多個(gè)線譜噪聲的局部區(qū)域有源消聲

趙漢波，鄭 援，姜 斌

(1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì)，山東 青島 266042;2.海軍潛艇學(xué)院 航海觀通系，山東青島 266042）

多個(gè)線譜噪聲的局部區(qū)域有源消聲

趙漢波1，鄭 援2，姜 斌2

(1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì)，山東 青島 266042;2.海軍潛艇學(xué)院 航海觀通系，山東青島 266042）

噪聲主動(dòng)控制技術(shù)是近年研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題，它克服了被動(dòng)降噪技術(shù)設(shè)備龐大、笨重、造價(jià)高等缺點(diǎn)，尤其對(duì)低頻噪聲具有良好的控制效果，展現(xiàn)出巨大的商業(yè)價(jià)值。本文在對(duì)有源消聲進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出在局部空間實(shí)現(xiàn)多個(gè)線譜主動(dòng)控制的方法，并研究消聲區(qū)域的分布特點(diǎn)。同時(shí)，基于該方法進(jìn)行船舶輻射噪聲線譜主動(dòng)控制的仿真，結(jié)果表明線譜控制效果良好，從而驗(yàn)證該方法的有效性和可行性。

有源消聲;噪聲可控區(qū)域;船舶輻射噪聲線譜

0 引言

主動(dòng)噪聲控制 (active noise control，ANC）又稱有源消聲，是通過人為附加聲源，使其發(fā)出的聲波與已經(jīng)存在的噪聲在指定區(qū)域相消來達(dá)到目的。由于具有良好的低頻特性，在治理低頻噪聲問題方面主動(dòng)噪聲控制一直被認(rèn)為是最具潛力的消聲方式［1］。目前，有源消聲技術(shù)已經(jīng)在有源消聲耳機(jī)、管道有源消聲等領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。

一直以來，船舶輻射噪聲治理是噪聲控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。目前廣泛采用的浮筏隔振裝置、撓性軟管、消聲器等［2］被動(dòng)技術(shù)措施在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶輻射噪聲的控制，但所用設(shè)備往往體積比較大、加工制造復(fù)雜、不易更新，并且主要對(duì)中高頻噪聲有效，對(duì)低頻噪聲效果不大。然而，船舶在航行中某些機(jī)械振動(dòng)會(huì)使某些頻率上的噪聲強(qiáng)度驟然升高，形成孤立的線狀譜。這些線譜主要集中在低頻段，形成了對(duì)海洋生物和海洋環(huán)境聲學(xué)監(jiān)測(cè)測(cè)平臺(tái)重要的低頻干擾。現(xiàn)代船舶急需一種能夠有效抑制低頻線譜噪聲的控制技術(shù)，而ANC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)恰恰在于具有良好的低頻特性，并且對(duì)一些偶發(fā)噪聲也具有很好的控制效果。因此，有源消聲技術(shù)可以作為傳統(tǒng)被動(dòng)噪聲控制技術(shù)的低頻補(bǔ)充，對(duì)控制船舶噪聲有著廣闊的應(yīng)用前景。作為水聲環(huán)境下有源消聲的初步探索，本文以對(duì)多個(gè)低頻線譜的控制為目標(biāo)，在遠(yuǎn)場(chǎng)局部區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶輻射噪聲中某些特征線譜的主動(dòng)控制。

1 局部空間有源消聲

目前，由于在復(fù)雜聲場(chǎng)分析、控制穩(wěn)定性、次級(jí)聲源陣列等方面尚存在一些問題有待解決，全空間有源消聲還難以實(shí)現(xiàn)，但在當(dāng)前的技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)特定情況下的局部區(qū)域有源消聲相對(duì)更易于工程實(shí)現(xiàn)，并且在許多情況下這是必要的。例如，對(duì)于利用聲信息對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)的聲學(xué)平臺(tái)，以及靠聲音獲取環(huán)境信息的海洋生物而言，其往往分布在某一定特定的區(qū)域內(nèi)。因此，若能利用ANC技術(shù)形成如圖1所示的船舶輻射噪聲線譜可控區(qū)域，這無疑將大大降低位于這一區(qū)域的聲學(xué)平臺(tái)或海洋生物受到低頻干擾。

