sound absorption system. two pvdf (poly vinylidene fluoride) films with equal distance are placed in front of the piezoelectric material in order to measure the sound pressure of the incident wave. the voltage is applied on the surface of the piezoelectric material in order to make the reflected wave zero according to the method of electro-acoustic analogy. at last, the experiment is carried out. the results denoted that the active sound absorption method is feasible. on the base of the theory of active sound absorption using one piece of piezoelectric material, the active sound absorption and the active sound isolation using two pieces of piezoelectric materials is posed in this dissertation. two pieces of piezoelectric materials are used as the main materials of active sound absorption and active sound isolation. the voltage v is applied on the surface of the two piezoelectric materials respectively in order to make the reflected wave and the transmission wave zero according to the measured sound pressure of the incidence plane wave using two pieces of pvdf (poly vinylidene fluoride). the experimental results denoted that the active sound absorption and active sound isolation method is feasible. key words: active sound absorption, characteristic impedance, piezoelectric material, perforated plate, absorption coefficient, multi-layer absorption structure, active sound isolation, 1 1 绪绪绪绪 论论论论 1.1 引言引言引言引言 噪声污染已成为当代世界性的问题被列为三大污染之一一种声音之所以成为噪声是因为它会引起疲劳不舒适或者影响通讯或者更极端的情况引起听力损失研究表明1在强噪声下工作一天只要噪声不是太强115db事后只产生暂时性听力损失经过休息便可恢复如果天天在强噪声下工作开始虽可恢复但经过一段时间后就会逐步成为永久性听力损失随着社会的发展噪声已成为越来越重要的问题其原因不外乎三点随着使用的机器不断增多人们暴露在噪声下的机会越来越多高人口密度导致人们对居民区噪声更加关心噪声对健康的危害越来越为人们所了解当然研究噪声控制的目的除了改善人们的工作环境和生活环境之外还有另一方面即它是促进国家工业化进行经济建设的一个很重要的方面也就是说人们在治理噪声的时候促进了工业的发展 在工程领域有阻性消声抗性消声和阻抗复合消声1这些消声方法都是被动的消声方法它们对窄带噪声的效果较好但是对于宽带噪声的消声效果就显得差强人意因此人们提出了主动消声的方法但是该方法在目前已经处于静寂区和瓶颈区很难在短期内有所突破因此主动吸声的思想就引起了人们的注意 