有源噪声控制与隔声罩组合应用的初步实验研究

图 1 某液压泵某工况实际噪声频谱 隔声罩内部尺寸为长 1800 mm 、宽 1180 mm 、高 1220 mm ，罩壁为 1.5 mm 厚的不锈 钢板（密度为 7800 kg / m ），内侧为 100 mm 厚离心玻璃面（面密度 32 Kg / m ）、无纺 布和 0.75 mm 厚不锈钢穿孔板（φ6，穿孔率 P ≥ 20%）组成的吸声材料；隔声罩的顶部安 宽 500 mm 的双层 5 mm 厚玻璃和 100 mm 厚空气层组成的隔声窗； 靠近 装 2 个长 600 mm ， （用直径为 250 mm 的圆孔作近似替代） ， 液压泵的壁面开了一个直径 250 mm 的阻性进风口 长度为 0.9 m 的 同时在隔声罩的侧面开通风口， 外侧附加 1 个消声界面尺寸为 0.5 m ×0.4 m ， ZK 型折板式消声器。各部分参数见表 1。 表1 频率(Hz) 内衬材料吸声系数 隔声窗的隔声量(dB) 消声器的消声量(dB) 125 0.32 22 7
120 110 100 90 80 70
← 加罩前声压级曲线
声压级(dB)
← 加罩后声压级曲线
60 50 40
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
频率(Hz)
-4-
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图 3 有源系统示意图
图 4 隔声罩测量的声压级曲线
在实际车间中，用数字录音机记录液压泵工作时不同频段噪声的声压级。这样，可以近 似地计算隔声罩外空间在安装隔声罩后的声压级，得到的数据列于表 3。
K
，8]
为 （6）
w j ,l (n + 1) = (1 − 2µα ) w j ,l (n) − 2µ ∑ f jk (n − 1 − l )ek (n)
k =1
-3-
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其中 f jk ( n − l ) =
M −1 m=0
∑C
jk , m
x(n − l − m) ， α 是泄露系数， µ 是收敛系数。
其中 S E 为隔声罩面积（9.40 m ）， SW 为隔声罩上窗面积（0.6 m ）， TLW 为窗隔声 量（见表 1）， S H 为进风口等效面积（0.049 m ）， SC 为消声器面积（0.2 m ）， TLC 为 消声器消声量（见表 1）。 考虑隔声罩的混响及吸声材料，得到隔声罩的插入损失[7]为
图 2 有源控制系统示意图
3．实验结果和讨论
液压泵的直径大约为 20 cm ，次级扬声器与液压泵的垂直距离大约为 10 cm ，其示意图 如图 3 所示。 用声压法测定噪声源的方法来测定加罩前后的声压级来评价隔声罩， 噪声源为 噪声功率源，测量仪器为 HP3569A，可以方便地得到各个频率上的声压级。图 4 给出了当 隔声罩存在和不存在两种情况下噪声的平均声压级（空间 24 点平均）。将两者相减，可以 得到实验测得的隔声罩的插入损失，参看表 2（下面过程中需要用到隔声罩的降噪量时，采 用的是实验测得的数据）。
1
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题 -1-
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效果，最后探讨了 ANC 与隔声罩结合使用时需要考虑的一些问题。
2．实验设计
2.1．隔声罩设计
液压泵在运行过程中的噪声严重影响着人们的工作环境。 从某液压试验站主液压系统某 个工况的噪声频谱图(见图 1)可以看到：噪声频谱以单个频率及其谐波为主，噪声的最大峰 值在 600Hz 左右。因而本文采用的办法是采用 ANC 和传统的无源降噪技术相结合的综合治 理措施：对 600Hz 左右的噪声分量采用有源噪声控制技术，对剩余的中高频噪声分量采用 隔声罩进行控制。
[7]
3 2
隔声罩参数[6] 500 1.08 29 18 1000 1.13 32 19.5 2000 1.10 42 24 （1） 4000 1.03 56 25
