次级源和误差传感器布放对带弹性障板的充液直管声振复合有源控制的影响.pdf
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1、第 43 卷 第 3 期Vol.43,No.32024 年 5 月Journal of Applied AcousticsMay,2024 研究报告 次级源和误差传感器布放对带弹性障板的充液直管声振复合有源控制的影响郭格格1,2孙红灵1,2孙陆阳1米泽宁1,2(1 中国科学院噪声与振动重点实验室(声学研究所)北京100190)(2 中国科学院大学北京100049)摘要:针对充液管路系统噪声有源控制问题,研究了次级源和误差传感器布放对带弹性障板的充液直管管路系统有源消声与有源消振复合控制效果的影响。基于声固耦合方法建立了带弹性障板的充液直管管路系统的有限元模型,在声激励下对比了次级声源布放对系统
2、有源消声性能的影响,并在组合激励下分析了次级力源、次级声源和误差传感器布放对系统复合有源控制的影响。结果表明,非对称分布的次级声源容易激起管壁振动,进而带动障板振动,导致有源消声效果不佳;采用对称分布的次级声源可使低频段的降噪量提高10 dB以上。复合有源控制可进一步提升全频段的控制效果。通过增加振动误差传感器数量,可使绝大多数频点的降噪量提高1 20 dB不等。此外,在管壁上布放的两圈次级力源的间距小于管壁振动波长的1/4,且都不位于管壁振动节点附近时控制效果更好。关键词:弹性障板;组合激励;充液直管;有源消声;有源消振中图法分类号:TB535文献标识码:A文章编号:1000-310X(20
3、24)03-0505-08DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.03.005Influences of the placement of secondary sources and error sensors onacousto-vibration hybrid active control of the liquid-filled straight pipewith an elastic baffleGUO Gege1,2SUN Hongling1,2SUN Luyang1MI Zening1,2(1 Key Laboratory of Noise and V
4、ibration,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:For the active noise control of the liquid-filled pipe system,the influences of the placeiment ofsecondary sources and error sensors on the hybr
5、id active noise and vibration control effect of the liquid-filledstraight pipe system with an elastic baffle are studied.Based on the acoustic-solid coupling method,finiteelement models of the liquid-filled straight pipe systems with an elastic baffle are established.The influence ofthe placement of
6、 secondary sound sources on the active noise control performance of the system is comparedunder sound excitation.The influences of the placement of secondary force sources,secondary sound sourcesand error sensors on the hybrid active control of the system are also analyzed under combined excitation.
7、Theresults show that asymmetrically distributed secondary sound source tends to excite the pipe wall vibration,which in turn drives the vibration of the baffle,leading to poor active noise control effect.Symmetrically2022-11-30收稿;2023-02-09定稿国家自然科学基金项目(12004412)作者简介:郭格格(1996),女,河北衡水人,博士研究生,研究方向:噪声控制
8、。通信作者 E-mail:5062024 年 5 月distributed secondary sound sources can improve the noise reduction by more than 10 dB in the low frequencyband.Hybrid active control can further improve the control effect of the full frequency band.By increasingthe number of vibration error sensors,the noise reduction can
