admin 百科大全 2023-03-14 22:55:00

“以毒攻毒”的独门绝技：噪声与振动的有源控制

1什么是有源降噪技术？

从技术途径上讲，噪声控制方法可分为“无源”控制和“有源”控制两大类。无源控制技术（又称被动控制）包括吸声、隔声、使用消声器、隔振、阻尼减振等。这些噪声控制方法的机理在于，通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，从而达到降低噪声的目的。无源噪声控制方法仅对中高频噪声的控制有效，对低频噪声的控制效果不大。有源控制技术由于自身的特点，起作用的频段正好在低频段，成为与无源噪声控制互补的一项新技术。

有源噪声控制技术（Active Noise Control, 简称ANC，也称为“有源降噪技术”）利用声源（如扬声器）作为次级控制源产生反声场（次级声场）抵消不需要的噪声，因此又称为有源消声。

有源降噪原理示意图

2有源降噪技术的发展

开创者

有源噪声控制的概念早在1933年就由德国发明家家保罗﹒卢埃克（Paul Leug）提出。他随后申请了专利“消除声音振荡的过程”（Process of Silencing Sound Oscillation），继而开创了有源控制技术研究的先河。其基本原理是利用人工产生的次级声场，根据两列频率相同、相差恒定的声波相消干涉而进行噪声控制。

保罗﹒卢埃克 (1898～1979)及其专利原理示意图

发展及应用场景

从上世纪50年代开始，人们就对此技术的研究进行了初步尝试。无论在理论分析还是在系统实现上，当时的条件并不成熟，因而此阶段有源控制技术的发展相对缓慢。直到上世纪80年代，随着B.Widrow等人提出和发展了自适应滤波理论，并将其应用到有源噪声控制中，真正意义上的自适应有源控制技术才被提出并得到发展。且针对不同的噪声场合形成了两个不同的发展方向，即有源噪声控制和结构声有源控制（Active Structure Acoustic Control）。

ANC技术的应用场合一般包括：管道声场；自由声场（如旷野中的变压器噪声、电站噪声、交通噪声、抽风机、鼓风机等机械设备向空中辐射的噪声）；封闭空间声场（如飞机、船舶舱室、车厢、办公室的噪声场）及有源抗噪声耳罩和送话器。有源噪声控制的研究在20世纪80年代中期到90年代中期达到高潮，其中英国南安普顿大学声与振动研究所（ISVR）的P. A. Nelson和S. J. Elliott等人的研究是此项技术的代表。他们将有源噪声控制技术应用到螺旋桨飞机控制舱室内的低频噪声，是有源噪声控制技术在应用领域取得成功的典范。

目前，针对一些典型的应用场合，ANC技术已经实现了商业化的应用，典型的案例包括有源降噪耳机、管道有源降噪、汽车有源降噪及大型客机的舱室有源降噪。

有源降噪耳机

管道有源降噪

汽车有源降噪

各类军用航行器舱内有源降噪

3团队有源降噪技术发展现状

有源降噪技术是西北工业大学航海学院“声场感知与隐身技术”团队（陈克安教授为团队负责人）的特色研究领域。早在1984年，西北工业大学马远良院士和孙进才教授在英国南安普顿大学声与振动研究所访问期间，参与了有源噪声控制技术研究，回国后组建了有源噪声控制技术研究团队。自1985年开始，西北工业大学有源噪声控制技术团队在减振降噪，工程试验研究及型号应用方面完成了大量科研项目，经过长达20多年的研究，积累了丰富的经验。先后主持并完成国家纵向科研项目10多项，以及企业委托的横向科研课题50余项；研究成果获部级科技进步奖二等奖4项，三等奖7项。团队在理论研究、工程试验研究、型号应用研究方面成果丰硕。

基础理论研究

在理论研究方面，研究团队出版了与有源噪声控制相关的专著6部（其中3部如图2所示），在国内外学术刊物上发表论文200余篇，承担国家级纵向课题30余项。近10年来，培养了与本项目相关的硕士学位论文46篇，博士学位论文13篇，其中2篇论文为评为陕西省优秀博士论文。另外，研究团队与英国南安普顿大学的声与振动研究所（ISVR）、美国弗吉尼亚州立及理工大学机械工程系及美国宾夕法尼亚州立大学声学与振动中心（CAV）等国际知名的有源控制研究小组保持经常的学术联系和合作关系。

有源噪声控制专著

实验研究与技术开发

团队先后与20余家单位合作，根据不同的应用场合提出 10 余种有源控制算法，先后研制了三类 7 种型号的有源控制器，进行了有源耳罩、有源消声器、有源隔声窗，以及变压器噪声、空调压缩机噪声、水下航行器辐射噪声有源控制的实验研究。开展了高速列车、直升机及涡桨飞机等航行器舱内有源降噪技术实验研究及工程化关键技术开发。

不同型号的有源控制器

空调噪声有源控制

工程应用与产业化发展

在固定翼飞机有源减振降噪方面，2010年承担国家级科研项目完成涡浆飞机舱内噪声有源控制可行性研究；同年针对MAXX飞机进行了舱内有源降噪关键技术研究，完成了多通道有源控制实验研究；2013年、2016年本团队分别承担了国家级重点科研项目“XXX飞机舱室降噪技术”研究，在有源降噪关键技术工程化方面取得突破。此外，开展了针对旋翼飞行器舱内噪声与振动有源控制研究，先后研制了2个型号的有源控制系统原理样机，完成了演示实验，技术指标达到要求。