| 单词 | 有源消声技术 |
| 释义 | 【有源消声技术】 随着近代工业的发展，噪声污染(特别是低频噪声)已越来越严重。对于中、高频噪声的控制，采用吸声和隔声构件是较为有效的，但对于低频噪声，则很难通过吸声或隔声材料来抑制。因为这种被称为“无源法”的材料，若用于低频噪声的吸声或隔声，由于其衰减性能随频率下降而变差，有时还无法实现。而“有源法”消声技术，则根据声波干涉原理，通过产生一个和噪声源所发生的波幅相等、相位相反的“镜象波”，两者相互作用，合成为零，从而抵消声源所发出的噪声。这种消声技术在近期取得了明显的发展，并已形成了极有前途的产品和产业。 有源消声最早是由美国Paul、Lueg于30年代中期提出的。他主要根据Yong氏干涉原理，提出了利用声波相消性干涉达到降噪的目的。他提出两种消声结构：其一为一维管道中单频简谐波消声结构，其传声器为拾取初级源声波信号S1，经放大器A放大后，输入次级源LS，以产生与其所处初级场声波幅相等、相位相反的声波S2，从而在管道下游实现声抵消。S1及其反相波S2，是通过调节L=nλ(n=1，2…)来实现的。所以，消声只是在某一单频上有效，而声音反馈引起的反射驻波，也使传声器拾取信号成为频率的函数，这都给宽频带消声带来困难。其二为空间点噪声源辐射的消声结构，主要是由于声反馈的存在，使消声性能受到限制。因此，在当时这种设想并没有获得实际的应用和进一步的研究。以后，虽然各国通过一系列的实验，试图用电子学、控制技术对上述系统作一些改进和变化，如1953年美国H．J．Slson等人提出的“电子吸声器”并付之使用，应用于低频噪声较强的固定劳动岗位上人的头部附近。但实际应用成功的却不多。总之，要使有源消声器获得良好的效果，必须满足3个条件：(1)有源声器的传声器、扬声器是单指向的，传声器只接受来自声源方向的声波，扬声器只向下游辐射声音。(2)在要求消声的频带内，传声器、扬声器的频率响应，要求严格线性(平直)。(3)设单指出性传声器和扬声器之间的距离为d，则相位差为Kd=2πd／λ(K为波数，λ为波长)。不同频率声波的相位差不同，设计一个移相器，对不同频率的声波都能得到补偿。从而使单指向性声源幅射的噪声，在所有的频率，与原始噪声相们相反。由于电声技术的不断发展，前两项要求较易做到，而第3项则尚难达到。随着近代数字技术的引入，幅频特性的补偿技术、FFT技术、数字滤波、数字一模拟波形合成等与有源消声结合，使前述第3项得到实现。1983年法国V．Martin等人，在细管道(16cm×8cm)中，用数字－模拟配合的方法，对传声器输入的信号进行频响补偿，在80～2000Hz范围内，得到约15～30dB的消声效果。而日本的M．Takahashi等人，除采用上述方法外，还设计了具有两个传声器的信号采样系统，以增强实用性。DSM消声系统，两个传声器与次级声源等距，并分别置于上、下游，其输出信号相减后，经数字滤波等补偿馈给次级源L．S。这样，在下游便得到较宽频带的消声。应用于管道轴流风扇噪声等控制的实验结果表明，这种系统具有较好的实用性并显示了数字技术在展宽频带方面的有效性。LMS自适应技术在有源消声中的应用，由美国贝尔实验的J．C．BURGESS进行计算机仿真，而剑桥大学C．F．ROSS推导了管道中宽带噪声有源消声的自适应算法。经实验证实，其结果与理论值非常吻合。其原理为：在空间噪声场中布有L个次级声源，各次及声级源分别由各自的控制器控制。M个误差声传感器布设在需要消声的区域中。以这M个误差传感器拾取信号的均方和最小值为原则，调节L个控制器的参数，达到空间有源消声的目的。但目前有源消声的自适应控制工作，均局限于管道中或空间某一观察点处以及局部小范围的噪声控制。中国刘春跃采用高速计算机处理芯片TMS320，实现自适应小空间有源消声系统和算法，使消声区域传感器处的单频和宽频带噪声，分别衰减39dB和17．3dB。微电子技术的发展和机算机技术的应用，使上述技术可较方便地实施。如FFT、数字滤波、波形合成等都有现成的计算机软件可供选用。在使用计算机进行有源消声中，除其软件主机外，还要增加外围部件如A／D、D／A和功放、同步信号发生和检测电路等。美国消除噪声技术公司(NCT)(1987年)采用一种过程控制微机系统，可抑制烟囱的废水噪声及机器引起的振动噪声。这种NCT2000系统，能降低发动机、柴油机噪声达15～30dB，结构和小型个人计算机相似，主要由分析、预测波形结构、镜象波合成、功率放大等几个部分组成。在发动机的吸气口或排气口振源处，安装一个或一组扬声器。此外，还附有一个测量噪声用的传声器和其他同步探测器等。该系统能测出振动和噪声的频率和强度，经过滤波分析和演算，波形合成器及功率放大器在同步信号的控制下，发出与原波形相反的抗噪镜象波信号，使振源的噪声振动在向周围传播之前得以消除。该仪器具有反应迅速、频带宽、容量大、无需人工调节等特点。由于传声器距噪声源非常近，它能控制由振源发出的低频噪声，而不影响附近人们的交谈和报警装置发出的声音。该仪器可根据需要做成单独设备，价格较为昂贵。其它如威斯康星尼尔逊工业公司的消除工业泵、鼓风机噪声的dX30型消声器，结构与上述仪器相似。可将抗噪镜象形成的声音，送入鼓风机风箱，以消除噪声。有源消声技术发展趋势为：(1)小型化。对人耳的局部消噪，就技术、功耗而言，已可实现。NCT公司推出一种耳机式消声系统，耳机内包含微型受声器和扬声器。据称，对3000Hz以下频率范围的噪声，可降低40dB以上。该系统一端开口，并具有较好的选择性。在抗噪的同时，能允许听见谈话等，系统分有线和无线两种，具有携带方便，易于使用等优点。(2)高速化。由于“有源法”对噪声波进行实时处理，尽管噪声频率不高，但仍须考虑噪声处理的时间问题。这就要求使用的计算机芯片速度越快越好。目前的芯片，使处理的噪声波频不高于500～600Hz，使对某些场合的噪声抑制难以实现，有待于元器件行业提供性能更为优良的高集成芯片。中国在业已成熟的一维系统和局部小空间，进行某些开发性研究，以期获得一些有应用价值的成果和产品，并使之完善以加入国际研究行列。在噪声日益危害人们健康的今天，这一工作对建筑、纺织、动力等部门职工的工作条件的改善，将会产生不可低估的社会和经济效益。(华东师范大学郑念祖撰) |
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