250 0.63 19 14
根据无规入射的质量定律 ，可以得到无限大障板上的传声损失公式
TL1 = 20 log10 (mf ) − 43 − 5
关键词：隔声罩、有源噪声控制、插入损失
1．引言
隔声罩——传统降噪设备， 主要利用材料的隔声、 吸声、 减振等手段， 阻碍声波的传播， 或让声波的能量耗散掉达到降噪的目的。 隔声罩对中高频噪声降低效果较佳， 但由于重量和 体积的限制对于低频噪声的降噪效果有时并不理想。 有源噪声控制（Active Noise Control，简称 ANC）是指利用附加次级声源产生和原有噪 声频率相同、振幅相近、相位相反的声波与原有噪声相互作用，达到降低空间噪声的目的。 早在 20 世纪 30 年代德国物理学家 Pual Lueg 就在 Young 式干涉原理的基础上提出了 ANC 的构想。ANC 对低频段有较好的效果，这样将 ANC 适当地应用在隔声罩中，就可能使隔声 罩的性能有较大的提高。目前，ANC 已成功地应用在柴油机排气口噪声[1]和汽车飞机等封 闭舱室内噪声[2,3]低频声的降低。目前比较成熟的是有源耳机和有源护耳器的应用[4]。 目前国内外并没有介绍关于 ANC 与隔声罩结合起来研究的资料，与此相关的研究较多 地集中在对声传入的有源控制和声屏障的有源控制[5]。ANC 与隔声罩结合的方法根据 ANC 的位置主要可以分为内源式、外源式、罩壁式和消声器式四种。其中内源式指 ANC 在隔声 罩内， 先去除噪声源中的某些低频信号， 而后由隔声罩降低中高频部分噪声； 外源式指 ANC 在隔声罩外部，先由隔声罩滤除噪声中的大部分，由于隔声罩对低频噪声的降低效果不好， 这时的辐射出来的噪声主要在低频段，再用 ANC 来降低就可以达到比较好的效果；罩壁式 指 ANC 的控制源放置在隔声罩的壁板上，通过对壁板振动的有源控制来降低辐射噪声；消 声器式指 ANC 安装在隔声罩消声器内，以达到降噪的效果。本初步实验研究使用的是内源 式，其它各种结构的效果及其性能的比较正在研究中。 本文的目的是以液压泵为例，从实验上探讨 ANC 和隔声罩结合起来的可行性及主要技 术问题。 首先根据具体情况选取隔声罩的材料和尺寸， 并在实验室中对设计的隔声罩进行实 验测试，并和理论计算的隔声罩的插入损失进行对比；之后测试了 ANC 对低频噪声的降噪
ek (n) = pk (n) + sk (n)
而第 n + 1 个采样点的控制信号为
(4)
yi (n + 1) = ∑ w j ,l (n + 1) x(n − l )
l =0
L −1
（5）
上式中 x(n) 是第 n 个采样点的参考信号， w j ,l (n + 1) 是 j 个控制滤波器在第 n + 1 个采 样点的第 l 个向量， L 为滤波器的长度。自适应滤波器的代价函数的更新由均方误差和平方 控制系数之和的负梯度方向决定。实际的抵消路径传递函数用 M 阶 FIR 滤波器 C jk 近似， 同时假定收敛系数很小，含泄露系数的 MFXLMS 算法公式[3
图 2 为有源控制系统的示意图， 分误差信号采集、 有源控制器处理和控制信号输出三部 分。其中误差信号采集由 16 路传声器完成（示意图中仅画了 4 路，以下同），经过前置放 大电路放大信号，用低通滤波器滤掉中高频信号后通过 16 路 A/D 转换器把模拟信号变成数 字信号，送入由 8 片 ADSP21161 组成的控制器，通过计算机设定调整算法的参数，产生等 幅反相的控制信号，由 16 路 D/A 转换器变成模拟信号，经过重构滤波器后通过功放输出到 16 路扬声器作为次级声。传感器再次采集这时声场的信号，经过上面的过程再次通过扬声 器去抵消声场信号，MFXLMS 的收敛性使得传感器采集到的信号逐渐变小达到要求。本系 统还可以通过改变泄露系数和收敛系数来提高收敛速度和稳定性。
4．结论
本文介绍的隔声系统是由隔声罩和 ANC 系统两部分组成，隔声罩对中高频部分进行降 噪，ANC 系统对噪声频谱中的能量较大的 600Hz 频率左右的噪声降低，这样就使噪声总声 压级的降低达到 32dB。本初步实验研究证明了 ANC 和隔声罩结合使用的可行性。
4000 77.1 51.3
有了表 3 中的数据，可以利用下式求总声压级
