有限長圓柱殼結構水下聲輻射有源控制實驗

丁少虎，王謙，陳克安，玉昊昕，馬璽越

(西北工業(yè)大學航海學院，西安710072)

有限長圓柱殼結構水下聲輻射有源控制實驗

丁少虎，王謙，陳克安，玉昊昕，馬璽越

(西北工業(yè)大學航海學院，西安710072)

以水下有限長圓柱殼為對象，實驗研究水下結構聲輻射有源控制。實驗中通過引入次級力源，以單個或兩個誤差點處的聲壓最小為目標函數(shù)，分析次級激振器和誤差傳感器布放（位置和數(shù)目）以及激勵頻率對控制效果的影響。結果表明：有源控制能夠有效控制水下圓柱殼線譜噪聲；增加次級激振器和誤差傳感器的數(shù)目，能夠增大降噪?yún)^(qū)域；有源控制在3 000 Hz高頻處對殼體噪聲控制依然有效。有源控制能夠對多線譜信號激勵殼體輻射噪聲產(chǎn)生抑制作用。

聲學；彈性圓柱殼；水下聲輻射；有源控制

在噪聲控制工程中，結構誘發(fā)聲控制問題占了相當比例。由各種激勵引起的結構振動聲輻射是噪聲控制要解決的一個重要問題。傳統(tǒng)的被動控制技術對控制中高頻噪聲較為有效，對低頻噪聲的控制效果不大，而有源噪聲控制（也稱為主動噪聲控制，ANC）恰好能彌補傳統(tǒng)噪聲控制技術的不足。

對于結構振動低頻輻射聲，有源控制方式一般分為有源聲控制和有源力控制[1]。由于用點聲源抵消結構振動聲輻射的應用范圍十分有限，F(xiàn)uller等人[2]提出了有源力控制技術，就是在振動結構表面人為施加力源（稱為次級力源），改變結構響應來抑制輻射聲功率，此種技術也被稱為有源結構聲控制(Active StructuralAcoustic Control，簡稱ASAC)。近年來，已經(jīng)開展水下矩形板結構輻射噪聲有源控制的理論研究[3―7]。圓柱殼結構是水下航行器及其艙段的主要結構形式，已有不少研究將有源結構聲控制技術應用于圓柱結構低頻輻射噪聲控制。Ruckman和Fuller[8]以有限長圓柱殼為研究對象采用數(shù)值模擬的方法分析了結構聲有源控制中最優(yōu)次級激勵力的作用位置。Maillard和Fuller[9]主要工作是將加速度器作用于圓柱殼表面進行結構振速傳感，為結構聲有源控制提供了全局誤差信息。Jin Guoyong[10]等人利用數(shù)值和實驗方法研究了空氣中徑向點力激勵下彈性圓柱殼結構聲輻射的有源力控制。Naghshineh[11]等人將結構輻射聲功率展開成初級力和控制力的二次函數(shù)，并通過數(shù)值仿真和試驗將這種策略應用于空氣中有限長圓柱殼聲輻射控制并進行了驗證。而由于彈性結構與周圍介質耦合作用，使得研究水下結構振動與聲輻射要比空氣中復雜得多。另外，理論研究大多是在理想自由場下并假定作用在殼體上的力為點力，實際中，激振器作用力并非完全為點力，聲場環(huán)境復雜，因此，為了研究水下結構有源控制效果，開展實驗研究非常必要。

關于結構在重質流體中聲輻射有源控制實驗方面的研究還非常少見。俞孟薩[12]從實驗上研究有源控制技術對降低水下彈性平板結構聲輻射的有效性，實驗中通過手動調節(jié)相移器的相位來改變控制器的輸出，同時控制四個監(jiān)測水聽器處的聲壓信號達到最小。本文利用自適應有源控制系統(tǒng)開展水下圓柱結構輻射噪聲的有源力控制實驗研究。

1 實驗系統(tǒng)概述及方法

主要進行以下幾個方面的實驗研究：1）水下噪聲有源控制效果；2）初級噪聲頻域組成方式及頻率變化對控制效果的影響；3）次級力源和誤差傳感器位置、數(shù)量對控制效果的影響；

實驗在消聲水池中進行，該消聲水池長20 m，寬8 m，深7 m，采用楔形橡膠尖劈板間隔排列在水池六個面上。圓柱殼長0.96 m，直徑0.50 m。在實驗過程中，圓柱殼的兩端用厚蓋板封閉，并進行密封，防止殼內進水，圓柱殼采用垂直吊放方案置于水下3.5 m處。利用激振器產(chǎn)生的激振力來模擬諧波激勵，實驗中并沒有將激勵頻率選在殼體的固有頻率處，考慮到消聲水池的截止頻率為2 000 Hz，因此輸入到激振器的激勵信號在2 000 Hz以上，這也有助于研究水下噪聲有源控制的頻率范圍。