圖1 船舶輻射噪聲局部區(qū)域控制示意圖Fig.1 The diagram of ship radiated-noise control in local space

1.1 有源消聲模型建模

當(dāng)對(duì)船舶輻射噪聲進(jìn)行有源控制時(shí)，由于水下聲探測(cè)平臺(tái)或魚群主要活動(dòng)區(qū)域往往位于船舶輻射噪聲的遠(yuǎn)場(chǎng)，可將船舶視為點(diǎn)聲源。文獻(xiàn)［3］為了主動(dòng)控制船舶輻射噪聲中某一線譜，以次級(jí)聲源處聲壓為0來控制次級(jí)聲源的形式，通過仿真在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聲壓的全面降低，取得了不錯(cuò)的效果。但該聲壓可控范圍較小，且隨著頻率的增加而急劇減小。在對(duì)船舶輻射噪聲的多個(gè)線譜進(jìn)行有源消聲時(shí)，文獻(xiàn)［3］中的方法面臨的主要問題在于:有效控制區(qū)域取決于最高頻率所對(duì)應(yīng)范圍，因而難以在足夠?qū)挼膮^(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)線譜的主動(dòng)控制，這也正是本文所要解決的主要問題。

某商船P(初級(jí)源）途徑某一魚群主要活動(dòng)區(qū)域，兩者最近距離為r。在接近魚群過程中，為對(duì)商船輻射噪聲中多個(gè)低頻線譜進(jìn)行主動(dòng)控制，在船體上設(shè)置一控制聲源C，初級(jí)聲源和控制源間距為h，則可構(gòu)成如圖2所示的一個(gè)模型。

圖2 有源消聲模型Fig.2 Active noise controlmodel

1.2 理論分析

為了在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)線譜的主動(dòng)控制，先對(duì)某一單頻信號(hào)的控制效果進(jìn)行研究。

設(shè)船舶航行中某一頻率輻射噪聲具有如下形式:

式中，A為初級(jí)源振幅;f為所感興趣的頻率，為了簡(jiǎn)單起見這里認(rèn)為初級(jí)源的初相角為0。

由于h較小，忽略初級(jí)信號(hào)傳播至控制源過程中的振幅衰減，而只保留相位差異，故在(0，h）處初級(jí)信號(hào)形式為;

為此，根據(jù)控制源接收到的初級(jí)信號(hào)形式，使其產(chǎn)生一相干的控制信號(hào):

以P為坐標(biāo)原點(diǎn)，則在初級(jí)聲源和控制源同時(shí)作用時(shí)，(x，r）位置處的聲壓等于2個(gè)聲源的線性疊加:

僅考慮遠(yuǎn)場(chǎng)情況，則2個(gè)聲源輻射的聲波到達(dá)接受點(diǎn)時(shí)振幅差別甚小，有Ap≈Ac，但其相位差異不能忽略，故式(4）化為:

因此，若控制信號(hào)與初級(jí)信號(hào)在到達(dá)魚群位置(x0，r0）時(shí)的相位相差180°，初級(jí)信號(hào)對(duì)魚群造成的干擾將最小。此時(shí)，控制相位Δφ滿足:

當(dāng)魚群位置分別為(0，8000）、(1000，8000）、(2000，8000）、(3000，8000）時(shí)，初級(jí)信號(hào)為 s(t）=cos(2π×900t），分別依據(jù)式(7）選擇控制相位，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 引入控制源前后聲強(qiáng)的水平分布 (r=8 000 m）Fig.3 The sound intensity distribution before and after ANC

結(jié)果表明:

1）根據(jù)式(7）選擇不同控制相位實(shí)現(xiàn)魚群位置處聲強(qiáng)最小，但在可控區(qū)域內(nèi)，聲強(qiáng)有一定程度的波動(dòng);

