噪声控制学学习报告.doc

噪噪声声控控制制学学读读书书报报告告 姓名 杨小高 学号 2008203172 专业 车辆工程 学院 机电工程 学校 昆明理工大学 2009 年 12 月 21 日 1 目目 录录 引言引言 2 一一 声学的发展概述声学的发展概述 2 二二 声学理论基础概述声学理论基础概述 3 1 概念 3 2 声波 3 3 平面波的基本性质 4 4 声场的能量关系 5 三三 噪声控制噪声控制 5 1 噪声控制的意义 5 2 噪声控制的方法 6 3 有源噪声控制的发展 6 4 实验室在低频噪声控制方面的发展 7 四 有源噪声控制的进展情况四 有源噪声控制的进展情况 8 主动噪声控制发展出现的问题及处理策略 8 1 ANC 系统存在的声学问题及技术策略 8 2 主动降噪系统中存在的控制问题及技术策略 9 参考文献参考文献 10 2 噪声控制学读书报告噪声控制学读书报告 昆明理工大学 机电工程学院 杨小高 学号 2008203172 引言引言 本人研究生阶段主要研究方向为噪声治理与控制 在读研一年多的时间里 我阅读了许 多关于声学与噪声治理方面的书籍和资料 以做好低频噪声的主动控制 为达到 声学理论 与工程应用 学习的要求 现将本书知识结合一维多频谐声的主动噪声控制谈谈学习情况和 知识的应用 本报告介绍声学的基本理论和主动噪声控制的发展情况 将声学理论知识及噪声控制策 略应用于工程实际中 在李功宇教授的指导下结合前期的一维管道消声简单分析在抽油机的 主动噪声控制的应用 一一 声学的发展概述声学的发展概述 声学是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的一个分支学科 因而它既古老而又颇 具年轻活力 声学是物理学中很早就得到发展的学科 声音是自然界中非常普遍 直观的现 象 它很早就被人们所认识 无论是中国还是古代希腊 对声音 特别是在音律方面都有相 当的研究 我国在 3400 多年以前的商代对乐器的制造和乐律学就已有丰富的知识 以后在 声音的产生 传播 乐器制造 乐律学以及建筑和生产技术中声学效应的应用等方面 都有 许多丰富的经验总结和卓越的发现和发明 国外对声的研究亦开始得很早 早在公元前 1 500 年 毕达哥拉斯就研究了音阶与和声问题 而对声学的系统研究则始于 17 世纪初伽利 略对单摆周期和物体振动的研究 17 世纪牛顿力学形成 把声学现象和机械运动统一起来 促进了声学的发展 声学的基本理论早在 19 世纪中叶就已相当完善 当时许多优秀的数学 家 物理学家都对它作出过卓越的贡献 1877 年英国物理学家瑞利 Lord John William Rayleigh 1842 1919 发表巨著 声学原理 集其大成 使声学成为物理学中一门严谨的 相对独立的分支学科 并由此拉开了现代声学的序幕 2 声学又是当前物理学中最活跃的学科之一 声学日益密切地同声多种领域的现代科学技 术紧密联系 形成众多的相对独立的分支学科 从最早形成的建筑声学 电声学直到目前仍 在 定型 的 分子 量子声学 等离子体声学 和 地声学 等等 目前已超过 20 个 并且还 有新的分支在不断产生 其中不仅涉及包括生命科学在内的几乎所有主要的基础自然科学 还在相当程度上涉及若干人文科学 这种广泛性在物理学的其它学科中 甚至在整个自然科 3 学中也是不多见的 二二 声学理论基础概述声学理论基础概述 1 概念概念 声学是研究媒质中机械波的产生 传播 接收和效应的物理学分支学科 声或声音原始 是指人耳听觉所能观察的空气中传播的振动现象 频率在 20HZ 到 20KHZ 以上 现代已使 其范围大为扩大 不限于可听声 频率可在 20HZ 以下 次声 或固体 固体声 结构声 只要求其性质 即介质中传播的振动的特点是物质波 声音的传播需要煤质 媒质包括各种 状态的物质 可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质 机械波是指质点运动变化的传播现象 就 声学 该词的本义 系指任何与听觉有关的事物 