主動吸聲技術(shù)研究綜述

陳卓司舒舒

（1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

（2.聲納技術(shù)重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023）

主動吸聲技術(shù)研究綜述

陳卓1司舒舒2

（1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

（2.聲納技術(shù)重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023）

對國內(nèi)外主動吸聲技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了論述，分析了其中的難點，并給出了未來發(fā)展趨勢。

主動控制；低頻吸聲；綜述

不管是在空氣中還是水中，主動吸聲技術(shù)日益受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的被動吸聲材料一般只對中高頻聲波有效，對低頻聲波而言要達(dá)到相同的吸聲效果則厚度增加，一般無法實際使用，為此人們提出了主動吸聲的概念。

上世紀(jì)30年代，人們首次提出了噪聲與振動主動控制思想，DSP硬件技術(shù)和自適應(yīng)信號處理技術(shù)的發(fā)展則對其從理論走向?qū)嵺`起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用，并形成了自適應(yīng)噪聲與振動主動控制這一新的技術(shù)領(lǐng)域。主動控制的基本思想是，利用傳感器拾取產(chǎn)生噪聲或振動的源信號，經(jīng)合適的濾波處理后產(chǎn)生另一種噪聲或振動，使得布放在誤差傳感器附近的范圍內(nèi)總的噪聲或振動減小。根據(jù)是否能提供初級聲源，主動噪聲控制分為前饋控制和反饋控制。前饋控制一般利用噪聲源的參考信號經(jīng)過濾波器得到控制信號，反饋控制則是利用誤差信號經(jīng)過濾波器得到控制信號。在空氣聲學(xué)中，初級聲源容易獲得，因此多用前饋控制；而水聲中由于無法獲得初級聲源所以多用反饋控制。但反饋控制容易出現(xiàn)發(fā)散問題，因此為了算法的穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能地采用前饋控制。

在噪聲與振動主動控制領(lǐng)域有很大一部分研究是圍繞主動吸聲展開的。主動吸聲一般是指通過主動控制來消除反射聲，從而達(dá)到減小混響或反射的目的，典型應(yīng)用包括空氣中音樂廳的主動吸聲和水下大型目標(biāo)的主動吸聲。由于只需要消除反射聲，而不是使聲場中聲壓最小，因此一般需要把反射聲分離出來。

1 兩種聲波分離方法

在很多實際應(yīng)用中，聲場中入射聲和反射聲是疊加在一起的，想要進(jìn)行主動吸聲控制往往需要對入射聲和反射聲進(jìn)行聲波分離。2003年，H zhu提出兩種聲波分離方法[1]：積分法和時延法，并比較了兩種聲波分離方法各自的優(yōu)缺點。

積分法如圖1所示，利用板前兩個相距幾厘米的麥克風(fēng)拾取聲壓信號p1和p2，如果兩個麥克風(fēng)之間的距離d相對于聲波的最小波長很小，便可通過近似推導(dǎo)得到入射聲和反射聲，其中pi表示入射聲，pr表示反射聲，c為聲速。

圖1 對板的反射控制系統(tǒng)

時延法如圖2所示，聲壓信號p1和p2可以分為兩部分：入射聲和反射聲。p1拾取到的入射聲和p2拾取到的入射聲之間是一個純時延關(guān)系，p1拾取到的反射聲和p2拾取到的反射聲之間也是一個純時延關(guān)系。

圖2 時延法進(jìn)行聲波分離

設(shè)

則x(t)是只與反射聲相關(guān)的信號，與入射聲無關(guān)；y(t)是只與入射聲相關(guān)的信號，與反射聲無關(guān)。時延法通過控制構(gòu)造出來的信號x(t)而不是真正的反射聲來實現(xiàn)主動控制。

以上兩種聲波分離方法各有利弊，積分法需要使用多階高通濾波器來消除累加產(chǎn)生的偏移誤差，導(dǎo)致運算時間長；好處是入射聲和反射聲可以完全分離，入射聲可以作為參考信號。時延法對信號及其一階時延進(jìn)行運算，計算量小；缺點是x(t)和y(t)不是真正意義上的入射聲和反射聲，若作為參考信號使用會導(dǎo)致次級聲源聲反饋的問題。