利用吸声材料或吸声结构来降低噪声的方法称为吸声降噪吸声降噪在工程上有着广泛的应用例如1通过在房间内表面涂敷吸声材料可以缩短或调整房屋内部的混响时间改善房屋内部的听闻条件降低房间或厂房内部的噪声2作为管道衬垫或消声器材料可以降低管道内的噪声3在隔声罩的内表面贴敷吸声材料可以提高隔声罩的隔声量因此吸声降噪是噪声控制中很重要的一个手段 吸声材料和吸声结构的种类很多一般可分为单层吸声材料和多层吸声材料它们都是被动吸声单层吸声材料的吸声频谱特性曲线如图 1.1 所示 2 由图 1.1 可知 单层吸声材料的吸声系数随频率的增加而增加 吸声频谱曲线由低频向高频逐步升高并出现不同程度的起伏随着频率的升高趋向一个缓慢变化的数值因此被动吸声在中频时的效果较好但是在低频时的吸声效果很不理想高频时的吸声系数并不能达到 1.0 如何提高吸声材料在低频和高频时的吸声系数 为此出现了主动吸声的概念但是主动消声与主动吸声是两个不同的噪声控制方法主动消声的控制目标一般是使局部区域声能量减小从而达到消声降噪的目的但是该方法脱离噪声源主体难免使声源中一些需要的部分被抑制而有别于主动消声的主动吸声方法是从噪声传播途径上和受声体进行控制它的控制目标是使入射声波的反射系数很小或接近于零形成黑洞现象使得吸声系数达到最大从而达到吸声降噪的目的 主动吸声在汽车飞机潜艇等方面有较大的需求例如在近代海战中潜艇的战术技术性能越来越取决于隐形技术的水平各国海军都已投入了大量的人力物力来研究潜艇的隐蔽性问题提高潜艇的隐蔽性必须从安静化和隐形化两方面着手消声瓦作为潜艇最外面的一层屏障它能吸收声纳波减少敌主动声纳的作用距离从而提高潜艇声隐形能力消声瓦或消声涂层从以下两方面减少潜艇的特征信号减少潜艇向海洋辐射的自噪声量级和减少潜艇反射声纳波的能量德国在二次大战后期便在潜艇上敷设了一层谐振式吸声橡胶这是最早的消声瓦在 60 年代初期前苏联英国就开始研究使用包敷消声材料的方法来防止主动声纳的探测相继出现了各种消/fhz a 2r r bf af rf 图 1.1 单层吸声材料吸声频率特性曲线 3 声瓦或消声涂层目前安装在潜艇上的消声瓦是一种被动吸声材料由图 1.1 可知被动吸声材料在低频和高频时的吸声性能有一定的局限性也就是说不论对方潜艇声纳发射的声波频率是多少总有一部分声波会经过消声瓦反射回去虽然这种反射回去的声波的信号有时很微弱但是对潜艇的隐蔽性还是有一定的影响如何使消声瓦的隐蔽性最好也就是说如何使潜艇消声瓦尽可能的不反射声波这就涉及到主动吸声的研究因此从潜艇的安静化和隐形化来看主动吸声的研究是一件迫在眉睫的课题 1.2 主动吸声主动吸声主动吸声主动吸声国内外的研究现状国内外的研究现状国内外的研究现状国内外的研究现状 1.2.1 噪声主动控制噪声主动控制噪声主动控制噪声主动控制的发展历程的发展历程的发展历程的发展历程 有源消声active noise control简称 anc也称有源降噪有源噪声控制有源声衰减噪声主动控制主动噪声控制英文名称也很多但目前学术界用的最多的是有源消声有源消声就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理通过抵消声源次级声源产生与被抵消声源初级声源声压大小相等相位相反的声波辐射相互抵消从而达到降低噪声的目的2噪声有源控制的理论基础是声波的杨氏干涉理论即由声场的线性叠加原理可知当频率相同相位差恒定的两列声波相遇时在空间产生干涉现象干涉的结果究竟使声波能量增加还是减少取决于两列声波的相位和幅值关系3其原理如图 1.2 所示由图 1.2 可以看出当初级声源和次级声源振幅相等相位相反时对于初级声源而言就可以在一定的区域内达到消声的效果 有源消声的概念是由德国人 pual lueg 提出的1934 年申请了专利1936 年撰文阐明其基本原理46以管道声场为例其基本原理如图 1.3 所示 该结构是通过在管道上游采用前置麦克风拾取噪声信号经电信号处理后馈送给管道下游的次级声源扬声器调节次级声源的输出使其与上游原噪声信号的幅值相等相位相反而达到噪声抵消的目的由于没有考虑声反馈次级声通道等制约因素直接按照其设想设计出来的系统无法正常工作但作为最早的前馈有源消声系统pual lueg 的方法为有源消声技术的蓬勃发展奠定了理论基础 4 电信号处理 噪声 静区 上游 下游 声传播延时 麦克风 扬声器 图 1.3 pual lueg 