陳卓司舒舒

（1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

（2.聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 第七一五研究所，杭州，310023）

主動(dòng)吸聲技術(shù)研究綜述

陳卓1司舒舒2

（1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

（2.聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 第七一五研究所，杭州，310023）

對(duì)國內(nèi)外主動(dòng)吸聲技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了論述，分析了其中的難點(diǎn)，并給出了未來發(fā)展趨勢(shì)。

主動(dòng)控制；低頻吸聲；綜述

不管是在空氣中還是水中，主動(dòng)吸聲技術(shù)日益受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的被動(dòng)吸聲材料一般只對(duì)中高頻聲波有效，對(duì)低頻聲波而言要達(dá)到相同的吸聲效果則厚度增加，一般無法實(shí)際使用，為此人們提出了主動(dòng)吸聲的概念。

上世紀(jì)30年代，人們首次提出了噪聲與振動(dòng)主動(dòng)控制思想，DSP硬件技術(shù)和自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展則對(duì)其從理論走向?qū)嵺`起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用，并形成了自適應(yīng)噪聲與振動(dòng)主動(dòng)控制這一新的技術(shù)領(lǐng)域。主動(dòng)控制的基本思想是，利用傳感器拾取產(chǎn)生噪聲或振動(dòng)的源信號(hào)，經(jīng)合適的濾波處理后產(chǎn)生另一種噪聲或振動(dòng)，使得布放在誤差傳感器附近的范圍內(nèi)總的噪聲或振動(dòng)減小。根據(jù)是否能提供初級(jí)聲源，主動(dòng)噪聲控制分為前饋控制和反饋控制。前饋控制一般利用噪聲源的參考信號(hào)經(jīng)過濾波器得到控制信號(hào)，反饋控制則是利用誤差信號(hào)經(jīng)過濾波器得到控制信號(hào)。在空氣聲學(xué)中，初級(jí)聲源容易獲得，因此多用前饋控制；而水聲中由于無法獲得初級(jí)聲源所以多用反饋控制。但反饋控制容易出現(xiàn)發(fā)散問題，因此為了算法的穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能地采用前饋控制。

在噪聲與振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域有很大一部分研究是圍繞主動(dòng)吸聲展開的。主動(dòng)吸聲一般是指通過主動(dòng)控制來消除反射聲，從而達(dá)到減小混響或反射的目的，典型應(yīng)用包括空氣中音樂廳的主動(dòng)吸聲和水下大型目標(biāo)的主動(dòng)吸聲。由于只需要消除反射聲，而不是使聲場(chǎng)中聲壓最小，因此一般需要把反射聲分離出來。

1 兩種聲波分離方法

在很多實(shí)際應(yīng)用中，聲場(chǎng)中入射聲和反射聲是疊加在一起的，想要進(jìn)行主動(dòng)吸聲控制往往需要對(duì)入射聲和反射聲進(jìn)行聲波分離。2003年，H zhu提出兩種聲波分離方法[1]：積分法和時(shí)延法，并比較了兩種聲波分離方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

積分法如圖1所示，利用板前兩個(gè)相距幾厘米的麥克風(fēng)拾取聲壓信號(hào)p1和p2，如果兩個(gè)麥克風(fēng)之間的距離d相對(duì)于聲波的最小波長很小，便可通過近似推導(dǎo)得到入射聲和反射聲，其中pi表示入射聲，pr表示反射聲，c為聲速。

圖1 對(duì)板的反射控制系統(tǒng)

時(shí)延法如圖2所示，聲壓信號(hào)p1和p2可以分為兩部分：入射聲和反射聲。p1拾取到的入射聲和p2拾取到的入射聲之間是一個(gè)純時(shí)延關(guān)系，p1拾取到的反射聲和p2拾取到的反射聲之間也是一個(gè)純時(shí)延關(guān)系。

圖2 時(shí)延法進(jìn)行聲波分離

設(shè)

則x(t)是只與反射聲相關(guān)的信號(hào)，與入射聲無關(guān)；y(t)是只與入射聲相關(guān)的信號(hào)，與反射聲無關(guān)。時(shí)延法通過控制構(gòu)造出來的信號(hào)x(t)而不是真正的反射聲來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。

以上兩種聲波分離方法各有利弊，積分法需要使用多階高通濾波器來消除累加產(chǎn)生的偏移誤差，導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間長；好處是入射聲和反射聲可以完全分離，入射聲可以作為參考信號(hào)。時(shí)延法對(duì)信號(hào)及其一階時(shí)延進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算量?。蝗秉c(diǎn)是x(t)和y(t)不是真正意義上的入射聲和反射聲，若作為參考信號(hào)使用會(huì)導(dǎo)致次級(jí)聲源聲反饋的問題。

