有源消声技术与应用述评

　　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55~60 dB范围,会使人感觉烦恼,在60~65dB,会使烦恼度大大增加,在65 dB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[1][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, Passive Method),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[2][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(Active Noise Control, ANC)这一说法。ANC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Paul Lueg提出, 1934年申请专利, 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。

　　1　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。

　　1·1　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]。有源消声最早的声学理论基础是建立在惠更斯原理上的Krichhoff-Helmholz定理[3]:它的特点是以三极子声源为次级声源,在封闭曲面上连续布放次级声源,这在实际中是不可能的; JCM理论指出任意一个声源的噪声辐射均可以用一个闭合曲面上连续分布的次级声源予以控制,闭合曲面可以包围声源,也可以将其排除在外,也就是说,它既可控制曲面外的无限空间声场,也可以控制曲面内的有限区域; P·A·Nelson等提出了以单极子声源为次级声源、以点声源的辐射功率为代价函数的辐射功率模型,该理论推动了有源消声的工程应用[3]。国内对各种声学环境中的有源消声机理也开展了大量研究。文献[5]认为当初级通道声时延时,有源消声等效于滤波问题,而当初级通道声时延小于误差通道声时延时,有源消声等效于预测问题,这两种情况下消声机理是不同的;文献[6]认为对于弹性结构封闭空间,当结构-声腔耦合较弱时,次级声源基本上只能抵消声腔模态,但结构-声腔耦合较强时,次级声源不但能抵消声腔模态,而且对抵消与声腔模态耦合良好的结构模态辐射声也有作用;文献[4]对平面噪声场中单极子源、偶极子次级声源辐射声功率最小时的空间有源消声机理进行了研究,指出尽管此时次级声源是“能量吸收”结构,但是仍然存在空间能量转移现象。