的前馈有源消声系统原理图 a 初级声源为正弦波的杨氏干涉原理 初级声源 次级声源 消声结果 b 初级声源为复杂波的杨氏干涉原理 消声结果 初级声源 次级声源 180度反相 图 1.2 基于杨氏干涉理论的有源消声原理图 180度反相 5 有源消声的最初想法被提出后直到上个世纪 50 年代才引起人们的重视1953年美国 rca 公司的 harry olson 和 everet may 研究了在室内管道内耳机及耳塞内进行噪声主动抵消的可行性7olson 还将声反馈过程同控制系统中的反馈过程有机结合起来提出了一种与 pual lueg 控制思想完全不同的反馈控制结构其基本原理如图 1.4 所示 在该结构中忽略了参考输入的作用而是将误差麦克风信号通过具有特定幅值和相位传递特性的放大器处理后直接驱动次级声源发声因此避免了声反馈现象的发生但它只能降低可预测的噪声分量由于受到从次级声源到误差传感器之间的时延大小限制时延越大所能降低的噪声频带越窄因此很难用于宽带降噪而且控制器的阶数相对较高系统的稳定性也较差基于此系统他们研制出了被称为电子吸声器的试验装置810但由于该装置的消声区域较小消声频带较窄影响了其在实际场合中的应用 虽然由于当时的技术局限pual lueg 的前馈系统和 olson 的反馈系统都没有在实际中得到直接应用但他们提出的两大类系统在有源消声的历史上具有里程碑的作用以后有关有源消声系统的研究几乎都是基于这两类系统进行的1956 年美国通用电气公司ge的 william conover 将有源消声技术应用于大型变压器噪声控制使有源消声技术在实际噪声控制场合得到了应用11 三维空间有源消声的声学理论基础是基于惠更斯huygens原理上的krichhoff-helmholz 定理它的特点在封闭曲面上连续布放次级声源这在实际应用中放大及信号处理电路 扬声器 麦克风 噪声源 图 1.4 olson 的反馈消声系统原理图 6 是不可能的70 年代后期法国的 jesselmangiante 和 canevet 等人从 huygens 原理出发推导了自由场三维空间的 jmc 有源消声算法并将其应用于大型变压器环境噪声的全空间降噪上1214该理论指出任意一个声源的噪声辐射均可以用一个闭合曲面上连续分布的次级声源予以控制闭合曲面可以包围声源也可以将其排除在外也就是说它既可以控制曲面外的无限空间声场也可以控制曲面内的有限区域 1.2.2 噪声主动控制噪声主动控制噪声主动控制噪声主动控制目前的研究现状目前的研究现状目前的研究现状目前的研究现状 基于图 1.3 和图 1.4 的有源消声的研究取得了较多的成果但是用结构声辐射来消除声波的能量而达到降低噪声的目的是目前有源消声研究的热点1537它的基本原理如图 1.5 所示 图1.5中三维闭合空间是由一面铝板和五面丙烯酸材料组成的, 铝板四周由夹钳固定, 在铝板的对角线位置上粘贴了一片压电陶瓷(pzt ) 和一片压电薄膜(pvdf)压电陶瓷是作为作动器来驱动铝板的振动, 而压电薄膜则用做传感器来检测铝板的振动在三维空间的上方有一个扬声器, 它是作为噪声源信号存在的当扬声器发出信号时, 激励铝板振动,铝板的振动引起噪声辐射传入闭合空间内部, 在铝板中央的传感器也用来检测铝板的振动,它的信号经电荷放大器后进入分析仪, 主要是用来比较控制前后铝板的振动情况当声波入射到铝板上时布置于铝板上的压电薄膜传感器检测出声波的信号传感器将检测得到的信号传输到电荷放大器功率放大器发出控制信号到作图 1.5 利用结构声辐射主动消声示意图 7 动器假定铝板结构为弹性板当弹性板上没有次级力源作用时铝板上方空间中的声场声压包括三个部分入射声压板表面产生的几何反射声压和有界弹性板的结构振动声辐射声压当次级力源作用时弹性板产生辐射声压这样铝板上方空间中总的声压包括入射声压弹性板几何反射声压有界弹性板的结构振动声辐射声压和弹性板受次级力源作用时产生的辐射声压同理当弹性板上没有次级力源作用时铝板上方空间中的质点振速包括三个部分入射质点振动速度弹性板产生的几何反射质点振动速度和有界弹性板的声辐射质点振动速度当次级力源作用时弹性板产生辐射质点振动速度这样铝板上方空间总的声速包括入射质点振动速度弹性板产生的几何反射质点振动速度有界弹性板的声辐射质点振动速度和弹性板受次级力源作用时产生的辐射质点振动速度因此当有次级力源作用时弹性板上方空间的声功率为铝板上方空间中总的声压与总的质点振速之间的乘积要达到主动消声的目的就是要使弹性板上方空间的声功率最小 