但依通常所用 其一系指物理 学中关于声音的属性 产生和传播的分支学科 其二系指建筑物适合清晰地听讲话 听音乐 的质量 3 2 声波声波 声波是物质波 是在弹性介质 气体 液体和固体 中传播的压力 应力 质点运动 等的一种或多种变化 声也是这种变化所引起人的声觉 我们通常所讨论的声波都是指空气 中的声波 空气由大量的分子组成 且分子数量非常庞大 又因为分子很小 而且分子以很大的 速度做随机运动 在运动中互相碰撞 所以运动分子的轨迹很难捕捉到 我们可以把空气分 子看成质点 如果我们再将整个气体看成连续流体 和水一样 忽略分子间的空当 质点就 是连续流体中的一个点 静止 在受力时可以移动 声波就是质点运动的传播 1 一维声波一维声波 一维声波就是质点振动和声波传播在同一方向上 取为 x 方向 在与其垂直的方向 y 方向和 z 方向 质点运动相同 这就是平面波 声波的基础是流体动力方程 a 连续性方程 0 xt b 运动方程 0 x p x u u t u c 物态方程 4 0 0 P p d 波动方程 0 1 2 2 2 0 2 2 t p cx p 2 三维声波三维声波 如果把一维理论推广到三维系统 我们仍采用直角坐标 只是增加 y 方向和 z 方向的 运动关系 我们再用向量表达 这样得到的三维波动方程结果会简单些 2222 2 2 2 1 c tt 3 平面波的基本性质平面波的基本性质 平面波形是声学中最简单的一种波形 可以通过它来认识声波的一些最基本的特性 我们假定声波仅沿着 x 方向传播 而在 yz 方向上所有质点的运动时均匀的 如质点的振 幅及位相均相同 平面声波在实际声学环境也是可能存在的 例如 一定条件下 声波 在管道中传播时会呈现平面波传播特性 讨论平面波声场 归结为求解一维声波方程 该方程是一个偏微分方程 它包括含 时间 t 和坐标 x 的两个自变量 一般可以用分离变量方法求解 所求的的解为 kx j kx j BeAep t x 我们已经知道声波的传播是以为速度向前行进的 声速是声波中的一个非常重要 0 c 的常数 对于理想气体常数 我们可以求得其声速为 PV 0 0 0 P c 我们已经获得平面声场中声压 p 与质点速度 的表达式 在声学工程应用中也喜欢采用 电工学或电传输线中的阻抗概念 如果把声压比作电压以及质点速度比作电流 那么 p 就 可以用一阻抗量来描述 我们定义 v p Z s 5 式中称为声阻抗率 声场中一般说声阻抗率可以是复数 与电阻抗类似 其实部分 s Z 反映能量损耗 4 声场的能量关系声场的能量关系 声音由物体 比如乐器 的振动而产生 通过空气传播到耳鼓 耳鼓也产生同率振动 声音的高低 pitch 取决于物体振动的速度 物体振动快就产生 高音 振动慢就产生 低 音 物体每秒钟的振动速率 叫做声音的 频率 声音的响度 loudness 取决于振动的 振幅 比如 用力地用琴弓拉一根小提琴弦时 这根弦就大距离地向左右两边摆动 由此产生强振动 发出一个响亮的声音 而轻轻地用琴 弓拉一根弦时 这根弦仅仅小距离左右摆动 产生的振动弱而发出一个轻柔的声音 4 声源发出的声音必须通过介质才能传播出去 按照固体 空气 水等传播介质的不同 声音可划分为结构声 空气声 水声等类型 声音的传播 transmission of sound 主要通过 空气 一条弦 一个鼓面或声带等的振动使附近的空气粒子产生同样的振动 这些粒子把振 动又传递到其他粒子 这样连续传递直到最初的能渐渐耗尽 压力向邻近空气传播的过程产 生我们所说的声波 sound waves 声波与水运动产生的水波不同 声波没有朝前的运动 只是空气粒子振动并产生松紧交替的压力 依次传递到人或动物的耳鼓产生相同的影响 也 就是振动 引起我们主观的 声音 效果 很多声学书籍都是从研究声学基本方程 流体的三个基本方程 一维声波方程 三维声 波方程 入手 进而深入到平面波 声波传播 散射 衍射 声阻抗等 声场的能量 声 辐射 声波在管道中的传播等内容 某些书籍还阐述了驻波 吸声材料 室内声场等内容 