2）對(duì)某一頻率信號(hào)而言，可控區(qū)域?qū)挾葧?huì)隨Δφ的變化而改變，并且當(dāng)控制相位增大到一定值后，可控條件將不滿足。

上述結(jié)論為實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率在同一區(qū)域的有源消聲提供了可能，即一旦Δφ與可控區(qū)域?qū)挾鹊年P(guān)系確定，便可通過控制Δφ，使多個(gè)頻率信號(hào)具有相同的可控區(qū)域。

下面對(duì)Δφ與可控區(qū)域?qū)挾鹊年P(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo):

當(dāng)r一定時(shí)，設(shè)可控區(qū)域范圍為(－l，l），則在可控區(qū)域內(nèi)，有源消聲前后聲壓幅值平方應(yīng)滿足:

至此，式(10）和式(11）給出了可控區(qū)域邊界l與Δφ的相互關(guān)系。

因此，在對(duì)多個(gè)線譜進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，為了增大有效可控區(qū)域范圍，可采取的方法如下:

當(dāng)信號(hào)頻率為f0時(shí)，使Δφ0=π確定可控區(qū)域?yàn)?－l0，l0），則對(duì)于頻率f＞f0的信號(hào)，根據(jù)式(10）選擇控制相位，使其同樣在 (－l0，l0）區(qū)域可控。

2 船舶輻射噪聲的線譜建模

航行中，船舶輻射噪聲主要由寬帶連續(xù)譜和窄帶線譜組成。其中，離散的線狀譜主要存在于低頻段，位置比較固定，且具有能量豐富和傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，是主要的海洋低頻噪聲污染源之一。通過對(duì)船舶線譜噪聲形成機(jī)理的分析表明，船舶輻射噪聲的低頻線譜主要是由機(jī)械裝置和螺旋槳“葉片速率”線譜及其諧波頻率組成［5］。在此基礎(chǔ)上，以周期信號(hào)為模型可以建立航行體輻射噪聲線譜數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)某船舶螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，槳葉片數(shù)為6葉。用在［0，1］上均勻分布的白噪聲產(chǎn)生連續(xù)譜，線譜幅度用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，根據(jù)式(13）可得該船舶輻射噪聲的線譜圖如圖4所示。

圖4 船舶輻射噪聲線譜頻域圖Fig.4 The frequency domain chart of ship radiated-noise line-spectrum

3 數(shù)值仿真分析及研究

3.1 針對(duì)多個(gè)單頻正弦信號(hào)的有源消聲仿真

當(dāng)h=5 m，r=10 000m時(shí)，采用Δφ=π的控制聲源對(duì)信號(hào)s(t）=cos(2π×900t）進(jìn)行主動(dòng)控制，形成的可控區(qū)域?yàn)?(－3 480 m，3 480 m）。為了使頻率 f=1 000 Hz，1 100 Hz，1 500 Hz，1 750 Hz，1 800Hz的多個(gè)正弦噪聲信號(hào)同樣在該區(qū)域內(nèi)得到控制，根據(jù)第2.2節(jié)的結(jié)論，可計(jì)算所采用控制相位分別為 Δφ =1.629 9π ，0.259 6π，0.352 5π，0.667 3π，0.778 3π，則有源消聲前后聲強(qiáng)的變化如圖5和圖6所示。

圖5 有源消聲后各個(gè)頻率信號(hào)的聲強(qiáng)變化(r=8 000 m）Fig.5 Different signal intensity changes after ANC(r=8 000 m）

圖6 有源消聲前后總聲強(qiáng)變化對(duì)比(r=8 000 m）Fig.6 The comparison of total sound intensity changes before and after ANC(r=8 000 m）

由圖5和圖6可知，當(dāng)r=10 000 m時(shí)，在(－3 480 m，3 480 m）區(qū)域內(nèi)，多個(gè)頻率的噪聲均得到了有效控制，在該區(qū)域內(nèi)總聲強(qiáng)也遠(yuǎn)小于未加入次級(jí)聲源的情況。實(shí)際上，r總是變化，通過進(jìn)一步仿真可得該可控區(qū)域隨r變化的灰度圖如圖7所示。