實驗采用有源力控制對圓柱殼結構水下輻射噪聲進行控制。利用3個激振器（一個用作初級激振器，兩個用作次級激振器）激勵圓柱殼振動，單頻正弦信號和正弦疊加多線譜信號作為激勵信號，經(jīng)功率放大器后驅動初級激振器激勵圓柱殼體產(chǎn)生振動，同時激振信號輸入自適應控制器的A/D輸入端，作為參考信號；利用水聽器作為誤差傳感器來測量殼體輻射聲信號，并經(jīng)過濾波處理后輸入到自適應有源控制器，作為誤差信號；自適應有源控制器根據(jù)參考信號和誤差信號，以自適應控制算法自動調整濾波器的各權系數(shù)，然后輸出至次級激振器激勵殼體振動。同時，誤差傳感器和監(jiān)測水聽器測得信號均接入B&K 3560型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過PULSE分析軟件觀察整個控制過程以及控制前后的聲壓變化。具體的實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。

主要的儀器設備如下：信號發(fā)生器（Agilent）；功率放大器（Labworks Pa-138）；自適應有源控制器（iEE-03）；直流穩(wěn)壓電源（HH 1733 C3 0-3A）；示波器（Tektronix TDS 2012）；低通抗混濾波器（SD 1476 A）；PUISE數(shù)據(jù)采集前端（B&K 3560）；激振器；信號轉接箱；水聽器。

圖1 實驗系統(tǒng)框圖

2 實驗結果及分析

通過激振器來產(chǎn)生初級激振力和次級控制力，激振器安裝位置如圖2所示。實驗中采用柱坐標來確定誤差傳感器和監(jiān)測傳感器位置，柱坐標系的中心位于殼體中心，1號激振器的作用位置為(0.13 m，0°)；2號激振器的作用位置為(-0.27 m，0°)，與1號激振器周向位置相同；3號激振器作用位置為(0.13 m，180°)，與1號激振器軸向位置相同，周向相差180°。首先，需要建立次級激振器到誤差傳感點的次級通路模型，這里采用附加隨機噪聲法進行次級通路的自適應離線建模。由于次級通路建模長度對系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制效果有很大影響[13]，本次實驗中，通過選取不同長度進行反復調試，最后確定接近最優(yōu)值的建模長度。

圖2 有源噪聲控制示意圖

2.1 單通道有源力控制

單通道有源力控制示意圖如圖2所示。實驗過程中，一個激振器作為初級力源，一個激振器作為次級力源，以單個誤差傳感點的水聽器測量聲壓信號最小為控制目標，構成單通道有源力控制模型。分別測試單頻信號和多線譜疊加信號激勵殼體振動輻射噪聲的單通道控制效果；通過改變次級激振器位置，測試次級控制力位置對控制效果的影響；通過水聽器測量控制前后監(jiān)測點處的聲場變化。

2.1.1 不同次級控制位置下的控制效果

采用激勵頻率為2 000 Hz的正弦信號激勵圓柱殼體，采用兩種控制配置方式，配置1：1號激振器作為初級力源，3號激振器作為次級力源；配置2：1號激振器作為初級力源，2號激振器作為次級力源。兩種配置下誤差傳感點均位于(r,θ,z)=(0.9 m,0°,0)，如圖3所示。測試結果如圖3和表1所示

圖3給出了誤差點處控制前后水聽器輸出的時間響應，實施有源控制后，誤差傳感點處的聲壓迅速降低。表1給出2 000 Hz處控制前后誤差點和監(jiān)測點的聲壓級變化。由實驗結果可以看出，當初級激勵力位置相同，改變次級控制力位置，控制效果不同，這說明有源控制效果對控制力的布放位置較敏感，控制力的位置直接影響到控制效果的好壞。因此，在采用有源控制時首先應對控制力的布置進行優(yōu)化，使控制力的布置達到最佳布置從而得到最好的控制效果。

2.1.2 不同激勵頻率下的單通道控制效果

分別采用頻率為2 500 Hz和3 000 Hz的單頻正弦信號激勵殼體，3號激振器作為初級激勵源，1號激振器用作次級控制源，誤差傳感器位置如圖2所示，比較不同激勵頻率下控制效果。測試結果如表2和表3所示。

由表2和3可以看出，總體來講，不管是誤差點還是監(jiān)測點，在2 500 Hz處的控制效果高于3 000 Hz處的控制效果，監(jiān)測點的降噪量均在10 dB以上。文獻[12]指出，當激勵頻率較低時，只能激發(fā)起結構的低階模態(tài)，模態(tài)的空間尺度較大（對應的結構波長較長），空間相關尺度較大。當激勵頻率較高時，結構振動包含許多高階模態(tài)，而高階模態(tài)的相關尺度較小，相關性隨著頻率的提高而逐漸減弱。因此，對于采用次級力源來降低圓柱殼的結構振動聲輻射來說，如果想在高頻處利用有源力控制得到較好的效果，則需要增加次級激勵的數(shù)目。3多線譜疊加信號激勵下的單通道控制效果

