有限长圆柱壳结构水下声辐射有源控制实验

丁少虎，王谦，陈克安，玉昊昕，马玺越

(西北工业大学航海学院，西安710072)

有限长圆柱壳结构水下声辐射有源控制实验

丁少虎，王谦，陈克安，玉昊昕，马玺越

(西北工业大学航海学院，西安710072)

以水下有限长圆柱壳为对象，实验研究水下结构声辐射有源控制。实验中通过引入次级力源，以单个或两个误差点处的声压最小为目标函数，分析次级激振器和误差传感器布放（位置和数目）以及激励频率对控制效果的影响。结果表明：有源控制能够有效控制水下圆柱壳线谱噪声；增加次级激振器和误差传感器的数目，能够增大降噪区域；有源控制在3 000 Hz高频处对壳体噪声控制依然有效。有源控制能够对多线谱信号激励壳体辐射噪声产生抑制作用。

声学；弹性圆柱壳；水下声辐射；有源控制

在噪声控制工程中，结构诱发声控制问题占了相当比例。由各种激励引起的结构振动声辐射是噪声控制要解决的一个重要问题。传统的被动控制技术对控制中高频噪声较为有效，对低频噪声的控制效果不大，而有源噪声控制（也称为主动噪声控制，ANC）恰好能弥补传统噪声控制技术的不足。

对于结构振动低频辐射声，有源控制方式一般分为有源声控制和有源力控制[1]。由于用点声源抵消结构振动声辐射的应用范围十分有限，Fuller等人[2]提出了有源力控制技术，就是在振动结构表面人为施加力源（称为次级力源），改变结构响应来抑制辐射声功率，此种技术也被称为有源结构声控制(Active StructuralAcoustic Control，简称ASAC)。近年来，已经开展水下矩形板结构辐射噪声有源控制的理论研究[3―7]。圆柱壳结构是水下航行器及其舱段的主要结构形式，已有不少研究将有源结构声控制技术应用于圆柱结构低频辐射噪声控制。Ruckman和Fuller[8]以有限长圆柱壳为研究对象采用数值模拟的方法分析了结构声有源控制中最优次级激励力的作用位置。Maillard和Fuller[9]主要工作是将加速度器作用于圆柱壳表面进行结构振速传感，为结构声有源控制提供了全局误差信息。Jin Guoyong[10]等人利用数值和实验方法研究了空气中径向点力激励下弹性圆柱壳结构声辐射的有源力控制。Naghshineh[11]等人将结构辐射声功率展开成初级力和控制力的二次函数，并通过数值仿真和试验将这种策略应用于空气中有限长圆柱壳声辐射控制并进行了验证。而由于弹性结构与周围介质耦合作用，使得研究水下结构振动与声辐射要比空气中复杂得多。另外，理论研究大多是在理想自由场下并假定作用在壳体上的力为点力，实际中，激振器作用力并非完全为点力，声场环境复杂，因此，为了研究水下结构有源控制效果，开展实验研究非常必要。

关于结构在重质流体中声辐射有源控制实验方面的研究还非常少见。俞孟萨[12]从实验上研究有源控制技术对降低水下弹性平板结构声辐射的有效性，实验中通过手动调节相移器的相位来改变控制器的输出，同时控制四个监测水听器处的声压信号达到最小。本文利用自适应有源控制系统开展水下圆柱结构辐射噪声的有源力控制实验研究。

1 实验系统概述及方法

主要进行以下几个方面的实验研究：1）水下噪声有源控制效果；2）初级噪声频域组成方式及频率变化对控制效果的影响；3）次级力源和误差传感器位置、数量对控制效果的影响；

实验在消声水池中进行，该消声水池长20 m，宽8 m，深7 m，采用楔形橡胶尖劈板间隔排列在水池六个面上。圆柱壳长0.96 m，直径0.50 m。在实验过程中，圆柱壳的两端用厚盖板封闭，并进行密封，防止壳内进水，圆柱壳采用垂直吊放方案置于水下3.5 m处。利用激振器产生的激振力来模拟谐波激励，实验中并没有将激励频率选在壳体的固有频率处，考虑到消声水池的截止频率为2 000 Hz，因此输入到激振器的激励信号在2 000 Hz以上，这也有助于研究水下噪声有源控制的频率范围。