圖7 可控區(qū)域水平分布灰度圖Fig.7 The horizontal distribution grayscale of noise control area

由圖7可知，有效控制區(qū)域隨著r增加呈線性增大，故在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，船舶輻射噪聲線譜更易于控制。

3.2 線譜輻射噪聲的遠(yuǎn)場(chǎng)局部區(qū)域主動(dòng)控制

當(dāng)對(duì)船舶輻射噪聲的多個(gè)線譜進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，根據(jù)1.2節(jié)的結(jié)論分別選擇控制相位，則在可控區(qū)域不同位置處的船舶輻射噪聲線譜頻域圖如圖8所示。

圖8 有源控制前后船舶輻射噪聲頻域圖(r=10 000 m，x=－3 480或3 480m）Fig.8 The frequency domain chart of ship radiated－noise before and after ANC(r=10 000 m，x=－3 480或3 480m）

由圖9～圖11可知，在水下遠(yuǎn)場(chǎng)某一足夠?qū)挼膮^(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線譜輻射噪聲的主動(dòng)控制。該區(qū)域內(nèi)線譜的強(qiáng)度大大減小，其分布也明顯改變。

圖9 有源控制前后船舶輻射噪聲頻域(r=10 000 m，x=－2 000或2 000 m）Fig.9 The frequency domain chart of ship radiated-noise before and after ANC(r=10 000 m，x=－2 000或2 000 m）

圖10 有源控制前后船舶輻射噪聲頻域圖(r=10 000 m，x=－1 000或1 000 m）Fig.10 The frequency domain chart of ship radiated-noise before and after ANC(r=10 000 m，x=－1 000或1 000 m）

圖11 有源控制前后船舶輻射噪聲頻域圖 (r=10 000m，x=0m）Fig.11 The frequency domain chart of ship radiated-noise before and after ANC(r=10 000 m，x=0 m）

4 結(jié)語

本文從有源消聲的基本原理出發(fā)，在理論上得出多個(gè)線譜遠(yuǎn)場(chǎng)局部區(qū)域主動(dòng)控制的方法，并對(duì)船舶多個(gè)線譜輻射噪聲進(jìn)行有源消聲仿真，結(jié)果驗(yàn)證上述控制方案的正確性和可行性。雖然局部空間有源消聲將不可避免的引起消聲區(qū)域以外聲功率的增加，但當(dāng)消聲區(qū)域范圍足夠?qū)捛铱煽氐那闆r下，采用上述有源控制方法總能使活動(dòng)于該區(qū)域的噪聲接收者受到的低頻干擾降到最小。此外，在魚群主要活動(dòng)區(qū)或聲學(xué)檢測(cè)平臺(tái)附近往往有提示性標(biāo)志，船舶可以根據(jù)其是否位于該消聲區(qū)域而選擇性的開啟或關(guān)閉主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)，從而克服這一不利因素帶來的影響。

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Active noise control for multiple line-spectrum noise in local space

ZHAO Han-bo1，ZHENG Yuan2，JIANG Bin2
(1.Graduate Student Bridage，Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China;2.Navigation and Observation Department，Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

The active noise control technology is a hot spot in recent years.Traditional passive noise control technolog has many disadvantages，such as too large，too heavy，high cost，etc.The active noise control technology can overcome these problems.Ithas shown great commercial value for its excellent control effect on the low-frequency noise.Based on the comprehensive analysis of the active noise control theory，a technique of activemultiple line-spectrum noise control in local space is put forward in this paper，and the distribution characteristics of noise control area is researched.Finally，the simulation for controlling ship radiated-noise line-spectrum is performed based on thismethod.The simulation results show excellent noise control effect，which vertifies the effectiveness and feasibility of thismethod.

active noise control(ANC）;noise control area;ship radiated-noise line-spectrum

TB53 TB56

A

1672－7649(2014）04－0058－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.011

2013－05－23;

2013－06－20

趙漢波(1988－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>