2 空氣中主動(dòng)吸聲研究進(jìn)展

20世紀(jì)50年代，Olson和May首次實(shí)現(xiàn)了真正意義上的有源控制系統(tǒng)“電子吸聲器”，通過調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的輸出使聲傳感器總的聲壓為零[2-3]。20世紀(jì)80年代，隨著電子、控制、計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，一些以前難以實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)變得可行，于是兼顧中高頻被動(dòng)吸聲優(yōu)點(diǎn)和低頻主動(dòng)吸聲優(yōu)點(diǎn)的混合吸聲系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。1984年，國外學(xué)者D Guicking和Lorenz首次開展了主被動(dòng)混合吸聲系統(tǒng)的研究[4]。實(shí)驗(yàn)在聲管中進(jìn)行，被動(dòng)材料為一塊多孔板，多孔板與管道末端相距一定距離，管道末端是作為控制源的揚(yáng)聲器，多孔板前的麥克風(fēng)拾取信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯笏腿肟刂茡P(yáng)聲器，還有一個(gè)麥克風(fēng)放在多孔板后作為誤差傳感器，通過主動(dòng)控制使誤差傳感器處聲壓最小。1994年Thenail等人研究了玻璃纖維被動(dòng)吸聲層的吸聲系統(tǒng)，背后為空氣腔，終端是主動(dòng)面[5]。他們研究了兩種方法，一種是誤差傳感器放置在玻璃纖維層后面，通過調(diào)節(jié)主動(dòng)面使誤差傳感器處聲壓最小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在低頻隨著頻率的增加，吸聲效果逐漸變差。另一種方法與D Guicking和Lorenz的實(shí)驗(yàn)方法相同，只是將被動(dòng)吸聲層用玻璃纖維替代，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在500~1 400 Hz范圍內(nèi)有很好的吸聲效果，如圖3所示。但這兩種方法都是用的玻璃纖維的最優(yōu)厚度2 cm，且數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明玻璃纖維厚度對(duì)吸聲系統(tǒng)影響很大。以上所有這些在吸聲材料后使聲壓最小的控制方法后來被Beyene簡(jiǎn)稱為釋壓法。

圖3 Thenail的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1997年Beyene提出了一種新的主被動(dòng)混合吸聲方法，該方法使吸聲材料背后聲阻抗與空氣特性阻抗相匹配來達(dá)到吸聲的目的，稱之為阻抗匹配法。通過使吸聲層后面的反射聲最小便可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，在100~2 000 Hz范圍內(nèi)均有較好的吸聲效果，且吸聲層厚度對(duì)吸聲系統(tǒng)影響不大[6]。1999年Smith等在Beyene的基礎(chǔ)上針對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行了更深入的實(shí)驗(yàn)研究[7]，并對(duì)釋壓法和阻抗匹配法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，同樣得出阻抗匹配法優(yōu)于釋壓法的結(jié)論。

圖4 Beyene的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2003年H zhu采用阻抗匹配法及FXLMS算法，對(duì)管道中聲波進(jìn)行了反射聲控制研究，實(shí)驗(yàn)中沒有被動(dòng)吸聲材料，結(jié)果表明，1 kHz以下反射聲吸聲效果可以達(dá)到20 dB左右，如圖5所示[1]。Cobo用一個(gè)簡(jiǎn)單的基于平面波傳播的分析模型比較了釋壓法和阻抗匹配法，發(fā)現(xiàn)釋壓法的吸聲效果比阻抗匹配法更好，但需要特定的幾何條件和材料特性[8]。

2007年Cobo等還在三維空間中進(jìn)行了主被動(dòng)混合吸聲研究，如圖6所示，主動(dòng)控制單元在混合主被動(dòng)微穿孔吸聲體的后面，由四個(gè)完全相同的獨(dú)立單元組成，每一個(gè)獨(dú)立單元都作為局部的主動(dòng)控制系統(tǒng)，微穿孔板后面的麥克風(fēng)接收聲壓信號(hào)后通過FXLMS算法激勵(lì)揚(yáng)聲器發(fā)聲，達(dá)到主動(dòng)吸聲的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于200~400 Hz范圍內(nèi)的低頻信號(hào)，通過主動(dòng)吸聲，可以把吸聲系數(shù)從0.2~0.4提高到0.72~0.75[9]。

圖5 H zhu的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 在消聲室中的混合主被動(dòng)微穿孔吸聲體的前視圖（左）和后視圖（右）

