有源消声技术与应用

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1、有源消声技术与应用摘要：近十几年来，有源消声技术成为噪声控制领域一个多学科交叉、渗透、延伸的研究热点，它以其体积小、重量轻、低频消声效果好等优点获得普遍的关注。本文简述有源消声的基本原理，对有源消声理论研究、实现技术、产品应用三个方面的国内外研究现状、进展和难点进行了详细的阐述和分析，较为完整地展示了当前该研究领域的全貌，最后进一步分析了有源消声走向工程化过程中存在的一些主要问题，提出了有源消声技术的几个重点发展方向。关键词：噪声控制；有源消声；降噪；自适应控制噪声作为环境污染的第三大公害，一直困扰着人们。研究[1]表明，噪声在50~60dB范围，会使人感觉烦恼

2、，在60~65dB，会使烦恼度大大增加，在65dB以上，则人体健康有可能受到危害。对于厂矿企业的工作人员，应保证不超过85dB。噪声影响人们的身心健康、损伤听力及相关的系统、降低工作效率，严重的甚至造成安全事故。因此，人们探索出“多管齐下”的噪声综合治理方法[2][3]：首先是从声源着手，改进结构设计，减少声源发出的噪声等级，这是最为有效的方法，但有时由于技术、成本等方面的限制，还不能从根本上杜绝噪声源；其次是隔声、吸声等被动消除噪声的方法（也称为无源法），它对高频噪声的消声效果很好，但是对低频噪声效果不明显，而且消声装置体积庞大，安装维护困难；其三是有源消声技

3、术，它对低频噪声效果很好，相对被动消声方法而言，还具有系统小、重量轻、控制易等优点，随着现代控制技术的发展和控制芯片成本的下降，有源消声的实现也越来越容易，已成为噪声控制的一个研究热点。有源消声[3]也称有源降噪、有源噪声控制、有源噪声抵消、有源声衰减，英文名称也有多种，含义相差不大。目前学术界用得最多的还是有源消声（ANC）这一说法。就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，通过抵消声源（次级声源）产生与被抵消声源（初级声源）的声波大小相等、相位相反的声波辐射，相互抵消，从而达到降低噪声的目的[2]。有源消声的概念是由德国人PaulLueg提出，1934年

4、申请专利，1936年撰文阐明其基本原理，但是由于电子技术等方面的限制，制造不出所需的电子控制系统，因此该技术长期得不到发展，直到60年代末，随着电子技术的发展，ANC的研究才又重新兴起。有源消声的研究主要分为有源消声的理论研究、实现技术和产品应用三部分。下面本文将就这三个方面的国内外研究现状和难点分别进行述评。一．有源消声理论研究有源消声理论研究可以大致分为四个方面：有源消声机理的研究、管道有源消声的理论研究、空间有源消声的理论研究、次级声源和传声器的最优化研究。有源消声的机理研究随着有源消声研究的发展，对有源消声机理的认识要求也越来越迫切，希望以此从声场理论方

5、面对有源消声给予指导，另外消声效果的进一步提高，也有待于人们对有源消声机理的更为深刻的理解。一般认为存在三种消声机制：声辐射抑制机制、声能量吸收机制、抗性能量存储机制。不过除了能量吸收机制在管道有源消声中得到验证之外，其余两种机制在学术界尚未统一认识[4]。管道中的噪声控制，以往主要采用阻性和抗性消声器的方法：阻性消声器对低频噪声效果很差；随着噪声频率的降低，抗性消声器的体积变得庞大，造价随之增加。管道中安装了上述两种消声器后，会产生一定的阻力，引起压力损失，影响出力和供风，给风机增加额外的负载，反而使风机的噪声升高。有源消声在低频段性能优越，以很小的体积就可以

6、获得很好的消声效果，而且不会造成气流的压力损失。这是ANC率先在管道中得到应用的一个重要原因，另外一个原因就是在管道中，一般均假设初级噪声频率小于管道截止频率，则初级声场就是平面波声场，因而声场分析就大大简化了。文献［3］从理论上研究了管道有源消声的原理，得出结论：当初级声源和次级声源由无限远处逐步靠近时，能量机制逐渐以空间转移的形式向多极子场过渡，对于单次级声源管道有源消声，当次级声源为单指向性声源时，消声机制主要表现为对次级声源能量的吸收。文献［5］、［6］对管道有源消声的理论分析模型作了详细的探讨，建立了气流管道有源消声器声学性能分析的理论模型，该理论模型

7、对气流管道的有源消声器的设计具有指导作用。二．有源消声实现技术有源消声研究的最终落脚点在应用，因此ANC实现技术的研究是ANC研究领域的重点，其中的核心内容是有源消声控制器的自适应控制算法。目前ANC系统实现结构主要分为基于模拟电路的简易ANC系统、基于微机的通用ANC系统。这二种结构形式各有特点。2.1基于模拟电路的有源消声控制器早期的有源消声控制器是由模拟电路来完成信号处理任务，它通过求取声学通道传递函数，建立数学模型，然后依据经典控制理论，采用低阶模拟电路进行控制［8］。模拟电路有源消声控制器的优点是成本低、体积较小，但是模拟电路系统的不足很明显：消声效果

8、和性能受限制，系统运行不