L = 10 log10 (10
10
+ 10
10
+ 10
10
+ 10
10
+ 10
10
+ 10
10
)
（7）
其中 L125 等为在不同中心频率下的倍频程声压级。 得出安装隔声罩前后的总声级分别为 112.4dB 和 88.9dB，相应的 A 声级分别为 110.0dBA 和 85.9dBA。下面采用有源的方法对最 大的 600Hz 的噪声进行控制。 ANC 系统对噪声的衰减通过实验的方法来检验，在隔声罩存在时用同样方法测量开关 有源控制系统的声压级。测得新引入的插入损失为 13dB，带入上面计算总声压级的公式， 得到这时线性声压级为 80.0dB,A 声压级为 78.3dBA。通过 ANC 和隔声罩的相互补充，使 液压泵的噪声得到了很好的降低,这样达到了前文提到的效果。
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有源噪声控制与隔声罩组合应用的初步实验研究1
牛锋
1
李宁荣
邱小军
近代声学国家重点实验室，南京大学声学研究所(210093)
E-mail: niufeng@nju.org.cn , keylab@nju.edu.cn, xjqiu@nju.edu.cn
摘 要：本文以液压泵为例对有源噪声控制系统与隔声罩组合应用进行了初步的实验研究。 噪声的低频段由有源噪声控制技术降低， 中高频段由隔声罩降低， 从而发挥了有源噪声控制 和隔声罩各自的优点。附加了有源系统后的隔声罩使液压泵的噪声从 112.4dB 降到了 80.0dB，系统的降噪量达到了 32dB。有源噪声控制系统采用了 4 个次级控制源，在无隔声 罩的情况下，可使 600Hz 左右的低频噪声降低 25dB 以上；和隔声罩共同使用时，在原有基 础上可新增插入损失 13dB。
表 3 实际噪声与加隔声罩后理论预测值比较 倍频程中心频率(Hz) 现场测量的原始声压级(dB) 加罩后理论声压级（dB）
L125 L250
125 79.4 71.0
L500
250 82.7 74.3
L1000
500 111.5 88.3
L2000
1000 105 77.0
L4000
2000 78.6 49.2
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2.2．有源控制系统
本系统采用前馈有源控制系统，液压泵的转速信号作为参考信号，算法为多通道滤波 X 最小均方（MFXLMS）[8]。若控制源数为 J ，误差传感器数为 K ，在第 n 个采样点，第 k 个 误差传感器采集到的信号 ek ( n) 是初级声源 pk ( n) 和控制声场 sk ( n) 的叠加
其中 m 为隔板面密度，f 为频率。
考虑隔声窗、进风口和消声器的影响，整个构件的组合传声损失[6]为
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SE （2） TL2 = 10 log10 −TLW −TLC −TL1 10 + SW × 10 10 + SC × 10 10 + S H ×1 ( S E − SW − SC − S H ) ×10
2 2
2 2
S (1 − α f ) IL = TL2 − 10 log10 0.25 + E ( Si α f )
2
（3）
其中 α f 为吸声材料的吸声系数（见表 1）， Si 为吸声材料面积（8.11 m ）。 把各参数带入上面的公式，得到隔声罩插入损失的理论数据，列于表 2（为便于对比， 实验数据也同时给出） 。 从表 2 中可以看出①理论数据和实验数据变化趋势与所用的吸声材 料的吸声系数、 隔声窗的隔声量及消声器的消声量的变化是一致的， 低频段的插入损失比较 小，中高频段的比较大。②理论数据与实验数据误差在 10dB 内，实验数据相比偏低是由于 隔声罩没能密封得很好造成的。 表 2 隔声罩的的插入损失 频率(Hz) 插入损失实验值(dB) 插入损失理论值(dB) 125 8.4 10.0 250 18.4 19.0 500 23.2 29.2 1000 28.0 31.6 2000 29.4 31.0 4000 25.8 29.4