2 空氣中主動吸聲研究進(jìn)展

20世紀(jì)50年代，Olson和May首次實現(xiàn)了真正意義上的有源控制系統(tǒng)“電子吸聲器”，通過調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的輸出使聲傳感器總的聲壓為零[2-3]。20世紀(jì)80年代，隨著電子、控制、計算機(jī)和信號處理等技術(shù)的發(fā)展，一些以前難以實現(xiàn)的主動噪聲控制系統(tǒng)變得可行，于是兼顧中高頻被動吸聲優(yōu)點和低頻主動吸聲優(yōu)點的混合吸聲系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。1984年，國外學(xué)者D Guicking和Lorenz首次開展了主被動混合吸聲系統(tǒng)的研究[4]。實驗在聲管中進(jìn)行，被動材料為一塊多孔板，多孔板與管道末端相距一定距離，管道末端是作為控制源的揚(yáng)聲器，多孔板前的麥克風(fēng)拾取信號，經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯笏腿肟刂茡P(yáng)聲器，還有一個麥克風(fēng)放在多孔板后作為誤差傳感器，通過主動控制使誤差傳感器處聲壓最小。1994年Thenail等人研究了玻璃纖維被動吸聲層的吸聲系統(tǒng)，背后為空氣腔，終端是主動面[5]。他們研究了兩種方法，一種是誤差傳感器放置在玻璃纖維層后面，通過調(diào)節(jié)主動面使誤差傳感器處聲壓最小，實驗結(jié)果顯示在低頻隨著頻率的增加，吸聲效果逐漸變差。另一種方法與D Guicking和Lorenz的實驗方法相同，只是將被動吸聲層用玻璃纖維替代，實驗結(jié)果顯示在500~1 400 Hz范圍內(nèi)有很好的吸聲效果，如圖3所示。但這兩種方法都是用的玻璃纖維的最優(yōu)厚度2 cm，且數(shù)值分析和實驗結(jié)果表明玻璃纖維厚度對吸聲系統(tǒng)影響很大。以上所有這些在吸聲材料后使聲壓最小的控制方法后來被Beyene簡稱為釋壓法。

圖3 Thenail的實驗結(jié)果

1997年Beyene提出了一種新的主被動混合吸聲方法，該方法使吸聲材料背后聲阻抗與空氣特性阻抗相匹配來達(dá)到吸聲的目的，稱之為阻抗匹配法。通過使吸聲層后面的反射聲最小便可實現(xiàn)阻抗匹配條件，實驗結(jié)果如圖4所示，在100~2 000 Hz范圍內(nèi)均有較好的吸聲效果，且吸聲層厚度對吸聲系統(tǒng)影響不大[6]。1999年Smith等在Beyene的基礎(chǔ)上針對寬帶信號進(jìn)行了更深入的實驗研究[7]，并對釋壓法和阻抗匹配法進(jìn)行了實驗比較，同樣得出阻抗匹配法優(yōu)于釋壓法的結(jié)論。

圖4 Beyene的實驗結(jié)果

2003年H zhu采用阻抗匹配法及FXLMS算法，對管道中聲波進(jìn)行了反射聲控制研究，實驗中沒有被動吸聲材料，結(jié)果表明，1 kHz以下反射聲吸聲效果可以達(dá)到20 dB左右，如圖5所示[1]。Cobo用一個簡單的基于平面波傳播的分析模型比較了釋壓法和阻抗匹配法，發(fā)現(xiàn)釋壓法的吸聲效果比阻抗匹配法更好，但需要特定的幾何條件和材料特性[8]。

2007年Cobo等還在三維空間中進(jìn)行了主被動混合吸聲研究，如圖6所示，主動控制單元在混合主被動微穿孔吸聲體的后面，由四個完全相同的獨立單元組成，每一個獨立單元都作為局部的主動控制系統(tǒng)，微穿孔板后面的麥克風(fēng)接收聲壓信號后通過FXLMS算法激勵揚(yáng)聲器發(fā)聲，達(dá)到主動吸聲的目的。實驗結(jié)果表明，對于200~400 Hz范圍內(nèi)的低頻信號，通過主動吸聲，可以把吸聲系數(shù)從0.2~0.4提高到0.72~0.75[9]。

