孔慶福,錢 超,訾一諾
(海軍工程大學(xué) 科研部,武漢 430033)
軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
孔慶福,錢 超,訾一諾
(海軍工程大學(xué) 科研部,武漢 430033)
為驗(yàn)證有源消聲技術(shù)在軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙低頻噪聲消除方面的有效性,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);采用“激振器+艙壁板”方式實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)螺旋槳工作對(duì)機(jī)艙誘導(dǎo)噪聲的聲源模擬,設(shè)計(jì)了基于前饋控制結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng),構(gòu)建了基于FX-LMS算法的自適應(yīng)消聲控制器,采用監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)組對(duì)艙內(nèi)空間的消聲效果進(jìn)行監(jiān)測(cè);實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了自適應(yīng)有源噪聲控制技術(shù)在軍用飛機(jī)艙室消聲降噪領(lǐng)域的有效性,并表明初、次級(jí)聲源間距對(duì)自適應(yīng)有源消聲系統(tǒng)的消聲效果具有重要的影響。
有源消聲控制;自適應(yīng)系統(tǒng);機(jī)艙;低頻噪聲
軍用飛機(jī)、艦船等作戰(zhàn)平臺(tái)因使命任務(wù)的需要,通常配置有大功率的動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)高強(qiáng)度工作時(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲,使得作戰(zhàn)平臺(tái)內(nèi)部、特別是安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)和靠近發(fā)動(dòng)機(jī)附近艙室具有較高的噪聲水平。一方面,高強(qiáng)度噪聲會(huì)對(duì)操作人員心理產(chǎn)生負(fù)面影響,降低工作質(zhì)量,危及設(shè)備操作的安全性;另一方面,長(zhǎng)期身處高噪聲環(huán)境會(huì)直接對(duì)操作人員的身體健康造成危害。為保證軍用作戰(zhàn)平臺(tái)重要艙室內(nèi)部人員的身體健康和工作質(zhì)量,對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)重要艙室和重點(diǎn)部位開展噪聲控制技術(shù)研究具有十分重要的意義。依據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)理的不同,艙室噪聲控制技術(shù)通常可分為被動(dòng)消聲技術(shù)和主動(dòng)消聲技術(shù)兩大類。被動(dòng)消聲又稱為無源消聲,其降噪機(jī)理是通過聲波與聲學(xué)材料或聲學(xué)結(jié)構(gòu)的相互作用來消耗聲能,如在各類軍用平臺(tái)中安裝發(fā)動(dòng)機(jī)消音器、配置發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩、敷設(shè)吸聲材料等。主動(dòng)消聲又稱為有源消聲,其降噪機(jī)理是利用聲波相消性干涉或聲輻射抑制原理、通過人為產(chǎn)生的同頻、等幅、反相二次聲場(chǎng)與一次聲場(chǎng)(噪聲源)的相互干涉來實(shí)現(xiàn)噪聲的控制和消除。實(shí)踐證明,無源消聲技術(shù)對(duì)于控制艙室中的中、高頻噪聲成分較為有效,而對(duì)低頻噪聲的消聲效果不太理想[1-2]。為有效降低各類作戰(zhàn)平臺(tái)重要艙室中的總噪聲水平,非常有必要開展針對(duì)低頻噪聲的艙室有源消聲技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究。
本文介紹了作者在德國(guó)Helmut-Schmidt大學(xué)留學(xué)期間參與的軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)情況[3]。該項(xiàng)目以北約最新研制的某型軍用運(yùn)輸機(jī)為對(duì)象,以有效降低飛機(jī)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作對(duì)機(jī)艙內(nèi)部空間的噪聲影響為目標(biāo),采用基于FX-LMS算法的自適應(yīng)有源噪聲控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)低頻噪聲的有效降低。