90 年代初期borgiotti38与 photiadis39,cunfare4041与 ellitto42等学者提出了声辐射模态的概念所谓声辐射模态及其辐射效率类似于振动问题中的振动模态和固有频率声辐射模态对应的是结构的速度分布而振动模态对应的是位移分布声辐射模态也就是矢量空间中一组相互正交的基每组基代表一种可能的声辐射形式每一阶声辐射模态对应一个独立的辐射效率用声辐射模态研究外部声辐射问题的优点在于消除了结构模态中复杂的耦合项使得计算和控制声辐射变得简单同时通过声辐射模态理论可以得知结构的声辐射功率可以表示为结构表面速度分布的一个正定厄米特二次型不同的速度分布其对应的声辐射功率与声辐射效率是不同的因此可以通过对结构的模态进行抑制modal control和重构modal rearrangment来控制结构的声辐射由此达到声辐射的主动控制在此基础上产生了两种主动控制策略一种是采用作动器如聚偏二氟乙烯 pvdfpolynylidene fluoride polymer压电材料piezoelectric进行的智能控制另一种是采用次极激励源的主动控制通过次极激励源来控制结构的速度分布从而达到控制结构的声辐射cunefare 等的研究表明4041结构的声辐射模态与结构的边界条件和结构的材料特性无关只与结构的振动 8 频率和形状有关sarkissian29详细地论述了奇异值分解与声辐射模态之间的关系t.w.wu30则利用此思想他在文献中将声辐射模态称为基函数basic function并将其作为表面速度滤波器surface velocity filter通过控制声辐射效率高的模态而采用声辐射效率低的速度分布来合成结构的振动形式由此到达控制结构的声辐射功率同时 t.w.wu 还将该思想应用于板壳结构的主动控制中 对主动控制的材料进行了位置优化使平板振动从而达到主动消声的目的但是这种方法在实际应用时存在许多困难如当控制一个实际板振动辐射的噪声时需要大量的次级声源特别是在控制高阶噪声时更明显另一方面则由于次级声源的存在会产生附加的其他噪声造成控制溢出现象这些对分布式噪声源的确定以及多通道宽带域的控制控制空间的扩大等提出了很高的要求对于这样的主动控制结构传感控制执行单元均作为结构的外部附属部分势必造成整体结构系统的庞大附加质量大成本高运行不经济而且传感执行部分附加在原结构上后改变了原结构的声学特性目前应用于实际问题的例子主要是用在一维问题上或谐波的主动噪声控制上如空调管道主动护耳器技术和螺旋桨飞机机舱内谐波等但是要实现真正意义上的主动消声其必须能实现三维空间噪声的控制但是由于三维空间问题的复杂性采用全空间控制策略会遇到一些根本性的限制己进行的空间主动控制的研究和实验工作的结果并不理想取得的效果非常有限该技术的另一控制策略是采用易于实现的局域控制的方法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)进行主动控制局域空间 anc 技术研究目前己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)低频段宽频的信号进行快速有效自适应的处理问题)需要寻找新的解决方法以求新的进展对于一个很简单的振动体例如简支薄板即使在单频激励下振动其结构模态与声辐射之间也不互相独立在低频情况下即使把最重要的几阶振动模态降低后其总的声辐射功率并不会明显降低这主要是结构间的声振耦合很强 这给声辐射的控制和计算带来了很大的困难 该控制方法在目前已经处于 静寂区和瓶颈区很难在短期内有所突破因此主动吸声的思想就引起了人们的 9 注意主动吸声在汽车飞机潜艇等方面能得到很广泛的应用 1.2.3 主动吸声国内外研究现状主动吸声国内外研究现状主动吸声国内外研究现状主动吸声国内外研究现状 前面已经提及主动消声就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理通过抵消声源次级声源产生与被抵消声源初级声源的声波大小相等相位相反的声波辐射相互抵消从而达到降低噪声的目的它的控制目标一般是使局部区域声能量减小从而达到消声降噪的目的但是该方法脱离噪声源主体难免使声源中一些需要的部分被抑制而有别于主动消声的主动吸声方法是从噪声传播途径上和受声体进行控制它的控制目标是使入射声波的反射系数很小或接近于零形成黑洞现象使得吸声系数达到最大从而达到吸声降噪的目的 