圖5 H zhu的實驗結(jié)果

圖6 在消聲室中的混合主被動微穿孔吸聲體的前視圖（左）和后視圖（右）

國內(nèi)沙家正于1981年最早研究了管道有源消聲問題，1990年呂廣慶研究了空間聲場有源聲吸收中的多極源結(jié)構(gòu)問題，1991年馬大猷開始對室內(nèi)聲場的有源控制問題進(jìn)行探討。近年來，南京大學(xué)的史東偉在空氣聲管中開展了利用吸聲尖劈作為被動材料的主被動吸聲技術(shù)研究，實驗結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明在100~1 000 Hz內(nèi)吸聲系數(shù)可以達(dá)到0.98~1.00，效果非常好[10]。

圖7 控制前后吸聲尖劈的吸聲系數(shù)

3 水中主動吸聲研究進(jìn)展

在水聲領(lǐng)域，國外從20世紀(jì)90年代中后期開始水下主動吸聲技術(shù)研究。1992年賓夕法尼亞大學(xué)的Howarth利用兩個水聽器接收信號，一個反饋控制系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)射換能器實現(xiàn)反射聲波的主動吸收[11]，如圖8所示，取得了較好的吸聲效果，同時給出了雙水聽器的間距與吸聲效果之間的關(guān)系。

圖8 雙水聽器主動吸聲示意圖

1991年，密西西比大學(xué)的Lafleura利用DSP作為主動控制系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了主動控制系統(tǒng)的實時信號處理[12]。1995年美國海軍研究所的Corsaro提出了一種集成的多層結(jié)構(gòu)的主動消聲瓦[13]，如圖9所示。該主動消聲瓦包括振速傳感器、聲壓傳感器及發(fā)射換能器。傳感器接收聲信號并進(jìn)行聲波分離，然后通過控制器進(jìn)行主動控制，在消聲瓦表面獲得與水阻抗相匹配的聲阻抗，從而達(dá)到吸聲的目的。該消聲瓦基本解決了多個聲學(xué)構(gòu)件集成的問題，已經(jīng)非常接近實際應(yīng)用，但仍需解決布成陣列后所面臨的諸多問題。

圖9 智能消聲瓦結(jié)構(gòu)示意圖

在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)的唐俊利用PVDF發(fā)射換能器作為次級聲源，在水聲脈沖聲管中開展了主動吸聲實驗研究[14]。采用時延法進(jìn)行聲波分離，對較寬頻段內(nèi)的信號均取得了較好的吸聲效果，如圖10所示，但雙傳感器和發(fā)射換能器完全分離，沒有集成在一起。

圖10 水聲聲管主動吸聲實驗結(jié)果

中國科學(xué)院噪聲與振動重點實驗室的王曉琳在水聲駐波管中開展了主動吸聲研究[15]，采用積分法進(jìn)行聲波分離，信號形式包括單頻信號、調(diào)頻信號和帶限白噪聲，實驗結(jié)果如圖11所示?？傮w上高頻段效果好于低頻段，這可能是由于在低頻段聲管底部存在二次反射引起的。實驗時仍然使用分離器件進(jìn)行主動控制，離應(yīng)用還有一定差距。此外他們還提出了利用矢量傳感器進(jìn)行水下主動吸聲的設(shè)想[16]，但只進(jìn)行了仿真分析。

圖11 水聲聲管寬帶主動吸聲實驗結(jié)果

4 結(jié)語

主動吸聲技術(shù)在空氣中已經(jīng)得到一些應(yīng)用，比如主動消聲耳機(jī)、駕駛艙的主動消聲等，這些應(yīng)用一般集中在封閉空間中，而用于水下還有一些困難，主要體現(xiàn)在：

1）水下應(yīng)用必須采用集成器件的方式，這樣不可避免地會引入聲學(xué)構(gòu)件相互間的耦合問題，這給聲波分離帶來很多困難。

2）即使采用集成器件，但水中聲速很快，導(dǎo)致系統(tǒng)延時很小，需要解決主動控制系統(tǒng)的非因果性問題，尤其是針對寬帶信號。

盡管主動吸聲技術(shù)還存在一些難點，但并不妨礙技術(shù)本身的發(fā)展，目前的發(fā)展趨勢主要有：

1）針對大面積的應(yīng)用，發(fā)展多通道并行處理技術(shù)，優(yōu)化次級聲源的配置，采用最小代價實現(xiàn)最大區(qū)域的主動吸聲。

2）針對實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)非平穩(wěn)振動及噪聲問題，發(fā)展寬容、快速的自適應(yīng)濾波算法，確保算法的快速收斂。

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