自適應(yīng)有源噪聲控制(AANC,adaptive active noise control)技術(shù)是自適應(yīng)濾波技術(shù)與有源噪聲控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,已成為有源噪聲控制的重點(diǎn)研究方向[4-8]。其實(shí)現(xiàn)機(jī)理是基于對(duì)降噪效果的不間斷監(jiān)測(cè),跟蹤噪聲源及環(huán)境參數(shù)的變化情況,通過控制器實(shí)時(shí)調(diào)整次級(jí)聲源輸出,及時(shí)、有效地對(duì)一次聲場(chǎng)噪聲進(jìn)行干涉抑制,確保取得最佳的降噪效果。圖1所示為一典型的采用前饋控制結(jié)構(gòu)單通道AANC系統(tǒng)的原理示意圖。系統(tǒng)主要由初級(jí)揚(yáng)聲器(初級(jí)聲源)、次級(jí)揚(yáng)聲器(次級(jí)聲源)、參考麥克風(fēng)、誤差麥克風(fēng)和自適應(yīng)控制器等組成。系統(tǒng)工作時(shí),首先由參考麥克風(fēng)獲取初級(jí)聲源信號(hào),并以參考信號(hào)x(n)的形式送至自適應(yīng)控制器;自適應(yīng)控制器采用F-XLMS算法計(jì)算得出次級(jí)信號(hào)y(n),經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)次級(jí)揚(yáng)聲器,形成相位相反的次級(jí)聲源;初級(jí)聲源和次級(jí)聲源的傳播聲波在誤差麥克風(fēng)處經(jīng)相消性干涉形成誤差信號(hào)e(n),由誤差麥克風(fēng)獲取后反饋到自適應(yīng)控制器;控制器根據(jù)所獲取的參考信號(hào)與誤差信號(hào),按一定規(guī)則自動(dòng)完成濾波器權(quán)系數(shù)的更新,從而改變次級(jí)信號(hào)y(n)的大小和相位,使得誤差信號(hào)e(n)進(jìn)一步減小。通過在控制過程中不斷自動(dòng)更新濾波器權(quán)系數(shù),最終使誤差信號(hào)達(dá)到最小值,實(shí)現(xiàn)最佳降噪效果目的。

圖1 自適應(yīng)前饋有源控制系統(tǒng)原理圖
在圖1所示的AANC系統(tǒng)中,控制器依據(jù)自適應(yīng)算法更新濾波器權(quán)系數(shù),從而調(diào)整控制器輸出。控制器所采用的自適應(yīng)算法對(duì)于系統(tǒng)最終控制效果具有很大的影響[1,5]。在AANC系統(tǒng)中控制器最常用的自適應(yīng)算法是FX-LMS算法。20世紀(jì)80年代,J.C.Burgress在B.Widrow等人所提自適應(yīng)噪聲抵消器理論基礎(chǔ)上,首次將自適應(yīng)濾波器理論應(yīng)用于有源噪聲控制系統(tǒng),提出了著名的濾波-X最小均方誤差算法(Filtered-X Least Mean Square, FX-LMS)。
圖2所示為AANC系統(tǒng)的控制框圖,其中,Hr(z)、Hs(z)和Hp(z)分別為參考通道、次級(jí)通道和初級(jí)通道傳遞函數(shù);p(n)為初級(jí)聲源信號(hào);x(n)、d(n)分別為參考信號(hào)和期望信號(hào),y(n)為濾波器輸出次級(jí)信號(hào),s(n)為誤差麥克風(fēng)拾取的次級(jí)聲場(chǎng)信號(hào),e(n)為誤差信號(hào)。各信號(hào)間存在如下關(guān)系:
x(n)=p(n)*hr(n)
(1)
d(n)=p(n)*hp(n)
(2)
y(n)=WT(n)X(n)
(3)
s(n)=y(n)*hs(n)
(4)
e(n)=d(n)+s(n)
(5)
其中:*表示卷積。根據(jù)最小均方差(LMS, least mean square)準(zhǔn)則,將圖2所示控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為:
J(n)=E[e2(n)]
(6)
根據(jù)最大梯度法原理可濾波器權(quán)系數(shù)[1-2]的迭代公式為:
W(n+1)=W(n)-2μe(n)r(n)
(7)
式中,μ為控制算法收斂速度的收斂系數(shù)。

圖2 自適應(yīng)前饋有源控制系統(tǒng)控制框圖
軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體組成如圖3所示,主要由機(jī)艙噪聲環(huán)境模擬子系統(tǒng)和艙內(nèi)噪聲有源控制子系統(tǒng)等兩大子系統(tǒng)組成。

圖3 機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體構(gòu)成
機(jī)艙噪聲環(huán)境模擬工作是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的重點(diǎn)內(nèi)容。考慮到實(shí)際情況下軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的噪聲主要是由于艙外兩側(cè)機(jī)翼下方的螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生振動(dòng)噪聲通過機(jī)翼和機(jī)艙壁傳播而導(dǎo)致,所以機(jī)艙噪聲環(huán)境模擬也相應(yīng)地分為機(jī)艙噪聲空間環(huán)境模擬和噪聲源模擬兩大部分。鑒于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目的是用來驗(yàn)證自適應(yīng)有源噪聲控制技術(shù)對(duì)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)所誘導(dǎo)的機(jī)艙內(nèi)部低頻噪聲的消聲有效性,為降低噪聲環(huán)境模擬子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工作的復(fù)雜程度,經(jīng)深入分析后決定本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅對(duì)運(yùn)輸機(jī)一側(cè)螺旋槳工作時(shí)誘導(dǎo)噪聲場(chǎng)進(jìn)行模擬。