根据所检索的参考文献可知主动吸声在国内的研究目前尚是空白国外学者d.guickingc.r.fuller d.thenail 等人在 20 世纪 80 年代末90 年代初对主动吸声进行了研究4352提出了图 1.6 所示的主动吸声方法在图 1.6 中用一个扬声器作为初级声源发出声波在初级声源扬声器的前方布置另外一个扬声器作为次级扬声器次级扬声器前方布置振动加速度传感器与麦克风振动加速度传感器与麦克风连接到声阻抗率控制器使得次级扬声器表面的辐射阻抗与空气的阻抗相等入射声波不反射形成黑洞现象从而达到主动吸声的目的但是该主动吸声方法对低频的吸声效果很好而在高频时的吸声效果就很差 f.orduna bustamante和p.a.nelson 53 提出了和图1.6有所不同的主动吸声系统如图 1.7 所示图 1.7 中在次级扬声器前方布置两个麦克风传感器利用传递函数方法检测出入射声波的声压与频率两个麦克风连接到声阻抗率控制器使得次级扬声器表面的辐射阻抗与空气的阻抗相等达到主动吸声的目的同样该主动吸声方法对低频的吸声效果很好而在高频时的吸声效果就很差 10 hansen, c.h.kuo, s.m.等人根据图 1.7 提出了自适应原理与控制算法5457如声阻抗控制器 初级扬声器 麦克风 1( )s k2( )s k ( )v k( )p k图 1.6 d.guicking 等人的主动吸声原理图 次级扬声器 振动加速度传感器 z 图 1.7 f.orduna bustamante 和 p.a.nelson的主动吸声原理图 初级扬声器 两个麦克风 1( )s k2( )s k 1( )p k2( )p k 次级扬声器 声阻抗控制器 11 图 1.8 所示 图 1.8 中11122122( )( )( )( )gzgzgzgz为初级源的扬声器与次级扬声器的传递函数矩阵12( )hz为两个麦克风之间的传递函数( )h z为控制滤波器的传递函数 h.zhu, r.rajamani, k.a.stelson 等人在图 1.7 主动吸声原理的基础上提出了另外一种主动吸声方法5861将图 1.7 中的次级扬声器用自制的平板扬声器代替主动吸声原理如图 1.9 所示 1( )s k 2( )s k 12( )hz( )h z11( )gz 12( )gz 21( )gz 22( )gz 1( )p k 2( )p k图 1.8 基于图 1.7 的控制原理图 图 1.9 h.zhu 等人的主动吸声原理图 12 图 1.9 中作为次级源的作动器的外形如图 1.10 所示通过线圈加电流使磁铁产生电磁场电极产生上下振动从而引起平板的振动调节线圈上的电流大小使得平板振动的声辐射阻抗与空气的声阻抗率相匹配达到主动吸声的目的该主动吸声系统的缺点是附加质量增大同时对高频入射声波的控制较难实现 jaehwan kim 和 joong-kuen lee 提出了另外一种主动吸声方法62该主动吸声方法原理如图 1.11 所示 在图 1.11 的主动吸声原理图中 当中高频声波入射时 依靠吸声材料进行被动吸声而当低频声波入射时吸声材料弯曲变形引起压电材料片的压电 并联电路 入射声波 反射声波 透射声波 吸声材料 压电材料片 图 1.11 jaehwan kim 等人的主动吸声方法原理图 图 1.10 作为次级源的作动器的外形图 13 效应压电材料片表面形成电荷该电荷通过并联电路被消耗使得入射声波的声能转化为电能反射系数减小吸声系数提高从而达到主动吸声的目的该主动吸声系统的等效声电类比图如图 1.12 所示但是该主动吸声系统也存在不足不足之处是一般声波的声压并不很大并不一定能使吸声材料弯曲振动如果吸声材料不弯曲振动那么该主动吸声系统在低频时的吸声效果就很差 除了上面所提及的主动吸声方法外国外还有许多文献提到了主动吸声方法的研究但是实际上仍然是基于图 1.5 的思想利用结构声辐射进行主动消声而前面已经说明主动消声与主动吸声是两个完全不同的噪声控制方法上面提及的主动吸声方法都存在着自身难以克服的缺点并不能运用到实际中去造福于社会本文正是基于此提出了主动吸声降噪理论与方法的研究使主动吸声能早日应用到实际中去 1.3 课题来源与论文的主要研究内容课题来源与论文的主要研究内容课题来源与论文的主要研究内容课题来源与论文的主要研究内容 