自适应声学结构声压误差传感策略

    引　言

    为了控制结构振动产生的低频噪声,通常采用结构声有源控制(Active Structural Acoustic Con-trol,简称ASAC)技术[1],该技术在实际工程中的应用进展不大,主要原因在于:实际中的结构通常是复杂结构,振动状态千差万别,要求的次级力源类型、个数和布放位置需要特别设计,因此对于不同的结构通用性很差,这给它的推广带来严重限制。

    为此,人们提出构建自适应声学结构(AdaptiveAcoustic Structure,简称AAS)的方案解决ASAC技术的通用性问题[2～5]。AAS以分布式声源或特定的振动结构(均称为次级结构)为载体,既产生次级声场抑制初级结构声辐射,又通过镶嵌在其中或安装在附近位置上的振动或声学传感器检测误差信号反馈至控制器达到最佳的控制目标。AAS一般不直接与初级结构相连,自成体系,适用于复杂结构低频辐射声的控制,可制成通用的有源控制模块[3]。然而,在AAS研究中,误差信号的检测是一个关键性的结构特点,它不能像一般的有源噪声控制那样在远场采集声学参量;º近年来,在ASAC研究中,人们研究了以振动量传感为主的近场传感方法[6]。但是,在AAS中,初、次级结构是分离的,位于次级结构上的振动传感器不能同时检测初、次级声场总的辐射声功率,并且作为次级结构的大部分分布式声源的振膜非常薄[4],振动传感装置的加入不可避免地要影响其振动响应,同时安装也极不方便。

    文[5]提出了利用次级结构表面声压作为误差信息构建有源控制目标函数,实现结构声辐射有源控制的方案。该方案的可操作性强,有源控制效果理想,但在实际应用前需要从理论上解决一个重要问题。在文[5]中,作为误差信息的声压变量是结构表面声压,而实际中的误差传感器与结构表面必然有一段距离,导致所测得的声压不是真正的结构表面声压,而是所谓的近场声压。从声学测量的角度来看,结构声辐射的近场历来是一个令人望而生畏的区域,因为近场中声压起伏大,近场中存在无功声强。因此,本文研究结构表面声压与近场声压构造有源控制目标函数引起的差异并寻求克服的办法。

    1　近场声压与结构辐射声功率

    假定初、次级结构均为镶嵌在无限大幛板上的平板,其间距远小于所考虑的声波波长[3],因此,可将初、次级结构考虑为同一弹性平板。将弹性板均匀分割成N个振动面元(面元的分割保持其几何尺寸远小于所考虑的声波波长),各面元中心的声压组成的N阶列矢量记为P,则整个平板的振动辐射声功率可表示为[4,7]

W=P^HG1P(1)

    式中　G1=$SRe(Y1)/2,Y1为传输导纳矩阵,是矩阵Z1的逆,而Z1为N×N阶传输阻抗矩阵[4]。式(1)说明,利用结构表面上的声压可以计算辐射声功率。文[5]正是基于这一原理,提出利用声压参量构造有源控制目标函数实现结构声辐射有源控制。然而,公式(1)中的声压是声源面上的,而实际测量时的声压传感器只能做到尽量接近声源面,所测得的声压是所谓的近场声压。由于近场声压的复杂性,直接用近场声压代替表面声压实施有源控制显然会带来差别,这种差别的大小,正是本文所要研究的。