因此,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)艙噪聲環(huán)境模擬工作主要集中在機(jī)艙噪聲空間環(huán)境模擬和一側(cè)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作誘導(dǎo)噪聲模擬兩個(gè)方面。其中,機(jī)艙噪聲空間環(huán)境模擬相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單,主要是構(gòu)建一個(gè)與實(shí)際運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙尺寸大小較為接近的封閉空間;而螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作誘導(dǎo)噪聲的模擬工作相對(duì)而言難度較大,主要原因是實(shí)驗(yàn)室條件下難以采用實(shí)際的飛機(jī)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源的有效模擬。為解決此技術(shù)難點(diǎn),項(xiàng)目組基于對(duì)該型運(yùn)輸機(jī)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)誘導(dǎo)噪聲傳播路徑和特點(diǎn)的深入分析,最終采用了“激振器+艙壁板”的技術(shù)方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)誘導(dǎo)噪聲源的模擬。
機(jī)艙噪聲環(huán)境模擬裝置的總體布置情況如圖3所示。根據(jù)所要消聲的某型軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙內(nèi)部空間情況,選取一間具有近似空間尺寸的實(shí)驗(yàn)室房間來模擬機(jī)艙空間環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室房間的長(zhǎng)、寬、高分別為17.5、5和4.2米。在實(shí)驗(yàn)室房間的長(zhǎng)邊一側(cè)墻壁靠前部的下側(cè),開出一個(gè)寬1.8米、高3米的墻洞,用來安裝由“激振器+艙壁板”組成的螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)誘導(dǎo)噪聲源模擬裝置。噪聲源模擬裝置如圖4所示,主要由一塊寬1.55米、高2.7米的真實(shí)軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙艙壁板和安裝在艙壁板外側(cè)的Brueel&Kjaer 4284型激振器組成。激振器的激振頻率和激振振幅由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)該型運(yùn)輸機(jī)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速及所導(dǎo)致的艙壁振動(dòng)振幅大小情況設(shè)定,激振器通過以不同設(shè)定頻率和振幅對(duì)艙壁板進(jìn)行激振作用,完成對(duì)常用工作轉(zhuǎn)速下飛機(jī)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)誘導(dǎo)噪聲的模擬。為滿足激振器工作時(shí)艙壁板與房間墻壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)的需要,艙壁板采用彈性連接元件與固連在房間墻壁的一個(gè)支撐框相連。為監(jiān)測(cè)模擬機(jī)艙內(nèi)部的噪聲水平變化情況,以便于對(duì)有源消聲系統(tǒng)的消聲效果進(jìn)行對(duì)比,在模擬機(jī)艙房間內(nèi)部四周墻壁上安裝有18個(gè)監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)。監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)的平面安裝位置如圖3所示,離地面高度2米。由控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和消聲陣列等組成的消聲系統(tǒng)布置在房間內(nèi)靠近噪聲源模擬裝置附近,其中消聲陣列安置在靠近艙壁板內(nèi)側(cè)的正對(duì)面。

圖4 噪聲源模擬裝置
在進(jìn)行機(jī)艙噪聲環(huán)境模擬時(shí),首先由控制計(jì)算機(jī)根據(jù)需要設(shè)定激振器頻率和振幅,所輸出控制信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)激振器,激振器與艙壁板的相互作用產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲;然后,由監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)組對(duì)房間內(nèi)部空間的噪聲水平進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果送控制計(jì)算機(jī);控制計(jì)算機(jī)依據(jù)式8對(duì)房間內(nèi)部的平均噪聲水平進(jìn)行計(jì)算,并視情對(duì)激振器設(shè)定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)機(jī)艙內(nèi)部聲場(chǎng)的有效模擬。
