有源声学结构系统配置优化设计

    1 引言

    结构声辐射是噪声产生的一种主要方式, 在实际的噪声控制工程中占据了相当的比例。一般情况下, 通常采用有源力控制和有源声控制两种方式[1]对结构声辐射进行控制。在有源噪声控制系统中, 无论是采用有源声制还是有源力控制, 系统的配置( 次级源和误差传感器的个数和位置)都强烈地依赖外部环境( 噪声源的分布方式、声学空间类型等), 使系统的通用性很差。

    由于有源力控制与有源声控制在实际的噪声控制过程中存在着种种不足之处, 并且随着 20 世纪 90 年代初分布模态扬声器(DML) ( 亦称为平面扬声器或平面声源) 的研究获得成功[2], 人们提出了有源声学结构的概念并进行了大量的研究[1,3~6]。有源声学结构(Ac-tive Acoustic Structure, AAS) 是以分布式声源( 称为次级结构) 为载体, 它既能产生次级声场, 又能检测误差信号反馈至控制器达到特定的控制目标。在 AAS中, 系统的配置优化设计问题显得尤为重要, 这其中包含两个方面的问题: 一是在 AAS 中, 次级结构的最优布放(次级结构的安放位置、个数等)是一个核心问题,因为它决定了系统能否达到降噪的效果和可能取得的最大降噪量; 二是在通常情况下, AAS 系统一般采用自适应控制方式, 这种控制方式要求系统能够获得误差信号, 因此, 在 AAS 系统中选择何种误差传感策略, 以及在此误差传感策略下如何布放误差传感器就显得尤为重要。另外, 如何实现有源声学结构, 即次级声源与误差传感器的实现, 这直接决定了 AAS 的实际工程应用。笔者从上述 3 个方面探讨了有源声学结构系统配置及系统实现问题。

    2 有源声学结构理论模型

    在 AAS 中, 设初级结构为位于无限大障板中的矩形平面(称为初级板); 为了对初级声场进行有源控制,引入 L 个分布式平面声源作为次级结构。实际中, 平面声的发声原理和具体构造是多种多样的, 但总可以等效为外力激励下的结构振动声辐射。因此, 不失一般性, 这里将作为次级结构的分布式声源等效为简支矩形平板(称为次级板)。设所有次级板位于同一平面, 与初级板平行, 与初级板的间距远小于声波波长, 同时假定次板与初级板之间没有振动的传递, 次级板的机械阻抗远小于初级板。

    在 AAS 的研究中, 首先需要计算初、次级板的辐射声功率。将该弹性板分割成面积相等的 N 个振动面元( 面元的几何尺寸远小于声波波长), 各面元面积为ΔS, 则弹性板的辐射声功率可表示为[1]

W=VHRV (1)

    其中 R=ΔSRe(Z)/2, Z 为 N×N 阶传输阻抗矩阵, V 为初、次级板总的振速列矢量。于是, 初、次级板总的辐射声功率可表示为