实验采用有源力控制对圆柱壳结构水下辐射噪声进行控制。利用3个激振器（一个用作初级激振器，两个用作次级激振器）激励圆柱壳振动，单频正弦信号和正弦叠加多线谱信号作为激励信号，经功率放大器后驱动初级激振器激励圆柱壳体产生振动，同时激振信号输入自适应控制器的A/D输入端，作为参考信号；利用水听器作为误差传感器来测量壳体辐射声信号，并经过滤波处理后输入到自适应有源控制器，作为误差信号；自适应有源控制器根据参考信号和误差信号，以自适应控制算法自动调整滤波器的各权系数，然后输出至次级激振器激励壳体振动。同时，误差传感器和监测水听器测得信号均接入B&K 3560型数据采集系统，通过PULSE分析软件观察整个控制过程以及控制前后的声压变化。具体的实验系统框图如图1所示。

主要的仪器设备如下：信号发生器（Agilent）；功率放大器（Labworks Pa-138）；自适应有源控制器（iEE-03）；直流稳压电源（HH 1733 C3 0-3A）；示波器（Tektronix TDS 2012）；低通抗混滤波器（SD 1476 A）；PUISE数据采集前端（B&K 3560）；激振器；信号转接箱；水听器。

图1 实验系统框图

2 实验结果及分析

通过激振器来产生初级激振力和次级控制力，激振器安装位置如图2所示。实验中采用柱坐标来确定误差传感器和监测传感器位置，柱坐标系的中心位于壳体中心，1号激振器的作用位置为(0.13 m，0°)；2号激振器的作用位置为(-0.27 m，0°)，与1号激振器周向位置相同；3号激振器作用位置为(0.13 m，180°)，与1号激振器轴向位置相同，周向相差180°。首先，需要建立次级激振器到误差传感点的次级通路模型，这里采用附加随机噪声法进行次级通路的自适应离线建模。由于次级通路建模长度对系统稳定性和控制效果有很大影响[13]，本次实验中，通过选取不同长度进行反复调试，最后确定接近最优值的建模长度。

图2 有源噪声控制示意图

2.1 单通道有源力控制

单通道有源力控制示意图如图2所示。实验过程中，一个激振器作为初级力源，一个激振器作为次级力源，以单个误差传感点的水听器测量声压信号最小为控制目标，构成单通道有源力控制模型。分别测试单频信号和多线谱叠加信号激励壳体振动辐射噪声的单通道控制效果；通过改变次级激振器位置，测试次级控制力位置对控制效果的影响；通过水听器测量控制前后监测点处的声场变化。

2.1.1 不同次级控制位置下的控制效果

采用激励频率为2 000 Hz的正弦信号激励圆柱壳体，采用两种控制配置方式，配置1：1号激振器作为初级力源，3号激振器作为次级力源；配置2：1号激振器作为初级力源，2号激振器作为次级力源。两种配置下误差传感点均位于(r,θ,z)=(0.9 m,0°,0)，如图3所示。测试结果如图3和表1所示

图3给出了误差点处控制前后水听器输出的时间响应，实施有源控制后，误差传感点处的声压迅速降低。表1给出2 000 Hz处控制前后误差点和监测点的声压级变化。由实验结果可以看出，当初级激励力位置相同，改变次级控制力位置，控制效果不同，这说明有源控制效果对控制力的布放位置较敏感，控制力的位置直接影响到控制效果的好坏。因此，在采用有源控制时首先应对控制力的布置进行优化，使控制力的布置达到最佳布置从而得到最好的控制效果。

2.1.2 不同激励频率下的单通道控制效果

分别采用频率为2 500 Hz和3 000 Hz的单频正弦信号激励壳体，3号激振器作为初级激励源，1号激振器用作次级控制源，误差传感器位置如图2所示，比较不同激励频率下控制效果。测试结果如表2和表3所示。

由表2和3可以看出，总体来讲，不管是误差点还是监测点，在2 500 Hz处的控制效果高于3 000 Hz处的控制效果，监测点的降噪量均在10 dB以上。文献[12]指出，当激励频率较低时，只能激发起结构的低阶模态，模态的空间尺度较大（对应的结构波长较长），空间相关尺度较大。当激励频率较高时，结构振动包含许多高阶模态，而高阶模态的相关尺度较小，相关性随着频率的提高而逐渐减弱。因此，对于采用次级力源来降低圆柱壳的结构振动声辐射来说，如果想在高频处利用有源力控制得到较好的效果，则需要增加次级激励的数目。3多线谱叠加信号激励下的单通道控制效果