9、 be improved by anywhere from 1 20 dB atmost frequencies.In addition,the control effect is better when the distance between two-loop secondary forcesources placed on the pipe wall is less than 1/4 of the vibration wavelength of the pipe wall,and neither ofthem is located near the vibration node of t
10、he pipe wall.Keywords:Elastic baffle;Combined excitation;Liquid-filled straight pipe;Active noise control;Active vibra-tion control0 引言充液管路系统在输送质量流、能量流或动量流的过程中,不仅管路内部的液体会产生压力脉动,管壁也会产生结构振动,二者相互作用,互为激励,导致系统的声辐射特性复杂。在早期研究中,无限长充液管路系统的声传播问题15较为普遍。在管壁边界条件为自由或者刚性情况下,有限长充液管路68能量传递相关的研究也有不少。但以上研究基本只考虑管壁和管内液体
11、的声固耦合,而带弹性障板的充液管路系统不仅要考虑管内的耦合,还需要考虑管壁与障板之间的振动耦合,以及管外液体与障板的耦合。国内外学者针对带弹性障板的有限长充液管路系统中的弹性波传播特性以及耦合声能量问题进行了较为详尽的研究912。充液管路系统声传播机理的研究为后续系统噪声与振动的有源控制提供了理论指导,目前也有关于充液管路系统有源控制的研究1314。在充液管路系统的有源控制中,合理布放次级源和误差传感器是实现有效控制的基础。朱海珍15研究了多种激励条件下充液圆柱壳系统不同数量和类型的次级控制力的有源控制效果。黄河16采用数值方法研究了有限长充液圆柱壳管口声辐射有源控制中的次级源和控制目标的位置
12、布放问题。郭格格等17通过建立带有次级声源结构的充液直管管路模型,研究了次级声源的近场特性和布放以及管壁弹性对系统有源消声性能的影响。但上述次级源和误差传感器布放的研究没有考虑弹性障板,弹性障板不仅增加了系统的辐射面积,还会导致系统的声振传递路径更加复杂。孙运平等1819在泵水循环管路系统上实现了对流体介质的有源消声控制,并通过在弹性障板上布放作动器验证了流体声与结构声复合有源控制的可行性。但目前带弹性障板的充液管路系统有源消声与有源消振的耦合特性仍不清楚,次级源和误差传感器的布放方式也有待进一步研究。在文献17的基础上,本文在管路系统中加入了弹性障板,建立了带弹性障板的充液直管管路系统,研究
13、声激励下该系统的有源消声问题,并在初级激励为组合激励条件下,即同时存在声激励和力激励时研究该系统的有源消声与有源消振复合控制问题。通过组合控制管内声压和管壁振动,分析次级力源、次级声源和误差传感器布放对系统复合有源控制的影响,为带弹性障板以及弯管管路的复杂充液管路系统的综合控制提供理论依据。1带弹性障板的充液直管管路系统模型1.1系统模型在考虑次级声源结构的基础上,本文研究了带弹性障板的充液直管管路系统有源消声与有源消振的复合控制问题。在声固耦合方法基础上,建立的带弹性障板的充液直管管路系统的三维有限元模型如图1所示,分别为带单个次级声源的管路系统和带两个对称次级声源的管路系统。其中直管管路内
14、部充满水,末端连接方形障板,障板前方为半球形开阔水域。次级声源位于直管管路正中间,内部介质是空气,顶端与一弹簧相连,弹簧下端与一质量块相连,底部中间部分是圆形活塞,次级激励Fs施加在活塞和质量块上,具体结构如图2所示。直管管路左端为自由边界,右端与方形障板弹性连接,障板四周边界固定,半球形开阔水域边界为无反射边界。(a)?(b)?xxyyzz图1带弹性障板的充液直管管路系统有限元模型Fig.1 Finite element models of liquid-filled straightpipe systems with an elastic baffle第43卷 第3期郭格格等:次级源和误差
15、传感器布放对带弹性障板的充液直管声振复合有源控制的影响507?Fs图2次级声源的结构Fig.2 Structure of the secondary sound source带弹性障板的充液直管管路系统的直管长3000 mm,半径100 mm,管壁厚9.5 mm;方形障板边长2000 mm,厚32 mm;半球形水域半径5000 mm。次级声源高200 mm,半径50 mm,外壳厚9.5 mm;弹簧原长45 mm;质量块长60 mm,宽60 mm,高100 mm;圆形活塞半径40 mm。直管管路、次级声源外壳、质量块以及障板的材质都为碳钢,杨氏模量Ee=216 109Pa,泊松比=0.3,密度=