(8)
其中:Li為第i只監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)所測(cè)得聲壓級(jí)。

圖5 有源消聲控制子系統(tǒng)原理圖
艙內(nèi)噪聲有源消聲控制子系統(tǒng)的原理組成如圖5所示,主要由噪聲信號(hào)采集裝置、消聲執(zhí)行機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)控制裝置等模塊組成。噪聲信號(hào)采集裝置主要由監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)、誤差麥克風(fēng)及相應(yīng)的前置放大器等組成,監(jiān)測(cè)麥克風(fēng)負(fù)責(zé)測(cè)量模擬機(jī)艙內(nèi)部的平均聲壓級(jí),對(duì)有源消聲系統(tǒng)的消聲效果進(jìn)行監(jiān)測(cè);誤差麥克風(fēng)負(fù)責(zé)拾取特定空間位置的初、次級(jí)聲場(chǎng)干涉結(jié)果,并將誤差信號(hào)發(fā)送給控制裝置。消聲執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由功率放大器和次級(jí)揚(yáng)聲器組成,負(fù)責(zé)根據(jù)控制器指令形成相應(yīng)的次級(jí)聲場(chǎng),對(duì)初級(jí)聲場(chǎng)進(jìn)行干涉抑制。自適應(yīng)控制裝置本質(zhì)上是一個(gè)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理裝置,負(fù)責(zé)自適應(yīng)消聲控制算法的運(yùn)行和控制器參數(shù)的刷新等使命,主要由控制計(jì)算機(jī)、A/D與D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換器、DSpace信號(hào)處理裝置、采樣保持器、濾波器等組成,其中,控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行管理和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存;A/D與D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換器完成模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;DSpace信號(hào)處理裝置承擔(dān)基于自適應(yīng)算法的高效率數(shù)字信號(hào)處理;過濾器和采樣保持器完成模擬輸入信號(hào)的過濾、采樣和保持。
對(duì)于次級(jí)揚(yáng)聲器和誤差麥克風(fēng)的布置問題,考慮到機(jī)艙安裝位置的可行性,本文在大量的實(shí)驗(yàn)比較之后采用了“揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)對(duì)”的形式[3],誤差麥克風(fēng)安裝在次級(jí)揚(yáng)聲器的側(cè)方,如圖6所示。基于聲學(xué)控制技術(shù)中的“隔音屏(Acoustic Barrier)”原理,由多個(gè)均勻布置的“揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)對(duì)”組成消聲陣列,利用消聲陣列工作時(shí)產(chǎn)生的次級(jí)聲場(chǎng)對(duì)初級(jí)聲場(chǎng)進(jìn)行干涉抑制[3]。消聲陣列中所配置的“揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)對(duì)”數(shù)量需要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化確定,如果數(shù)量過少,會(huì)影響最終的消聲效果;如果數(shù)量過多,則不僅會(huì)帶來布置上的問題,而且還會(huì)給控制系統(tǒng)帶來過高的要求。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建過程中,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和比較,最終采用了由4行3列共12對(duì)在陣列支架上均勻分布“揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)對(duì)”組成消聲陣列,如圖6所示。

圖6 有源消聲控制子系統(tǒng)原理圖
根據(jù)該型軍用運(yùn)輸機(jī)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的常見運(yùn)行工況,分別選取83 Hz、120 Hz、166 Hz和194 Hz四種頻率的噪聲開展消聲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌▋蓚€(gè)方面:1)驗(yàn)證所搭建的消聲系統(tǒng)對(duì)不同頻率噪聲的消聲有效性;2)分析初、次級(jí)聲源間距對(duì)消聲效果的影響。
