智能结构声控制研究的新进展

　　随着社会的进步,振动和噪声问题越来越受到重视.人们在噪声的被动控制(passive noise control)机理和工程应用上也已经取得了许多成果,尤其在中、高频噪声控制方面,其效果是令人满意的.但是被动控制技术在低频段噪声控制效果甚微、降噪系统体积大、份量重;工艺和维修不便.

　　对应于被动控制,另一种先进的技术是噪声主动控制技术(active noise control,ANC).它具有中低频段噪声控制效果好,系统轻巧等优点,可弥补被动控制方法的不足,具有很好的潜在工程价值.所谓的噪声主动控制就是以人为产生的所谓次级声波去与原来的初级噪声相叠加抵消,以达到总噪声下降的目的.这个概念早在1933年由德国学者Lueg首先提出.由于当时科技水平尤其是硬件水平所限,Lueg的想法一直未能实现.从20世纪80年代开始,随着控制理论和信号处理技术的发展,ANC的研究蓬勃展开,在S. J. Elliot[1], C. R.Fuller[2]等的文章中详细阐述了这方面的研究.目前,已经出现了基于ANC技术的商品化产品,如主动式消声耳机等.

　　随着ANC研究的深入,人们发现对于结构振动噪声不仅可以采用声控制法(ANC)控制噪声,而且也可以采用力控制法控制噪声,即采用力执行机构(如激振器、压电陶瓷等)激励结构产生次级振动,以抵消原结构的振动,达到降低结构振动声辐射目的,这种方法被称为ASAC(active structure a-coustic control)[3].力控制法不仅可以有效控制结构振动产生的噪声,而且也可以控制其他声源产生的噪声(如流体噪声等),这正是目前的研究热点.由于力控制法采用了力执行机构,因此可以利用主动结构、智能结构等所带有的力执行机构控制噪声场.1999年C.GuiGou等[4]完成了对塞斯那小型飞机驾驶舱的ASAC实验.他们从受气流激励最大的驾驶舱顶部壁板提取参考信号,在顶部壁板粘贴Foam-PVDF作为执行机构,获得了良好的降噪效果;1999年Jeffrey S.Vipperman[5]用压电传感作动器进行了多通道ASAC实验;2000年S.M.Hirsch[6]等采用新颖的力执行机构,Segmented Panels和Seg-mentedTrim Panels进行了主动内部声场控制研究和飞机机舱内部声场控制研究.

　　本学科组在多项国家自然科学基金和江苏省基金支持下,在这一研究领域中,也取得了令人鼓舞的成果并形成了自己的特色[7~11]:基于分布参数控制系统理论及流体动力学、固体动力学理论,创新性地建立了基于声压平方和最小的结构声控制模型,并将其纳入了“标准控制框架”;确定了控制系统设计应满足的稳定条件和消声条件;在理论上全面理清了振动结构中各阶模态对声场的影响;提出了基于自适应滤波FxLMS法的前馈控制算法、自校正算法和基于鲁棒H∞的控制算法;将飞机机舱、汽车车厢、船舱等封闭空间结构作为智能结构声控制的工程背景,建立封闭空间结构实验模型,完成了一系列有重要意义的实验,并取得了对单频噪声达到40 dB的降噪效果,对宽带噪声也有10dB的降噪效果.进一步研究将集中在工程应用方面.