采用初级激励信号为2 000 Hz、2 500 Hz和3 000 Hz单频正弦信号组成的多线谱叠加信号激励壳体，3号激振器作为初级激励源，1号激振器用作次级控制源，误差传感器位置如图3所示，测试结果表4所示。

利用有源力控制可以对单频正弦信号叠加后的多线谱信号激励壳体辐射噪声进行控制，在误差传感点处的多根线谱噪声均有大幅度下降，其中在2 500 Hz的最高降噪量达到39 dB，但在监测点处，控制效果不是很明显，这与采用的控制策略有关。通过表3可以看出，该组实验中次级激振器的布放位置更有利于控制2 500 Hz处的噪声。不同的频点，均有对应的次级激振器布放位置，实际中如果控制多线谱噪声，次级激振器的布放位置需要兼顾到各个频点。

2.1.

2.2 双通道有源力控制

实验过程中，采用3号激振器作为初级激励源，1号和2号激振器同时作为次级控制激励源，在空间对应布放两个水听器作为误差传感器，构成双通道有源力控制。分别测试频率分别为2 500 Hz和3 000 Hz的正弦信号激励壳体振动辐射噪声的双通道有源力控制效果，通过监测水听器测量采用有源控制前后监测点处的声场变化。测试结果如图4和表5、6所示。

采用两个次级力的控制效果比单个次级控制力的控制效果总体要好，且通过实验观察发现，采用双通道控制后，降噪区域增大了。理论上，对于周向对称分布的两个位置，根据圆柱壳声辐射理论，这两个位置的声压级应该相等，而表5中两误差传感点的声压级并不相等，这可能因为实验中池壁的反射和水听器并非完全对称布放造成的。

3 结语

通过实验研究水下圆柱结构振动辐射噪声有源力控制，利用单频正弦信号和多个正弦信号叠加组成的多线谱信号激励水下圆柱壳体。自适应控制器根据输入的参考信号、误差信号，以Fx LMS算法自动调整自适应滤波器的各权系数，然后输出控制信号，经功率放大器后激励次级作动装置，使得误差传感点处声压达到最小来实现声场控制。实验结果说明采用有源力控制可以有效降低水下圆柱壳线谱噪声。由于本次实验采用局部控制策略，以单个或两个误差点处的声压最小为目标函数，因此在其他位置的声压有升有降。如果需要产生更大的降噪空间，需要改变控制策略和目标函数。另外，从本次实验结果可以看出，在3 000 Hz的高频处均有较好的效果，尤其在误差传感点处，表明频率较高时有源力控制依然有效。本次实验虽然没有对低频激励壳体辐射噪声进行测试，但是根据有源噪声控制理论可知，频率较低时效果会更好。

表2 不同频率下误差点处单通道控制效果

表3 不同频率下监测点处单通道控制效果

表4 单通道控制多线谱叠加信号控制效果

图4 双通道控制误差点1处时域响应

表5 不同频率下误差点处双通道控制效果

表6 不同频率下监测点处双通道控制效果

[1]陈克安.有源噪声控制[M].北京：国防工业出版社，2003.

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Experimental Study onActive Control of Sound Radiation from a Submerged Cylindrical Shell with Finite Length

DING Shao-hu,WANGQian,CHEN Ke-an,YU Hao-xin,MA Xi-yue

(SchoolofMarineScienceandTechnology,NorthwesternPolytechnicalUniversity, Xi’an 710072,China)

Experimental study on active control of a submerged cylindrical shell with finite length is performed using secondary force sources.The arrangement of the secondary exciters and error sensors and the influence of the excitation frequency on the control effects are analyzed.The results show that the underwater sound radiation of the cylindrical shell subjected to the force excitation can be effectively attenuated by the method of active noise control,the area of noise reduction can be enlarged with increasing the numbers of secondary exciters and error sensors,and the active noise control of the cylindrical shell at 3 000 Hz is still valid.Meanwhile,the sound radiated from the submerged cylindrical shell subjected to multiple linear spectrum excitations can also be suppressed by the active noise control.

acoustics;elastic cylindrical shell;underwater acoustic radiation;active control

TB535

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.005

1006-1355(2014)02-0017-05

2013-07-15

丁少虎（1980-），男，宁夏平罗人，博士生，目前从事噪声有源控制方面的研究。

E-mail:dingshaohu05@163.com