大型飞机三维空间噪声的主动控制研究

    1　概　述

    21世纪以来,控制理论的发展,特别是微电子技术的进步,意味着在技术上可以实现噪声主动控制的硬件平台。针对一些在被动控制技术不适用或控制效果不佳的情况下,进行典型的噪声主动控制系统设计安装在工业装置中,抑制低频噪声。从这以后,噪声主动控制技术获得了迅速的发展,世界各国科学家都对此进行了广泛的研究。

    在大型民用飞机设计中,噪声太大严重影响了乘坐的舒适性[1],而大型飞机噪声一般都是宽带噪声,噪声被动控制技术对于低频噪声显得无能为力[2,3],而噪声主动控制技术是基于声波叠加原理来降低噪声,可以有效降低低频噪声,见图1,利用飞机音响系统不会增加额外质量,因此其对于提高大型民用客机的乘坐舒适性具有重要意义。

    上世纪90年代初欧盟ASANCA利用一系列固定次级声源进行主动控制,次级声源被安排在飞机的内部装饰板和天花板中。对于螺旋桨基频噪声,平均降噪量在15～20 dB之间,局部区域的降噪量高达27dB[4]。从1988年开始,有关国家的科研人员从事了一项名为“Lotus”的工程,用来降低车厢内的道路噪声,证实当Citroen-AX轿车以60 km/h行驶时,在100～200 Hz的频率范围内会有7 dB的衰减[5]。上世纪80代末有人提出在飞机或汽车的座椅上设置有源头靠,只降低乘客头部附近的噪声,实现局部噪声控制,但由于控制空间太小导致了控制效果不好。

    进入21世纪后丰田汽车在2008年5月上市的“皇冠混合动力车”中配备了先进的噪声主动控制功能,可降低从发动机传入车内的50～150 Hz沉闷噪声。用3个麦克风检测车内的沉闷噪声,使扬声器与噪声反相位振动,从而将静音性提高了5～8 dB左右。消除噪声的扬声器有3个,2个安装在左右前门上,另一个为后置低音炮,参见图2。

    本文提出了一种噪声在三维空间进行精确控制的方法,并对基于该方法设计的噪声主动控制系统进行仿真和实验验证,结果验证了该方法的有效性和可用性。

    2　基本理论

    2.1　单个次级声源控制单个噪声源

　　考虑如图3所示的噪声源和次级声源的布置中,误差位置位于很远的某处,此处的rp≈rc。假设噪声源和次级声源的距离是d,则有

　　总辐射声功率等于包围声源的球体之外的实声强的积分,运用图3所示的几何图形,声源总辐射声功率W为

    这里的r是围绕球体的半径。噪声源和次级声源共同作用时,则噪声源和次级声源的总辐射声功率可以写成