國內(nèi)沙家正于1981年最早研究了管道有源消聲問題，1990年呂廣慶研究了空間聲場(chǎng)有源聲吸收中的多極源結(jié)構(gòu)問題，1991年馬大猷開始對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)的有源控制問題進(jìn)行探討。近年來，南京大學(xué)的史東偉在空氣聲管中開展了利用吸聲尖劈作為被動(dòng)材料的主被動(dòng)吸聲技術(shù)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明在100~1 000 Hz內(nèi)吸聲系數(shù)可以達(dá)到0.98~1.00，效果非常好[10]。

圖7 控制前后吸聲尖劈的吸聲系數(shù)

3 水中主動(dòng)吸聲研究進(jìn)展

在水聲領(lǐng)域，國外從20世紀(jì)90年代中后期開始水下主動(dòng)吸聲技術(shù)研究。1992年賓夕法尼亞大學(xué)的Howarth利用兩個(gè)水聽器接收信號(hào)，一個(gè)反饋控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器實(shí)現(xiàn)反射聲波的主動(dòng)吸收[11]，如圖8所示，取得了較好的吸聲效果，同時(shí)給出了雙水聽器的間距與吸聲效果之間的關(guān)系。

圖8 雙水聽器主動(dòng)吸聲示意圖

1991年，密西西比大學(xué)的Lafleura利用DSP作為主動(dòng)控制系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理[12]。1995年美國海軍研究所的Corsaro提出了一種集成的多層結(jié)構(gòu)的主動(dòng)消聲瓦[13]，如圖9所示。該主動(dòng)消聲瓦包括振速傳感器、聲壓傳感器及發(fā)射換能器。傳感器接收聲信號(hào)并進(jìn)行聲波分離，然后通過控制器進(jìn)行主動(dòng)控制，在消聲瓦表面獲得與水阻抗相匹配的聲阻抗，從而達(dá)到吸聲的目的。該消聲瓦基本解決了多個(gè)聲學(xué)構(gòu)件集成的問題，已經(jīng)非常接近實(shí)際應(yīng)用，但仍需解決布成陣列后所面臨的諸多問題。

圖9 智能消聲瓦結(jié)構(gòu)示意圖

在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)的唐俊利用PVDF發(fā)射換能器作為次級(jí)聲源，在水聲脈沖聲管中開展了主動(dòng)吸聲實(shí)驗(yàn)研究[14]。采用時(shí)延法進(jìn)行聲波分離，對(duì)較寬頻段內(nèi)的信號(hào)均取得了較好的吸聲效果，如圖10所示，但雙傳感器和發(fā)射換能器完全分離，沒有集成在一起。

圖10 水聲聲管主動(dòng)吸聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

中國科學(xué)院噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王曉琳在水聲駐波管中開展了主動(dòng)吸聲研究[15]，采用積分法進(jìn)行聲波分離，信號(hào)形式包括單頻信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)和帶限白噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。總體上高頻段效果好于低頻段，這可能是由于在低頻段聲管底部存在二次反射引起的。實(shí)驗(yàn)時(shí)仍然使用分離器件進(jìn)行主動(dòng)控制，離應(yīng)用還有一定差距。此外他們還提出了利用矢量傳感器進(jìn)行水下主動(dòng)吸聲的設(shè)想[16]，但只進(jìn)行了仿真分析。

圖11 水聲聲管寬帶主動(dòng)吸聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

主動(dòng)吸聲技術(shù)在空氣中已經(jīng)得到一些應(yīng)用，比如主動(dòng)消聲耳機(jī)、駕駛艙的主動(dòng)消聲等，這些應(yīng)用一般集中在封閉空間中，而用于水下還有一些困難，主要體現(xiàn)在：

1）水下應(yīng)用必須采用集成器件的方式，這樣不可避免地會(huì)引入聲學(xué)構(gòu)件相互間的耦合問題，這給聲波分離帶來很多困難。

2）即使采用集成器件，但水中聲速很快，導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí)很小，需要解決主動(dòng)控制系統(tǒng)的非因果性問題，尤其是針對(duì)寬帶信號(hào)。

盡管主動(dòng)吸聲技術(shù)還存在一些難點(diǎn)，但并不妨礙技術(shù)本身的發(fā)展，目前的發(fā)展趨勢(shì)主要有：

1）針對(duì)大面積的應(yīng)用，發(fā)展多通道并行處理技術(shù)，優(yōu)化次級(jí)聲源的配置，采用最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)最大區(qū)域的主動(dòng)吸聲。

2）針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)非平穩(wěn)振動(dòng)及噪聲問題，發(fā)展寬容、快速的自適應(yīng)濾波算法，確保算法的快速收斂。

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