噪声控制是所有声学理论方面书籍必谈到的内容之一 它也是现代声学研究的主要内容 以 下本人将对书中所谈噪声控制这一专题进行重点阐述 三三 噪声控制噪声控制 1 噪声控制的意义 噪声控制的意义 噪声的成在对人的身心健康构成极大的威胁 人们正常生活的声学环境为 6 0 d b 左 右 高噪声环境中工作 会出现胸闷 恶心 耳鸣 脱发 神经错乱等症状 对身心造成了 严重的影响 现代社会期待有一个安静舒适的生活和工作环境已绝非奢侈的苛求 随着社会 的进步 噪声的治理也日益引起了各国的重视 许多国家都已制定了有关噪声的标准 噪声 治理的研究工作也已引起了各国政府和学术界的重视 6 2 噪声控制的方法 噪声控制的方法 人类对噪声的治理已有多年的历史 总结起来 治理的方法有两种 一种是从传声路径 着手 即采用吸声材料或隔声构件的声学处理方法 称为被动降噪 无源降噪 无源消声 等 无源降噪由于易于实现研究工作开展较早 目前理论已经成熟 工程上已有许多成功运 用实例 另一种是从声源着手 在分析清楚其频谱结构的基础上 制造一个与之幅值相等 相位相反的次级声源 使两者相互作用而抵消 这种方法称为主动降噪 有源降噪 有源消 声等 有源降噪则是一门新兴的高技术 目前的研究正方兴未艾 有源降噪是信号对消 信 号提纯技术在声学领域的扩展 由于其独特的思想和跨学科特性 近年来引起了广泛的注意 理 论和实践都已证明 对于高频噪声 无源降噪都是行之有效的 而对于低频噪声 500 HZ 以 下 由于无源消声采用的材料的声衰减的性能随频率降低而变差 要取得低频的降噪效果 势必要增加材料的质量或厚度 从而使治理复杂化 有时甚至难以实现 已经证明 有源消 声在低频领城是可以实现的因此综合的噪声治理应从主动和被动两方面同时人手 3 有源噪声控制的发展 有源噪声控制的发展 有源消声的发展已有六十年的历史 它的发展大致经历了三个阶段 第一阶段从 1934 年美国人 P Ieug 提出有源消声概念并申请专利算起 50 年代 01son 等 人作出了一个 电子吸声器 的实脸装里 而后又有人尝试变压器的降噪 这些标志着有源 消声概念引起了人们重视并试图运用于实际 第二阶段大致从六十年代至八十年代中期 这期间人们主要致力于一维管道有源消声 集中于解决管道声反馈问题 最终使管道有源消声器成功并投放市场 由于高速数学信号处理芯片的出现 以及信号处理技术如自适应滤波技术的发展 有源 消声进人目前的以自适应 三维空间有源消声为标志的第三阶段 三 维 有 源 消 声的实现 一直是噪声控制人员多年的梦想 但至今仍没有理想实用的有源消声产品 英国 Southampton 大学 P No is on 等人在机舱有源降噪方面取得一定成果 然而其控制系统庞 大 系统跟踪性差 难以形成产品 据悉 国外在汽车消音 消声耳罩方面取得进展 但也 未见廉价的产品 国内中科院声学所 南京大学 西北工大已在有源消声方面取得一定的成 果 声学所在实验室已取得局部消声的成果 继续向复杂的封闭现场推广 还有很长的路要 走 目前三维有源消声的研究仍处于理论探索和实验阶段 六十年来 有源消声技术的发展已 经历及其艰难而缓慢的过程 然而 正如马大猷教授所言 噪 声控制技术在未来也不能 期望有任何突破性的进展 7 4 实验室在低频噪声控制方面的发展实验室在低频噪声控制方面的发展 昆明理工大学振动与噪声实验室在李功宇教授的指导下也做了大量的有源消声的工作 如 管道主动消声 ANC 系统设计与研究 设计了如图所示的试验装置现场 该试验设计了一个前馈控制系统 进行了消声试验 试验中以 DSP F28335 开发板为主 控制系统 并用虚拟仪器 LabVIEW 进行实时监测 仿真以实际物理对象建模设计 并 在 MATLAB 中完成了 FIRLMS 自适应算法 系统的物理模型为 根据 LabVIEW 现场监测 如下图为 190Hz 噪声时 的有效值显示 190Hz 的噪声所测 到的电压有效值为 1 7211V 稳定收敛时 error 的有效值为 0 2334V 8 从试验结果来看 管道单频消声效果明显 四 