柴油发电机房主动噪声控制系统的设计

摘 要:在系统研究主动噪声控制技术和柴油发电机房内噪声来源的基础上,作者提出了一种利用复合主动噪声控制思想,改善柴油发电机房内噪声环境的方案。具体地说,就是采用反馈主动噪声控制系统,抵消发电机房低频噪声的总辐射。还采用前馈主动噪声控制系统,抵消柴油发电机噪声的基频分量及其多次谐波分量。分析表明:该方案具有较好的除噪效果和较高的实用价值。

0 引言

柴油发电机在经济建设和国防建设等众多领域有着广泛的应用。但柴油发电机房内通常存在着很高电平的低频噪声,这些噪声,不但严重伤害机房内工作人员的听力系统,而且,长期工作在高噪声环境中,易使人产生疲劳,降低工作人员的注意力,使诱发事故的可能性大大提高。同时,柴油发电机房的高噪声辐射,往往使其周围的单位及居民也饱受其害。因此,从技术上消减柴油发电机房内噪声,是一项具有广阔前景的研究课题。目前,柴油发电机房内的噪声消减多采用绝缘技术、消音技术、阻尼技术和吸收技术等被动噪声控制方法[3][4]。由于被动消噪措施的体积和重量依赖于噪声波长,因此利用被动方法来消除具有很长波长的低频噪声,其物理设施是庞大而厚重。本文在系统研究主动噪声控制方法和柴油发电机房内噪声状况的基础上,提出一种利用复合主动噪声控制思想改善发电机房内噪声环境的设计方案,并给出了其算法。

1 发电机房内噪声状况及主动噪声控制

研究表明,空气动力噪声、发电机噪声和电磁噪声是柴油发电机房内噪声的主要来源。柴油发电机房内的总噪声可用下式来估计[3][4]:

式中,n为柴油机转速(rpm);p为柴油机功率(hp)。

由式(1)和对柴油发电机房内噪声频谱分析可见:机房内噪声的频率成分中,柴油机的燃烧频率及其谐波占了很大的份量。也就是说,柴油发电机产生的低频噪声是发电机房内噪声的最主要来源。近年来,主动噪声控制(anc)在低频噪声抵消领域得到了广泛应用。anc的主要思想是利用电子声学手段,在指定的空间实时产生与该空间噪声声场幅值相等、相位相反的次级声场,使之与原噪声声场叠加,以达到声场抵消、消减噪声的目的。主动噪声控制可分为前馈主动噪声控制和反馈主动噪声控制两种形式。

前馈主动噪声控制这一基本思想是1933年由德国人p.lueg以专利形式提出的。以管道声场为例,其基本原理如图1所示。

该结构是通过在管道上游采用前置麦克风拾取噪声信号,经电处理后,馈送给管道下游的次级声源(扬声器),调整次级声源的输出,使其与下游原噪声信号的相位相反而达到噪声抵消目的。实际应用中,由于次级声源的输出在向下游传播的同时也向上游传播,向上游传播的声音被麦克风接收后,就形成了声—电—声的闭合回路,使消声系统产生“自激现象”,这一现象的存在一度制约着自动噪声控制(anc)技术的发展。

反馈主动噪声控制系统是由美国rca研究所的olsen在1953年提出的,他将声反馈过程与控制系统中的反馈过程有机结合起来,提出了一种与p.lueg控制思想完全不同的反馈控制结构。其基本原理如图2所示。

在该结构中忽略了参考输入的作用,而是将检差麦克风信号通过具有特定幅值、相位传递特性的放大器处理后,直接驱动二次声源发声。

在三维声密封区和三维声场的主动噪声控制中,往往由于声场过于复杂,仅仅依靠使用单对二次声源、检差麦克风对无法达到令人满意的消声效果。在这种情况下,应采用多通道主劝噪声控制系统来获得对三维声场的有效控制。具体地说就是利用多个二次声源来产生二次声场、利用多个检差麦克风来拾取残余噪声信号。同时,由于噪声源和环境因素是时变的,而控制系统通常又受环境因素影响,为了能跟踪噪声源和环境因素的变化,实时调节次级声信号,确保次级声信号有效地抵消噪声信号,通常采用自适应技术来完成系统控制。现在三维空间有源噪声抵消几乎全部采用自适应噪声抵消技术。

2 发电机房复合主动噪声控制设计方案

针对柴油发电机房的噪声环境,可以结合前馈主动噪声控制系统与反馈主动噪声控制系统两种思想,采用复合主动噪声控制系统来改善发电机房内的噪声环境。其基本原理如图3所示。

复合系统与前馈或反馈系统相比,有明显的优势。在前馈主动噪声控制中,参考传感器的输入和噪声声源是紧密相关的,这在实际中较难满足。而且,前馈主动噪声控制系统也无法实现通道噪声的控制。反馈主动噪声控制虽可有效解决通道噪声问题,但由于其忽略了参考输入的作用,往往使控制效果不理想。复合方法的使用,有效利用了二者的优点,弥补了各自的不足。

具体地说:该复合主动噪声控制系统,就是利用反馈主动噪声控制系统,来降低柴油发电机噪声的总辐射,利用窄带前馈主动噪声控制系统,抵消发电机噪声的基频及多次谐波分量。该方案实施方便,复合主动噪声控制系统产生次级声场的扬声器均匀安装在发电机房的墙壁上,噪声拾取麦克风安装在扬声器附近。方案的具体实施中,扬声器和麦克风的数量和布局是影响系统性能的关键因素。由于发电机房内噪声通常由多个发电机产生,当各发电机转速不一致时,使发电机房噪声变得非常复杂,产生次级声场的扬声器和拾取误差信号的麦克风数目太少,噪声抵消效果不理想。而扬声器、麦克风的数目太多,又会由于扬声器、麦克风分布稠密,容易引起经不同声学路径传输的参考信号相关阵的对角占优性能恶化,导致前馈主动控制性能不理想。合理地选择产生次级声场的扬声器和拾取误差信号的麦克风的数目和合理的布局,能显著提高除噪效果。

