多个线谱噪声的局部区域有源消声

赵汉波，郑 援，姜 斌

(1.海军潜艇学院研究生队，山东 青岛 266042;2.海军潜艇学院 航海观通系，山东青岛 266042）

多个线谱噪声的局部区域有源消声

赵汉波1，郑 援2，姜 斌2

(1.海军潜艇学院研究生队，山东 青岛 266042;2.海军潜艇学院 航海观通系，山东青岛 266042）

噪声主动控制技术是近年研究的一个热点问题，它克服了被动降噪技术设备庞大、笨重、造价高等缺点，尤其对低频噪声具有良好的控制效果，展现出巨大的商业价值。本文在对有源消声进行理论分析的基础上，提出在局部空间实现多个线谱主动控制的方法，并研究消声区域的分布特点。同时，基于该方法进行船舶辐射噪声线谱主动控制的仿真，结果表明线谱控制效果良好，从而验证该方法的有效性和可行性。

有源消声;噪声可控区域;船舶辐射噪声线谱

0 引言

主动噪声控制 (active noise control，ANC）又称有源消声，是通过人为附加声源，使其发出的声波与已经存在的噪声在指定区域相消来达到目的。由于具有良好的低频特性，在治理低频噪声问题方面主动噪声控制一直被认为是最具潜力的消声方式［1］。目前，有源消声技术已经在有源消声耳机、管道有源消声等领域获得成功应用。

一直以来，船舶辐射噪声治理是噪声控制领域的一个热点问题。目前广泛采用的浮筏隔振装置、挠性软管、消声器等［2］被动技术措施在一定程度上实现了对船舶辐射噪声的控制，但所用设备往往体积比较大、加工制造复杂、不易更新，并且主要对中高频噪声有效，对低频噪声效果不大。然而，船舶在航行中某些机械振动会使某些频率上的噪声强度骤然升高，形成孤立的线状谱。这些线谱主要集中在低频段，形成了对海洋生物和海洋环境声学监测测平台重要的低频干扰。现代船舶急需一种能够有效抑制低频线谱噪声的控制技术，而ANC技术的优势恰恰在于具有良好的低频特性，并且对一些偶发噪声也具有很好的控制效果。因此，有源消声技术可以作为传统被动噪声控制技术的低频补充，对控制船舶噪声有着广阔的应用前景。作为水声环境下有源消声的初步探索，本文以对多个低频线谱的控制为目标，在远场局部区域内实现对船舶辐射噪声中某些特征线谱的主动控制。

1 局部空间有源消声

目前，由于在复杂声场分析、控制稳定性、次级声源阵列等方面尚存在一些问题有待解决，全空间有源消声还难以实现，但在当前的技术条件下，实现特定情况下的局部区域有源消声相对更易于工程实现，并且在许多情况下这是必要的。例如，对于利用声信息对海洋环境进行预报和监测的声学平台，以及靠声音获取环境信息的海洋生物而言，其往往分布在某一定特定的区域内。因此，若能利用ANC技术形成如图1所示的船舶辐射噪声线谱可控区域，这无疑将大大降低位于这一区域的声学平台或海洋生物受到低频干扰。

图1 船舶辐射噪声局部区域控制示意图Fig.1 The diagram of ship radiated-noise control in local space

1.1 有源消声模型建模

当对船舶辐射噪声进行有源控制时，由于水下声探测平台或鱼群主要活动区域往往位于船舶辐射噪声的远场，可将船舶视为点声源。文献［3］为了主动控制船舶辐射噪声中某一线谱，以次级声源处声压为0来控制次级声源的形式，通过仿真在一定范围内实现了声压的全面降低，取得了不错的效果。但该声压可控范围较小，且随着频率的增加而急剧减小。在对船舶辐射噪声的多个线谱进行有源消声时，文献［3］中的方法面临的主要问题在于:有效控制区域取决于最高频率所对应范围，因而难以在足够宽的区域实现对多个线谱的主动控制，这也正是本文所要解决的主要问题。

某商船P(初级源）途径某一鱼群主要活动区域，两者最近距离为r。在接近鱼群过程中，为对商船辐射噪声中多个低频线谱进行主动控制，在船体上设置一控制声源C，初级声源和控制源间距为h，则可构成如图2所示的一个模型。

图2 有源消声模型Fig.2 Active noise controlmodel

1.2 理论分析

为了在更大范围内实现对多个线谱的主动控制，先对某一单频信号的控制效果进行研究。

设船舶航行中某一频率辐射噪声具有如下形式:

式中，A为初级源振幅;f为所感兴趣的频率，为了简单起见这里认为初级源的初相角为0。

由于h较小，忽略初级信号传播至控制源过程中的振幅衰减，而只保留相位差异，故在(0，h）处初级信号形式为;

为此，根据控制源接收到的初级信号形式，使其产生一相干的控制信号:

以P为坐标原点，则在初级声源和控制源同时作用时，(x，r）位置处的声压等于2个声源的线性叠加:

仅考虑远场情况，则2个声源辐射的声波到达接受点时振幅差别甚小，有Ap≈Ac，但其相位差异不能忽略，故式(4）化为:

因此，若控制信号与初级信号在到达鱼群位置(x0，r0）时的相位相差180°，初级信号对鱼群造成的干扰将最小。此时，控制相位Δφ满足:

当鱼群位置分别为(0，8000）、(1000，8000）、(2000，8000）、(3000，8000）时，初级信号为 s(t）=cos(2π×900t），分别依据式(7）选择控制相位，仿真结果如图3所示。

图3 引入控制源前后声强的水平分布 (r=8 000 m）Fig.3 The sound intensity distribution before and after ANC

结果表明:

1）根据式(7）选择不同控制相位实现鱼群位置处声强最小，但在可控区域内，声强有一定程度的波动;

2）对某一频率信号而言，可控区域宽度会随Δφ的变化而改变，并且当控制相位增大到一定值后，可控条件将不满足。

上述结论为实现多个频率在同一区域的有源消声提供了可能，即一旦Δφ与可控区域宽度的关系确定，便可通过控制Δφ，使多个频率信号具有相同的可控区域。

下面对Δφ与可控区域宽度的关系进行了推导:

当r一定时，设可控区域范围为(－l，l），则在可控区域内，有源消声前后声压幅值平方应满足:

至此，式(10）和式(11）给出了可控区域边界l与Δφ的相互关系。

因此，在对多个线谱进行主动控制时，为了增大有效可控区域范围，可采取的方法如下:

当信号频率为f0时，使Δφ0=π确定可控区域为(－l0，l0），则对于频率f＞f0的信号，根据式(10）选择控制相位，使其同样在 (－l0，l0）区域可控。

2 船舶辐射噪声的线谱建模

航行中，船舶辐射噪声主要由宽带连续谱和窄带线谱组成。其中，离散的线状谱主要存在于低频段，位置比较固定，且具有能量丰富和传播距离远的特点，是主要的海洋低频噪声污染源之一。通过对船舶线谱噪声形成机理的分析表明，船舶辐射噪声的低频线谱主要是由机械装置和螺旋桨“叶片速率”线谱及其谐波频率组成［5］。在此基础上，以周期信号为模型可以建立航行体辐射噪声线谱数学模型。

当某船舶螺旋桨转速为1 800 r/min，桨叶片数为6叶。用在［0，1］上均匀分布的白噪声产生连续谱，线谱幅度用随机数产生，根据式(13）可得该船舶辐射噪声的线谱图如图4所示。

图4 船舶辐射噪声线谱频域图Fig.4 The frequency domain chart of ship radiated-noise line-spectrum

3 数值仿真分析及研究

3.1 针对多个单频正弦信号的有源消声仿真

当h=5 m，r=10 000m时，采用Δφ=π的控制声源对信号s(t）=cos(2π×900t）进行主动控制，形成的可控区域为 (－3 480 m，3 480 m）。为了使频率 f=1 000 Hz，1 100 Hz，1 500 Hz，1 750 Hz，1 800Hz的多个正弦噪声信号同样在该区域内得到控制，根据第2.2节的结论，可计算所采用控制相位分别为 Δφ =1.629 9π ，0.259 6π，0.352 5π，0.667 3π，0.778 3π，则有源消声前后声强的变化如图5和图6所示。

图5 有源消声后各个频率信号的声强变化(r=8 000 m）Fig.5 Different signal intensity changes after ANC(r=8 000 m）

图6 有源消声前后总声强变化对比(r=8 000 m）Fig.6 The comparison of total sound intensity changes before and after ANC(r=8 000 m）

由图5和图6可知，当r=10 000 m时，在(－3 480 m，3 480 m）区域内，多个频率的噪声均得到了有效控制，在该区域内总声强也远小于未加入次级声源的情况。实际上，r总是变化，通过进一步仿真可得该可控区域随r变化的灰度图如图7所示。