實(shí)驗(yàn)步驟為:
1)設(shè)定待消聲的噪聲頻率;
2)按照設(shè)定間距安放好消聲陣列(經(jīng)過分析,選擇4種初、次級(jí)聲源不同間距值進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別為0.22、0.29、0.36和0.44米。);
3)采用TSP(time stretched pulse)方法建立次級(jí)通道模型[1,9];
4)建立待消除噪聲的模擬聲場(chǎng);
5)測(cè)量模擬機(jī)艙內(nèi)部的平均聲壓級(jí);
6)啟動(dòng)有源消聲系統(tǒng),對(duì)噪聲進(jìn)行控制;
7)測(cè)量消聲系統(tǒng)啟動(dòng)后的機(jī)艙內(nèi)部平均聲壓級(jí);
8)改變?cè)肼曨l率,重復(fù)上述步驟。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,圖中橫坐標(biāo)代表初、次級(jí)聲源的設(shè)定間距,s1、s2、s3、s4分別表示0.22、0.29、0.36和0.44米4個(gè)不同的間距值;縱坐標(biāo)Lred表示消聲系統(tǒng)啟動(dòng)后的消聲效果。從圖7可知,所設(shè)計(jì)的機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取得了較好的消聲效果,對(duì)于所設(shè)定頻率噪聲的最佳消聲效果均達(dá)到10 dB以上,尤其對(duì)頻率低于120 Hz的低頻噪聲消聲效果均達(dá)到了20 dB以上。
根據(jù)某軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙艙內(nèi)低頻噪聲消聲的需要,設(shè)計(jì)和

圖7 有源消聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)現(xiàn)了一套機(jī)艙有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出如下結(jié)論:
1)有源消聲技術(shù)是消除機(jī)艙等軍用平臺(tái)艙室空間低頻噪聲的有效手段,通過優(yōu)化AANC系統(tǒng)設(shè)計(jì),可望取得可觀的消聲效果。
2)隨著噪聲頻率的升高,有源消聲效果會(huì)逐漸變差。
3)AANC系統(tǒng)中初、次級(jí)聲源間距對(duì)消聲效果的影響隨噪聲頻率的升高會(huì)逐漸加大,在進(jìn)行AANC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮。
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Design and Realization of an Experimental Active Noise Control System in Cabin of Military Transporter
Kong Qingfu, Qian Chao, Zi Yinuo
(Department of Scientific Research, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)
In order to test the validity of active noise control technique in the area of low frequency cabin noise reduction of military transporter, an experimental active noise control system is designed and realized in the paper. Method of shaker plus fuselage panel is adopted to simulate the inner induced noise of the cabin caused by propeller. An adaptive active noise control system based on fore-feed structure is designed to build the system, in which the FX-LMS algorithm is introduced in design of the controller. A set of monitoring microphones are used to monitor the effect of noise reduction. The experimental target is well reached according to experimental results. It also shows that space between primary and secondary loudspeakers has an important influence on the effect of noise reduction.
active noise control;adaptive system;cabin; low frequency noise
2017-03-28;
2017-05-22。
孔慶福(1973- ),男,湖南長(zhǎng)沙人,博士,高級(jí)工程師,主要從事智能軍用裝備方向的研究。
1671-4598(2017)12-0103-03
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.027
TB535
A