本论文来源于与中国船舶重工集团第七零一研究所合作项目主动声控制型消声瓦技术研究的课题主要围绕着多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算具有气流的穿孔板主动吸声基于声阻抗的主动吸声基于压电材料的主动吸声基于压电材料的主动吸声与主动隔声等若干理论与方法展开研究先后就多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法具有气流的主动吸声原理与方法基于声阻抗的主动吸声方法基于压电材料的主动吸声理论与控制以及基于压电材料的主动吸声与主动隔声等问题图 1.12 等效声电类比图 14 做了较为深入的分析与研究力图有所进展和突破本文在以下正文除了引用别人的研究成果加了标注其他的内容全是本文的研究成果 论文的结构安排及各章讨论的要点如下 第一章 绪论回顾国内外广大科技工作者多年来研究吸声的历程和吸声的研究现状分析其研究过程中的不足确定本文研究的内容和结构安排 第二章 多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算根据分层介质表面阻抗连续的条件用声电类比的方法递推出多层均匀吸声材料表面的声阻抗率从而理论计算出多层均匀吸声材料的吸声系数 第三章 具有气流的穿孔板主动吸声原理与方法在穿孔板共振条件下通过一定气流进行主动吸声 第四章 基于声阻抗的主动吸声方法研究提出了基于声阻抗的两种主动吸声方法第一种方法移动刚性壁进行主动吸声根据入射声波的频率调节吸声材料背后刚性壁的位置使吸声材料表面的声阻抗率与空气的声阻抗率相匹配达到主动吸声的目的同时提出了另外一种基于声阻抗的主动吸声方法该吸声方法由一层吸声材料和吸声材料背后的扬声器组成调节吸声材料背后扬声器的辐射阻抗使得吸声材料的表面声阻抗率和空气的声阻抗率相匹配从而达到主动吸声的目的 第五章 基于压电材料的主动吸声理论与控制研究用压电材料作为主动吸声的主体材料利用压电材料的压电性能在压电材料上加电压使得反射声波为零从而达到主动吸声的效果 第六章 基于压电材料的主动吸声与主动隔声研究用两片压电材料进行主动吸声与主动隔声在两片压电材料上分别加电压使得反射声波与透射声波为零从而达到主动吸声与主动隔声的目的 第七章全文总结对全文主要观点结论做出总结讨论与思考 15 2 多层多层多层多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算均匀吸声材料吸声系数的理论计算均匀吸声材料吸声系数的理论计算均匀吸声材料吸声系数的理论计算 本章提要本章提要本章提要本章提要本章提出了多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法对于由多孔吸声材料组成的或由多孔吸声材料与空腔组成的或由穿孔板和多孔吸声材料以及空腔组成的多层均匀吸声材料的吸声系数可以用声电类比与递推方法进行理论计算最后对不同组合方式的多层均匀吸声材料的吸声系数进行了理论计算理论计算结果表明用声电类比与递推方法计算多层均匀吸声材料的吸声系数是可行的 2.1 引引引引言言言言 吸声材料分为单层吸声材料和多层吸声材料前面绪论已经说明了单层吸声材料的吸声频谱特性多层吸声材料的吸声频谱特性是否和单层吸声材料的吸声频谱特性一样呢为此本章提出了多层吸声材料吸声系数的理论计算方法 由于多层吸声材料能吸收宽带声波因而多层吸声材料吸声在我们日常生活中比较常见例如水下吸声结构汽车的内部结构等等对于这些多层吸声材料可取多层均匀平面结构作为简化模型6364但是这种方法计算比较繁琐而且计算结果的准确性不高同时如果多层均匀吸声材料中包含穿孔板那么上述方法理论计算多层均匀吸声材料的吸声系数就无能为力了beranek 和 ver65提出了穿孔板声阻抗率的精确表达公式该表达式中说明了穿孔板的厚度孔径孔间距开孔率对声阻抗率的影响delany 和 bazley66提出了多孔吸声材料的复波数和特征阻抗可以用流阻率波数空气密度和声波频率来表示qunli67用大量的实验数据证明了多孔吸声材料关于波数和特征阻抗表述的正确性davern68做了一个包含穿孔板多层吸声材料和空腔的三层吸声材料的实验但是对于包含穿孔板的不同组合的多层吸声材料的吸声系数的理论求解目前还是一个空白为此本章针对不同组合方式的多层均匀吸声材料提出了用声电类比与递推方法理论计算多层均匀吸声材料吸声系数的方法并对不同组合方式的多层均匀吸声材料的吸声系数进行了理论计算理论计算结果表明用声电类比与递推方法计算多层均匀吸声材料的吸声系数是可行的 