主动噪声控制中的声传播路径仿真

今天，Lars Fromme 将以比勒费尔德应用科学大学 （FH Bielefeld University of Applied Sciences）教授的身份回归我们的博客。

现代世界中，在机器的噪声下工作已经发展成为一个职业安全问题。为了保证工人的安全，我们可以借助仿真来开发一些低成本的噪声控制方案。比勒费尔德应用科学大学的研究人员决定借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件来模拟声传播路径，希望藉此实现噪声控制。

被动与主动噪声控制

工人们较常采用的噪声防护方法是在耳罩内增加吸声材料。您还可以在工作机械的周围加装声屏障或吸声器来实现同样的效果。我们将这一技术称作被动阻尼或被动噪声控制。由于被动噪声控制对低频噪声的控制效果较差，对此我们可以使用另一种主动方法：通过经良好控制的声源抵消噪声发射，即主动噪声控制或主动降噪(ANC)。

ANC 系统将分析噪声，然后发出一个反相的声信号，藉此实现降噪。二者之和如果达到理想结果，将能完全抵消。例如，除播放音乐外，降噪耳机的扬声器还将发射额外的信号来抵消由麦克风发出的噪声。因此，它们能产生相消干涉，极大地降低原始噪声。所有这些都由一个高级降噪算法负责控制。一般而言，在降噪耳机中，高频噪声由被动机制抵消（比如传统的耳套），低频及中频噪声由 ANC 系统抵消。

ANC 是针对简单正弦信号的主要相消干涉方法。

技术型工厂及厂房的低成本降噪方法

对许多技术型工厂及厂房而言，降噪是他们面临的最大难题之一，特别是在还需要考虑技术解决方案的成本时。在一项名为“低成本机电系统”的研究项目中，我的同事Ing. Joachim Waßmuth 教授（博士）和他在比勒费尔德应用科学大学系统动力学研究所和机电一体化 ISyM 学院的团队决定针对技术型工厂研究一个低成本的主动噪声控制系统(1)。团队以收割机的驾驶舱为例展开了研究，这是一种很典型的场景，机器的操控人员始终暴露在令人烦躁的噪声下。

为了开发一个低成本系统，研究人员在 ANC 系统中使用了低成本的零件并选择了一个基于完整模型的设计方法。除了基于模型的算法开发以及对技术零部件的模拟（例如，麦克风、放大器和扬声器），了解声传播路径也很重要。为了验证他们的概念，他们选择了两套实验装置来对模拟与仿真进行基础分析，我们将在下文中对此展开详细介绍。

理解声传播路经

降噪作用通常只能限制在较小的空间内。随着声音在真实三维环境中的传播，它将在实体表面经历反射与折射，因此将很难识别大型区域中的声场并进行测量。如要使用 ANC 方法，我们将需要了解降噪区域的相位和大小。

降噪作用主要取决于：

• 频率
• 噪声源的位置
• 负责发射所谓“反噪声”的一个或多个扬声器的位置
• 周围空间的几何，例如房间或驾驶舱

开发 ANC 系统时，能通过有限元模型复现真实世界中的情景这一点很重要。借助声学仿真，我们将能详细分析给定几何内的不同声传播路经。

测试装置 1：PMMA 管道

为了尽量减少几何对建模的约束，研究人员选择管道作为第一个测试装置。为了验证及确认模型，他们组装了一根长度可调的管道作为测试装置。

亚克力 (PMMA) 管道的一端安装有可移动的扬声器，另一端装有麦克风。

为了对不同长度的管道系统进行了模拟，管道内的扬声器将发射频率为 50 Hz 到 5000 Hz 的正弦信号。借助管道另一端的麦克风测量所产生的声压级 (SPL) 。使用 COMSOL Multiphysics 的压力声学接口建立对应模型。 管道壁作为硬声场边界条件模拟。为了分析对测量 SPL 的影响，我们通过几种不同的方式模拟了扬声器；作为单极点源或作为拥有不同形状（平面、球形或圆锥形）与法向加速度的平面。

当选择圆锥形平面用于扬声器时，我们得到的结果最好。如下图所示，仿真结果与测量数据高度一致。峰值可能有偏差，因为模拟管道的长度略微不同于测试装置，又或者是由于我们没有加入壁的弹性效应的关系。这将轻微更改声音的等效速度。系统内可能还存在一些损耗，因为峰值略宽。当然，我们可以在一个更详细的模型中加入这些效应，不过这些暂时不在本次研究的范围内。

测量数据（蓝线）与数值结果（红线）的对比。本例中管的长度为 450 mm。

测试装置 2：收割机的驾驶室

接下来，团队分析了一个真实应用：收割机驾驶室的内部。项目得到了农业工程机械制造商CLAAS的支持，CLAAS 为我们提供了一个收割机的驾驶室以便展开实际分析。将扬声器作为驾驶室内的声源，并在听音位置安装了一个麦克风。

收割机驾驶室，红框标出了声源及麦克风的位置。

在 COMSOL Multiphysics 模型中，他们首先根据 CAD 数据为内部的空气体积开发了一个简化几何模型。

COMSOL Multiphysics 模型中的空气域。

将扬声器定义为单极点源，车窗定义为硬声场边界。由于需要考虑阻尼效应，因此使用阻抗边界条件(2)中的多孔板选项模拟驾驶舱内的地板、装饰顶棚以及座椅的吸声及阻尼表面。

如下方的对比图所示，我们通过这一简单方法得到的仿真结果很令人振奋。可以通过加入更多的几何细节（特别是对扬声器而言）以及使用更高级的多孔介质材料模型来进一步改进模型。

测量数据（蓝线）与数值结果（红线）的对比。这里可以使用 Delany-Bazley-Miki 半经验模型(2)模拟多孔介质材料。

小结

在主动噪声控制系统中，声传播路径信息对系统性能有非常重要的影响。不过仿真难度可能较高，因为即使简单的配置也需要具备物理及模拟方面的综合经验。

不过这里所示的第一个结果很令人振奋。我们可以通过进一步分析来处理更复杂的模型，同时如有可能，还可以通过模型降阶输出动态系统模型，例如状态空间模型。

扩展阅读

1. Kaupmann, D., Lehmann, T. Waßmuth, J.: Methodische Entwicklung kostengünstiger Störschallkompensationssysteme, VDI Fachtagung Mechatronik, 2015
2. COMSOL Multiphysics, Acoustics Module — User’s Guide, V5.1, 2015
3. COMSOL Conference 2015 Grenoble poster abstract: “Simulation of Acoustical Transfer Paths for Active Noise Control“

关于特约作者

Lars Fromme 于 2002 年获得了物理学学位。之后，他一直在比勒费尔德大学的理论高能物理组工作，专注研究天体粒子物理学和宇宙学等领域。Fromme 在 2006 年获得博士学位并加入 COMSOL Multiphysics 集团在哥廷根的办公室，最初作为一名技术销售工程师，并在几年后晋升为市场部经理；同时还负责 COMSOL Multiphysics 在德国的培训课程。2013 年后，Fromme 成为比勒费尔德应用科学大学的一名教授，主要教授物理、数值及多物理场仿真。