采用初級激勵信號為2 000 Hz、2 500 Hz和3 000 Hz單頻正弦信號組成的多線譜疊加信號激勵殼體，3號激振器作為初級激勵源，1號激振器用作次級控制源，誤差傳感器位置如圖3所示，測試結果表4所示。

利用有源力控制可以對單頻正弦信號疊加后的多線譜信號激勵殼體輻射噪聲進行控制，在誤差傳感點處的多根線譜噪聲均有大幅度下降，其中在2 500 Hz的最高降噪量達到39 dB，但在監(jiān)測點處，控制效果不是很明顯，這與采用的控制策略有關。通過表3可以看出，該組實驗中次級激振器的布放位置更有利于控制2 500 Hz處的噪聲。不同的頻點，均有對應的次級激振器布放位置，實際中如果控制多線譜噪聲，次級激振器的布放位置需要兼顧到各個頻點。

2.1.

2.2 雙通道有源力控制

實驗過程中，采用3號激振器作為初級激勵源，1號和2號激振器同時作為次級控制激勵源，在空間對應布放兩個水聽器作為誤差傳感器，構成雙通道有源力控制。分別測試頻率分別為2 500 Hz和3 000 Hz的正弦信號激勵殼體振動輻射噪聲的雙通道有源力控制效果，通過監(jiān)測水聽器測量采用有源控制前后監(jiān)測點處的聲場變化。測試結果如圖4和表5、6所示。

采用兩個次級力的控制效果比單個次級控制力的控制效果總體要好，且通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，采用雙通道控制后，降噪?yún)^(qū)域增大了。理論上，對于周向對稱分布的兩個位置，根據(jù)圓柱殼聲輻射理論，這兩個位置的聲壓級應該相等，而表5中兩誤差傳感點的聲壓級并不相等，這可能因為實驗中池壁的反射和水聽器并非完全對稱布放造成的。

3 結語

通過實驗研究水下圓柱結構振動輻射噪聲有源力控制，利用單頻正弦信號和多個正弦信號疊加組成的多線譜信號激勵水下圓柱殼體。自適應控制器根據(jù)輸入的參考信號、誤差信號，以Fx LMS算法自動調整自適應濾波器的各權系數(shù)，然后輸出控制信號，經(jīng)功率放大器后激勵次級作動裝置，使得誤差傳感點處聲壓達到最小來實現(xiàn)聲場控制。實驗結果說明采用有源力控制可以有效降低水下圓柱殼線譜噪聲。由于本次實驗采用局部控制策略，以單個或兩個誤差點處的聲壓最小為目標函數(shù)，因此在其他位置的聲壓有升有降。如果需要產(chǎn)生更大的降噪空間，需要改變控制策略和目標函數(shù)。另外，從本次實驗結果可以看出，在3 000 Hz的高頻處均有較好的效果，尤其在誤差傳感點處，表明頻率較高時有源力控制依然有效。本次實驗雖然沒有對低頻激勵殼體輻射噪聲進行測試，但是根據(jù)有源噪聲控制理論可知，頻率較低時效果會更好。

表2 不同頻率下誤差點處單通道控制效果

表3 不同頻率下監(jiān)測點處單通道控制效果

表4 單通道控制多線譜疊加信號控制效果

圖4 雙通道控制誤差點1處時域響應

表5 不同頻率下誤差點處雙通道控制效果

表6 不同頻率下監(jiān)測點處雙通道控制效果

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Experimental Study onActive Control of Sound Radiation from a Submerged Cylindrical Shell with Finite Length

DING Shao-hu,WANGQian,CHEN Ke-an,YU Hao-xin,MA Xi-yue

(SchoolofMarineScienceandTechnology,NorthwesternPolytechnicalUniversity, Xi’an 710072,China)

Experimental study on active control of a submerged cylindrical shell with finite length is performed using secondary force sources.The arrangement of the secondary exciters and error sensors and the influence of the excitation frequency on the control effects are analyzed.The results show that the underwater sound radiation of the cylindrical shell subjected to the force excitation can be effectively attenuated by the method of active noise control,the area of noise reduction can be enlarged with increasing the numbers of secondary exciters and error sensors,and the active noise control of the cylindrical shell at 3 000 Hz is still valid.Meanwhile,the sound radiated from the submerged cylindrical shell subjected to multiple linear spectrum excitations can also be suppressed by the active noise control.

acoustics;elastic cylindrical shell;underwater acoustic radiation;active control

TB535

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.005

1006-1355(2014)02-0017-05

2013-07-15

丁少虎（1980-），男，寧夏平羅人，博士生，目前從事噪聲有源控制方面的研究。

E-mail:dingshaohu05@163.com