有源噪声控制的进展情况四 有源噪声控制的进展情况 本人在李功宇教授的指导下 主要从事一维多谐频抽油烟机的主动噪声控制 抽油烟机 运转产生的声音是厨房 的主要噪声源 为 让人们于厨房抽油烟机前烹饪时有宁静的工作 空间 且抽油烟机所在的厨房空间比管 等密闭空间 为开阔复杂 消除噪音的困难 更高 主动噪声控制发展出现的问题主动噪声控制发展出现的问题及处理策略及处理策略 纵观ANC发展过程 可以说八十年代前早期的努力不算是成功的 追溯失败的原因可概括 如下 1 缺乏对具体声源特性的深刻理解 未能将实际声源问题融入ANC系统设计之中 2 缺乏从声学和控制学的综合角度 系统地认识和理解ANc技术中存在的疑难问题 正是以上两个因素 以往人们对ANC技术研究倾向于优先开展复杂控制器或复杂控制系统 配置的研究 试图以此来克服或解决ANC技术中存在的问题 其结果总将导致 对ANC统 内电子控制部件或声学部件技术性能要求过高 造成系统中控制器负担过重 从而决定了目 前的传统ANC思想设计的主动降噪系统难以实现令人满意的降噪效果 用系统观点分析ANC技术 可发现影响系统降噪性能的主要因素有 声源特性 传声介质 声学特性 声学和电子学元部件技术性能及物理控制系统的空间布置 下面就将从声学和控 制学角度考查ANC技术面临的问题 1 ANC 系统存在的声学问题系统存在的声学问题及技术策略及技术策略 经典 ANC 理论是将实际声源视为紧凑的 时不变和单频调的理想声源 然而实际声源 都是具有一定频带宽度 时变频谱和空间分布的 这三个声源特性是具体实现 ANC 降噪不 可回避的问题 具体解决方式途径如下 实际声源宽频带问题 根据主动消声机理 要获得良好的消声状况 主动降噪系统应 对每个频率的声波都能产生一个声学 镜像 因此 对宽频带噪声进行主动降噪的控制系统 要求是 控制器应能生成与频率相关的连续传递函数 实际声源时变问题 由于声源的时变特性可导致时变的频谱成份 所以要求主动降噪 系统应具有跟踪这些变化的适应能力 故必须借用实时系统辩识方法来估算所需的控制函数 这种自适应能力是实际实现主动降噪所必需的 在这个领域的实践研究有着重要的开发潜力 9 声源空间分布同题 目前对声源分布问题的解决理论途径是将实际声源看作由一些 紧凑的点声源封包生成的 因此要求用多个主动降噪子系统来实现分布声源的降噪 此时 要求认真分析各系统之间耦合作用 并进行解耦计算分析 进而对总的主降噪系统做优化 或简化 设计 次级源的声学反馈问题实际应用中发现 传统的以声消声机制下的主动降噪系统中次 级源 扬声器 对初级探测的声学反馈作用 会造成主动降噪系统失稳 从而削弱事实际消声 效果 并增加了控制系统的复杂程度 考虑到ANC系统的稳定性与系统几何布置密切相关 故在进行ANC系统设计时 分析声反馈对系统稳定性的影响是至关重要的 目前 解决声反 馈的途径概括有如下三条 a 采用初级传感器阵进行初级探测 b 改善 或改进 探测初级信号的方式 c 将反馈环节作为整个ANC系统的一部分加以控制 存在的其它声学问题影响主动降噪的因素还有 传感器 次级源及声场介质的声学特 性 这些实际因素将会增加ANC系统复杂程度 特别是控制执行元部件和传感器在低频段上 的非线性和大衰减特性 要求电子控制器应具有较大的控制增益值 这些要求往往在实践中 难以达到 因此 若想获得满意的消声效果 还应着手改进控制源和传声器的技术性能 2 主动降噪系统中存在的控制问题 主动降噪系统中存在的控制问题及技术策略及技术策略 从主动消声的声场抵消过程得知 ANC是通过如下三个主要过程实现消声的 测量 反向控制 声场迭加 由于测量和迭加过程比较简单 因此说反控制结构 FFCS 从大量 研究结果发现 一旦 物理 控制系统确定了 则ANC系统所达到的最大理论消声状况就在 理论上被确定了 有关物理控制系统的设计研究曾是传统主动消声理论的核心部分 但迄今 为止对于给定的单个或多个次级源和误差传感器的ANC系统 还未能在理论上确定出最优的 排列模式 随着先进的控制技术和固态电子技术的发展 人们对主动降噪的研究重心又转向