16 2.2 不不不不含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法 不含穿孔板的多层均匀吸声材料的布置如图 2.1 所示 图 2.1 中第 i 层与第 i+1 层之间表面声压与法向质点振速分别表示为 pi+1vi+1第 i 层材料的厚度为 di最后一层为钢板钢板背面与空气接触 第 1 层吸声材料与第 2 层吸声材料之间的声压与法向质点振速关系表示如下4 111111111111222111111122212211cos jsin sin cosk k dck dpaappjk ddvvvaac= (2.1) 其中11,vp为第 1 层吸声材料与空气接触表面声压与法向质点振速22,vp为第 1 层吸声材料与第 2 层吸声材料接触表面声压与法向质点振速1d 为第 1 层吸声材料厚度1c为 1 层吸声材料的声传播速度1111112eecj=+?1e 为第 1 层吸声材料的弹性模量1为第 1 层吸声材料的密度1为第 1 层吸声材料的结构耗损因子1k 为第p1 v1 空气 p2 v2 n pn vn pn+1 vn+1 空气 钢板 dn d1 d2 d3 d 图 2.1 多层均匀吸声材料布置图 p3 v3 17 1 层吸声材料传播的波数1111112kjce=由附录 2 可以得到公式(2.1)中有关参数的一些性质 同理第 i 层吸声材料与第 i+1 层吸声材料之间的声压与法向振速关系可以表示如下 =+1122211211 iiiiiiiivpaaaavp (2.2) 因此第 1 层吸声材料与第 n 层钢板层的声压与法向振速关系为 =+112221121111222112112221121122222121221112212111211111 b nnnnnnnniiiivpbbbvpaaaaaaaaaaaaaaaavp? (2.3) 其中 pn+1vn+1为第 n 层吸声材料背面与空气接触表面的声压与法向振速由于第 n层吸声材料为钢板且背面为空气此时近似为01=+np因此由公式(2.3)得 ()()()1120 0112212122,snnpbzcfd ddjfd ddvb=+? (2.4) sz 表示第 1 层吸声材料的表面声阻抗率率()ndddf?211,(),212,ndddf?为实函数分别表示第 1 层吸声材料的相对声阻率0 0re()szc与相对声抗率e0 0im ()szc0 0c为空气的声阻抗率由公式(2.4)可得到多层均匀吸声材料的吸声系数为 ()11222124,(1)nfd ddff=+? (2.5) 2.3 含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法含穿孔板的多层均匀吸声材料吸声系数的理论计算方法 2.3.1 穿孔板穿孔板穿孔板穿孔板空腔空腔空腔空腔多孔吸声材料的多孔吸声材料的多孔吸声材料的多孔吸声材料的声阻抗率声阻抗率声阻抗率声阻抗率 假设多层均匀吸声材料中第n层穿孔板为圆形开孔正方形分布的穿孔板则其声阻抗率为 69 18 0022388(1)(1)220.85 (2)()()1 1.470.47pnpnnppnnnnnnnnnnnnnnnnnttzjtaaaba =+= + (2.6) 其中0为空气的密度为空气运动粘滞系数室温下521.5 10/ms=为声波的角频率pnt为穿孔板的厚度na 为穿孔板的孔半径nb 为穿孔板的孔间距n为穿孔板的开孔率n为粘性边界层的厚度 多层均匀吸声材料中第n层均匀且各向同性的多孔吸声材料的声传播常数和声阻抗率的经验公式为1 0.5950.70001010.7540.732000 00110.189()10.0978()10.057()0.087()annnanannffkjcrcrffzcjcrr=+=+ (2.7) 那么第n层均多孔吸声材料的声阻抗率为 coth()ananan anzzk t= (2.8) 其中0为空气的密度0c 为空气声速f 为声波的频率ant 为第n层多孔吸声材料的厚度1nr 为第n层多孔吸声材料单位厚度单位面积的流阻流阻率 多层均匀吸声材料中第n层空腔的声传播常数和声阻抗率的公式为 0 0cnccnkjkzc= (2.9) 如果第n层空腔的背面是刚性壁则空腔的声阻抗率为 0 0cot()cnc cnzjck