PDF《亥姆霍兹消声器自适应控制方法研究》

189 可调的亥姆霍兹消声器具有重要的意义.吕海峰等 [10] 采用气泡制动器改变消声器共振腔体积,实现了 对多个频率噪声的抑制,但其控制过程中需使用增 压装置,控制较为复杂.BIRDSONG C 等[11] 提出了 一种半主动的亥姆霍兹(Helmholtz)共振器,其实验 装置可以随噪声源主要频率的变化自动调节 Helmholtz 共振器的共振腔容积.普渡大学的 KOSTEK T M 等[12] 也提出了类似的自适应被动式噪 声控制策略.KOBAYASHI H 等[13] 成功地将这种自 适应控制技术应用于风扇噪声的控制.HONG Z L 等[14] 提出了将声衬铺入亥姆霍兹消声器腔体壁中, 实验表明在侧壁上安装声衬可以改变共振频率,并 且能够提供更好的吸声效果. QIU S [15] 等设计了一种 采用虹膜装置调节颈部面积的亥姆霍兹共振消声 器,该结构实现了共振频率从40~160 Hz 的变化. 上述优化后的亥姆霍兹消声器,降噪效果有所 提升,但控制过程较为复杂,无法根据环境噪声频 率的变化完全实现自适应控制.因而研究具有自适 应调节功能的亥姆霍兹消声器具有重要意义.本文 在对传统亥姆霍兹消声器进行理论分析的基础上, 提出了一种具有腔体体积自适应调节的消声器结 构与控制算法,实现了宽频噪声的自适应控制.

1 亥姆霍兹消声器消声原理 亥姆霍兹消声器由一个颈部及腔体组成,如图

1 所示. 图1 亥姆霍兹消声器结构 Fig.1 Structure of Helmholtz muffler 颈部内的空气柱在声波的作用下类比于质量 块,而腔体内的空气类似于弹簧.颈部的空气柱和 腔体组成一个弹性振动系统,当声波频率和振动系 统的固有频率相同时,振动系统就会发生共振.颈 部中空气柱与壁面发生强烈的摩擦,使一部分声能 转化为热能耗散掉,达到消声的目的. 当噪声的频率低于消声器的第一个高阶模态 激发频率时,其内部只有平面波传播,因此计算亥 姆霍兹消声器时需要使用平面波理论来进行计算. 亥姆霍兹消声器的共振频率表达式为[16] ( )

2 2 c r f l l v π = π +? (1) 式中:c 为声速;

r 为颈部截面半径;

l 为颈部高度;

v 为腔体体积;

l ? 为声学端部修正. 管道横截面积的突变产生了高阶模态波,而这 些高阶模态波在平面波截止频率范围内是耗散的, 即在传播过程中衰减很快,因此在面积不连续处附 近会形成局部的非平面波.为改善平面波理论的计 算精度,需要考虑管道横截面积不连续处产生的高 阶模态耗散波的影响,于是,在平面波理论计算时, 需要将管道的长度用声学长度(等于管道的实际长 度加上端部修正量)来代替[17] . ( ) 0.85

1 1.25 0.85 r l r r R 2) 由公式(1)可知,亥姆霍兹消声器的消声频率与 其腔体体积有着直接的关系,故可以通过调节腔体 体积来实现声衬消声频带的偏移,即: ( )( )

2 0

2 r c r f l l v V π = π +? +? (3) 式中,v 为原亥姆霍兹消声器腔体体积(基本体积), V ? 为腔体体积变化量. 由上述分析可知,当亥姆霍兹消声器的结构参 数确定后,其消声敏感频率也随之确定,不随着噪 声源频率的改变而改变,故需要研发具有结构参数 可变的声衬,拓展亥姆霍兹消声器的消声范围.

2 消声器结构设计 消声器的共振频率由其颈部高度、颈部横截面 积和腔体的体积共同决定.为了实现共振频率连续 可调,提出了一种活塞曲柄连杆机构的消声器机 构,通过活塞的直线往复运动而改变共振腔的体 积,最终达到消声频带偏移的目的,如图2 所示. 图2 消声器三维示意图 Fig.2 Three dimensional schematic diagram of a muffler 通过设置在管道上的传声器,测量出入射声波 的频率.当入射声波频率与消声器固有频率不一致 时,为了达到最佳降噪效果,活塞应在控制算法的 作用下移动,直到系统固有频率与当前入射波频率 相同的位置处为止.