管道有源消声实验系统的阻抗控制研究

　　有源消声的主要思想是利用声波的相消性干涉来达到降低噪声的目的[1]。有源消声装置不但体积小,在低频段有很好的消声效果,而且对气流的阻力小,可适合于对发动机等排气噪声的控制,因此在近年来越来越受到人们的重视。

　　在对管道有源消声机理的解释方面,大都采用声波的相消性干涉原理。在理想条件下,可达到完全消声,然而实际却很难实现。因此有必要对有源消声系统的响应特性进行分析,以评价其实际消声量。在实际情况下,管道一般为有限长,在末端存在声反射现象[2],采用干涉原理分析有源消声系统的实际性能是很烦琐的事情。

　　当管道某一位置声阻抗发生突变时,在该点部分声波被反射回去。特殊情况下,当对应某一频率的声阻抗为零时,会发生全反射现象。对有源消声的分析结果表明[3],次声源的作用可被认为是一个阻抗调节器。当达到理想消声效果时,次声源既不向外辐射声能,也不吸收外界声能。基于以上分析,本文从控制声阻抗的角度对有源消声机理作了详细的分析,并定性分析了有源消声系统的响应特性。管道自适应有源消声台架的实验结果表明,在主频上取得了降噪40 dB以上的效果。

　　1　管道有源消声系统阻抗控制原理

　　管道有源消声结构见图1,次级扬声器固定于管道侧面。管内特性阻抗以Z表示。在实际情况中,管末端存在声反射,该位置声辐射阻以Rr表示。次级扬声器所处位置以a表示,其与管末端距离为La。次级扬声器的内部机械阻抗为Zs,加在次声源的驱动力为ps。

　　在没有安装次声源的情况下,假设a位置的声阻抗为Za,根据声传输线阻抗转移公式,有

　　假设次声源a位置的声压为pa,从管道上游“流入”a的声体积速度为Ua,“流入”次声源的声体积速度为Us。管道有源消声系统的等效声—电类比线路见图2。

　　Zseq代表a位置由于次声源的存在而衍生出的等效声阻抗支路

　　假设a位置处入射波以pin表示,反射波以pr表示,则pa为

式中,pas为次声源辐射声场在a点的声压。

　　在没有安装次声源时,Zseq为无穷大,这时a位置声压为

　　当pa=0,a位置等效声阻抗Zseq=0,插入损失达到无穷大,达到了理想消声。由式(7)可知,这时有pas=-pa0,即管道内该位置噪声声场与反噪声声场大小相等、相位相反。

　　从图2的有源消声系统等效声-电类比线路可以看出,当a位置等效声阻抗Zseq=0时,相当于管道声传输线路被短路,因此达到了最佳消声状态。在一般情况下,Zseq不可能总保持为零,所以有源消声系统的消声量取决于次声源位置的等效声阻抗以及管内的阻抗分布特性。