3 发电机房内复合主动噪声控制系统的实现

(1)窄带前馈主动噪声控制系统的实现方案及改进的flms算法

对由柴油发电机产生的噪声而言,噪声的频谱仅仅对应了周期机械运动的基频和离散的几个高阶频率,频谱较窄。因此,可以利用窄带前馈主动噪声控制系统来抵消这类噪声。由于窄带噪声结构的动态指标(包括瞬时加速度、速度等物理量)与声学指标严格相关,所以可通过对非声学物理参数的测量来获得声场信息。这样,就避免了二次声源对前置参考麦克风声反馈通路的形成,促进了系统稳定。现在以双发电机房为例,给出发电机房前馈主动噪声控制系统的设计方案,如图4所示。(对多发电机情况,应采用多个转速计分别采集各发电机的转速信号)。

该实现方案中,以转速计采集到的发电机转速信号作参考信号,对其进行fft变换以获得发电机产生低频噪声信号的基频分量及其多次谐波分量(本方案取到4次)。然后利用多通道滤波复最小均方(fxlms)算法自适应调整控制系统,使其跟踪原噪声声场的变化,驱动扬声器产生次级声场,用以抵消原噪声声场,达到降低噪声的目的。多通道前馈主动噪声控制系统的数学模型如图5所示。

现结合图5介绍其模型的工作原理。若以r个参考信号,每个参考信号取其h次谐波,l个扬声器,m个麦克风为条件构成多通道前馈主动控制系统,并由上述条件给出fxlms算法[2]:

e(n)表示误差信号(麦克风收集到的噪声信号);复参考信号xrh表示第r个参考信号的第h次谐波;l×l维复向量wrh表示第r个参考信号的第h次谐波激励扬声器时权值;m×l维复矩阵frh表示针对第r个参考信号的第h次谐波而言,l个扬声器和m麦克风之间的声学路径,r{·}表示取实部运算。

m是一个lrh×lrh维的权因子矩阵,该矩阵中的元素为步长因子。

同普通lms算法一样,相关阵r=e{xh(n)fhfx(n)}决定算法的收敛性能。在快速收敛牛顿算法中,矩阵m=μ0r-1。实际应用中,如果各参考信号xrh(n)互不相关,且扬声器在空间均匀分散分布时,矩阵r是对角占优的块对角矩阵,由m=μ0r-1可知,此时,m也为对角占优的块对角矩阵,可表示为:

在利用fxlms自适应算法的前馈主动控制系统来抵消双螺旋桨飞机舱噪声的应用中,实验测得:该系统能对螺旋桨引起的周期低频噪声的基频、2次、3次及4次谐波的抵消效果分别可达到18.9 db、12.6 db、6.7 db和1.5 db[2]。可见该算法能很好地抵消低频噪声的基频及其多次谐波分量。

(2)反馈主动噪声控制的设计方案

此噪声控制系统可由图6所示方案实现。

图6方案可用自适应有源数字滤波方法实现。考虑到多发电机时发电机房内噪声异常复杂,用数字滤波方法实现需要很高阶数的滤波器,结构复杂,响应速度慢。与之相比,用模拟电路来完成信号处理任务,则结构简单,响应速度快。故建议采用模拟电路来实现反馈主动噪声控制系统。该方案中的自适应机构可采用mras的超稳定性设计方法来设计[5]。

首先,把反馈系统变换成由两个模块组成的等价反馈系统的形式,一个线性定常模块处于前馈通道,另一个非线性时变模块处于反馈通道。

再通过使等价模块满足波波夫积分不等式的方法,找出在等价反馈通道中自适应规律部分的解。该系统中,可调参数为模型的增益b0(e,t),自适应规律由式(4)给出:

然后,在等价系统的前馈通道中找出自适应规律其余部分的解,使前馈通道成为一个超稳定模块。

最后,针对已找出的自适应规律,进行优化设计,确定k1、k2的值。

由此可得到设计原理框图,如图7所示。

采用图6反馈主动噪声控制方案,以单频正弦信号推动初级扬声器产生低频噪声,以驻极体扬声器拾取空间声场信号作为可调模型的输入,可调模型输出经功放电路推动次级扬声器产生次级声信号,对三维空间声场噪声进行抵消。在半消声室中进行降噪测试,a声级最大降噪量可达17 db。可见,降噪效果十分明显。

4 结论

从以上分析及实验可知,复合主动控制系统利用反馈主动控制系统抵消低频噪声以降低发电机房的噪声总辐射,以及利用前馈主动噪声控制系统抵消发动机噪声的基频及其谐波分量,从而有效改善发电机房内噪声状况。该方案能克服被动消噪方法消减低频噪声必须使用造价昂贵、体积庞大和设备厚重的不足,又具有安装、维修方便等优点,方案的实施简单可行,具有较高的实用价值。

当然,柴油发电机房内噪声消减应综合应用各种消噪措施。针对柴油机房一般为永久性建筑,应采用被动控制和主动控制两种技术综合治理方案。例如对机房围护及门窗采取隔声措施;对进、出风采取阻性消声措施;对排气道采取抗性消声措施;给柴油机电站加隔声罩;对房间墙面作吸声处理等被动噪声控制技术也能很大程度地降低发电机房噪声的辐射[3][4]。主动和被动两种噪声控制技术的有机结合是柴油发电机房内噪声消减的发展趋势。

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