16、7800 kg/m3。圆形活塞的材质为铝,杨氏模量Ee=70 109Pa,泊松比=0.33,密度=2700 kg/m3。管路内部水域和半球形水域的材料参数为密度=1000 kg/m3,声速cf=1500 m/s。次级声源空气腔的材料参数为密度=1.225 kg/m3,声速ca=343 m/s。在充液管路系统的有源控制中,首先需要获得初级激励以及次级激励到误差传感器的传递函数,利用传递函数计算出最优次级激励的大小,进而将最优次级激励用于有源控制,最后计算控制效果。本文中的有源控制理论分析与文献17中的一致,不同的是本文用到的误差信号不仅有声压信号,还有振动加速度信号。1.2激励方式在本文的研究中
17、,对带弹性障板的充液直管管路系统施加了不同的初级激励。在管路系统有源消声研究中仅在管路左端水域界面施加平面波激励,声压幅值为 630 Pa,如图3(a)所示;在有源消声与有源消振复合控制研究中施加组合激励,即在水域界面施加平面波激励的同时还在管壁施加径向力激励,平面波激励的声压幅值仍为 630 Pa,径向力大小为1 N,如图3(b)所示。文中的有源消声指的是利用次级声源发出与初级激励产生的幅值相同而相位相反的声波,从而抵消管内的流体声;有源消振指的是利用次级力源产生与初级激励产生的幅值相同而相位相反的振动,从而抵消管壁的振动;复合有源控制指的是同时进行有源消声与有源消振的复合控制。PPF(a)
18、?(b)?图3激励方式示意图Fig.3 Schematic diagram of the motivation method2声激励下有源消声效果及分析在初级激励为平面波激励的基础上,对带单个次级声源和两个对称次级声源的管路系统开展线谱噪声的有源消声研究,研究频带为10 500 Hz,频率间隔为10 Hz,重点分析次级声源布放、管壁和障板的振动对系统有源消声性能的影响。在有源消声研究中,在管内选取声压误差点。为使系统更加紧凑,将声压误差点选在次级声源附近。带单个次级声源的管路系统的次级声源底部中心坐标为(0,109.5,1532)mm,管内声压误差点的坐标为误差点1(0,100,1462)mm
19、、误差点2(0,100,1462)mm。在弹性障板前方的半球形开阔水域中选取5个半球形截面作为监测截面,以控制前后监测截面的声功率级之差作为降噪量,其中监测截面1 半径5000 mm,监测截面2 半径3000 mm,监测截面3半径1500 mm,监测截面4半径1000 mm,监测截面5半径100 mm,与管路内径相同。以带单个次级声源的管路系统为例,管内误差点和管外监测截面的具体位置如图4所示,其中蓝色数字1和2表示的是误差点1和误差点2,红色数字1 5表示的是管外半球形监测截面1 监测截面5。5082024 年 5 月13245?xyz图4带单个次级声源的管路系统的管内误差点和管外监测截面F
20、ig.4 In-pipe error points and out-pipe monitor-ing cross-sections of the pipe system with a singlesecondary sound source在带单个次级声源的管路系统中,控制误差点1(记为控制I)的有源消声效果如图5所示,位于管口正前方的监测截面5在低频段的有源消声效果远好于其他监测截面,表明控制管内声压可有效减少管外的流体声。监测截面1 监测截面3的控制结果基本是一致的,因为监测截面3已完全覆盖障板和管口区域。但监测截面1 监测截面4在部分频点的控制效果不佳,甚至会放大。这是因为带单个次级声源
21、的管路系统控制时次级激励位于管路一侧,容易激起管壁振动,进而带动障板振动,0100200300400500?/Hz-2002040?/dB?1?2?3?4?5图5单个次级声源的有源消声效果Fig.5 Active noise control effect of a single sec-ondary source通过结构声向外辐射能量,从而导致单一的有源消声效果不佳。为此建立了带两个对称次级声源的管路系统,如图1(b)所示。在误差点数目相同的条件下(控制误差点1和误差点2,记为控制II),对比了带单个次级声源和两个对称次级声源的两种管路系统的有源消声效果,结果如图6所示,单个代表带单个次级声源
22、的管路系统,两个代表带两个对称次级声源的管路系统。由结果可知,在100 Hz附近频段内,带两个对称次级声源的管路系统各个监测截面上的降噪量都比带单个次级声源的管路系统大10 dB以上。当次级声源对称分布在管路两侧时,不容易(a)?10100200300400500?/Hz(b)?2?/Hz(c)?3?/Hz(d)?4?/Hz(e)?5?/Hz-200204060?/dB?/dB?/dB?/dB?/dB0100200300400500-2002040600100200300400500-2002040600100200300400500-2002040600100200300400500-200
23、204060?图6两种管路系统的有源消声效果对比Fig.6 Comparison of active noise control effect of two pipe systems第43卷 第3期郭格格等:次级源和误差传感器布放对带弹性障板的充液直管声振复合有源控制的影响509激起管壁振动,所以低频段内管外噪声的控制效果更好。而较高频段内,带两个对称次级声源的管路系统有源消声的降噪量略小于带单个次级声源的管路系统,主要是因为多次级声源的无源控制效果更好,且多次级声源管路系统的管内声场更加复杂。上述结果与文献17中的分析类似。进一步对比了两种管路系统的振动速度级,结果如图7所示。不论是控制前的
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