图7 可控区域水平分布灰度图Fig.7 The horizontal distribution grayscale of noise control area

由图7可知，有效控制区域随着r增加呈线性增大，故在远场区域，船舶辐射噪声线谱更易于控制。

3.2 线谱辐射噪声的远场局部区域主动控制

当对船舶辐射噪声的多个线谱进行主动控制时，根据1.2节的结论分别选择控制相位，则在可控区域不同位置处的船舶辐射噪声线谱频域图如图8所示。

图8 有源控制前后船舶辐射噪声频域图(r=10 000 m，x=－3 480或3 480m）Fig.8 The frequency domain chart of ship radiated－noise before and after ANC(r=10 000 m，x=－3 480或3 480m）

由图9～图11可知，在水下远场某一足够宽的区域内，实现了对线谱辐射噪声的主动控制。该区域内线谱的强度大大减小，其分布也明显改变。

图9 有源控制前后船舶辐射噪声频域(r=10 000 m，x=－2 000或2 000 m）Fig.9 The frequency domain chart of ship radiated-noise before and after ANC(r=10 000 m，x=－2 000或2 000 m）

图10 有源控制前后船舶辐射噪声频域图(r=10 000 m，x=－1 000或1 000 m）Fig.10 The frequency domain chart of ship radiated-noise before and after ANC(r=10 000 m，x=－1 000或1 000 m）

图11 有源控制前后船舶辐射噪声频域图 (r=10 000m，x=0m）Fig.11 The frequency domain chart of ship radiated-noise before and after ANC(r=10 000 m，x=0 m）

4 结语

本文从有源消声的基本原理出发，在理论上得出多个线谱远场局部区域主动控制的方法，并对船舶多个线谱辐射噪声进行有源消声仿真，结果验证上述控制方案的正确性和可行性。虽然局部空间有源消声将不可避免的引起消声区域以外声功率的增加，但当消声区域范围足够宽且可控的情况下，采用上述有源控制方法总能使活动于该区域的噪声接收者受到的低频干扰降到最小。此外，在鱼群主要活动区或声学检测平台附近往往有提示性标志，船舶可以根据其是否位于该消声区域而选择性的开启或关闭主动噪声控制系统，从而克服这一不利因素带来的影响。

［1］陈克安.有源噪声控制［M］.北京:国防工业出版社，2003:113－114.

CHENG Ke-an.Active noise control［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2003:113 －114.

［2］孔建益，李公法，侯宇，等.潜艇振动噪声的控制研究［J］.噪声与振动控制，2006，7(1）:1 －5.

KONG Jian-yi，LI Gong-fa，HOU Yu，et al.Research on Vibration and Noise Control of Submarine，2006，7(1）:1－5.

［3］HU Cheng-jun，ZHENG Yuan，HU Yi.Active control of vessel navigation noise's specific linear spectrum［C］.Proceedings of the 2012 IEEE 11th International Conference on Signal Proceeding，2012:2323 －2325.

［4］李启虎.数字式声纳设计原理［M］.合肥:安徽教育出版社，2002:192－194.

LIQi-hu.Digital sonar design principles［M］.Hefei:Anhui Education Publishing House，2002:192 －194.

［5］马徐坤.浅析水下高速航行体对螺旋桨辐射噪声线谱建模［J］.声学学报，2002，27(6）:502 －506.

MA Xu-kun.Preleminary modeling of line spectrum for radiated noise incluced by high counter rotation of underwater vehicle propellers［J］.Acta Acustica，2002，27(6）:502－506.

［6］李凯，黄建国.水下航行体辐射噪声的线谱分析及建模［J］.声学技术，2007，126(6）:1112 －1113.

LI Kai，HUANG Jian-guo.Analysis and modeling of line spectrum of underwater vehicle's radiating noise［J］.Acoustic Technology，2007，126(6）:1112 －1113.

Active noise control for multiple line-spectrum noise in local space

ZHAO Han-bo1，ZHENG Yuan2，JIANG Bin2
(1.Graduate Student Bridage，Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China;2.Navigation and Observation Department，Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

The active noise control technology is a hot spot in recent years.Traditional passive noise control technolog has many disadvantages，such as too large，too heavy，high cost，etc.The active noise control technology can overcome these problems.Ithas shown great commercial value for its excellent control effect on the low-frequency noise.Based on the comprehensive analysis of the active noise control theory，a technique of activemultiple line-spectrum noise control in local space is put forward in this paper，and the distribution characteristics of noise control area is researched.Finally，the simulation for controlling ship radiated-noise line-spectrum is performed based on thismethod.The simulation results show excellent noise control effect，which vertifies the effectiveness and feasibility of thismethod.

active noise control(ANC）;noise control area;ship radiated-noise line-spectrum

TB53 TB56

A

1672－7649(2014）04－0058－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.011

2013－05－23;

2013－06－20

赵汉波(1988－），男，硕士研究生，研究方向为水声工程。