借助仿真開(kāi)發(fā)噪聲控制方案

2016-12-16 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)代世界中,在機(jī)器的噪聲下工作已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)職業(yè)安全問(wèn)題。為了保證工人的安全,我們可以借助仿真來(lái)開(kāi)發(fā)一些低成本的噪聲控制方案。比勒費(fèi)爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的研究人員決定借助 COMSOL Multiphysics 仿真軟件來(lái)模擬聲傳播路徑,希望藉此實(shí)現(xiàn)噪聲控制。

被動(dòng)與主動(dòng)噪聲控制

工人們較常采用的噪聲防護(hù)方法是在耳罩內(nèi)增加吸聲材料。您還可以在工作機(jī)械的周圍加裝聲屏障或吸聲器來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的效果。我們將這一技術(shù)稱作被動(dòng)阻尼或被動(dòng)噪聲控制。由于被動(dòng)噪聲控制對(duì)低頻噪聲的控制效果較差,對(duì)此我們可以使用另一種主動(dòng)方法:通過(guò)經(jīng)良好控制的聲源抵消噪聲發(fā)射,即主動(dòng)噪聲控制或主動(dòng)降噪 (ANC)。

ANC 系統(tǒng)將分析噪聲,然后發(fā)出一個(gè)反相的聲信號(hào),藉此實(shí)現(xiàn)降噪。二者之和如果達(dá)到理想結(jié)果,將能完全抵消。例如,除播放音樂(lè)外,降噪耳機(jī)的揚(yáng)聲器還將發(fā)射額外的信號(hào)來(lái)抵消由麥克風(fēng)發(fā)出的噪聲。因此,它們能產(chǎn)生相消干涉,極大地降低原始噪聲。所有這些都由一個(gè)高級(jí)降噪算法負(fù)責(zé)控制。一般而言,在降噪耳機(jī)中,高頻噪聲由被動(dòng)機(jī)制抵消(比如傳統(tǒng)的耳套),低頻及中頻噪聲由 ANC 系統(tǒng)抵消。

借助仿真開(kāi)發(fā)噪聲控制方案有限元理論圖片1

ANC 是針對(duì)簡(jiǎn)單正弦信號(hào)的主要相消干涉方法。

技術(shù)型工廠及廠房的低成本降噪方法

對(duì)許多技術(shù)型工廠及廠房而言,降噪是他們面臨的最大難題之一,特別是在還需要考慮技術(shù)解決方案的成本時(shí)。在一項(xiàng)名為“低成本機(jī)電系統(tǒng)”的研究項(xiàng)目中,我的同事Ing. Joachim Wa?muth 教授(博士)和他在比勒費(fèi)爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究所和機(jī)電一體化 ISyM 學(xué)院的團(tuán)隊(duì)決定針對(duì)技術(shù)型工廠研究一個(gè)低成本的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)(1)。團(tuán)隊(duì)以收割機(jī)的駕駛艙為例展開(kāi)了研究,這是一種很典型的場(chǎng)景,機(jī)器的操控人員始終暴露在令人煩躁的噪聲下。

為了開(kāi)發(fā)一個(gè)低成本系統(tǒng),研究人員在 ANC 系統(tǒng)中使用了低成本的零件并選擇了一個(gè)基于完整模型的設(shè)計(jì)方法。除了基于模型的算法開(kāi)發(fā)以及對(duì)技術(shù)零部件的模擬(例如,麥克風(fēng)、放大器和揚(yáng)聲器),了解聲傳播路徑也很重要。為了驗(yàn)證他們的概念,他們選擇了兩套實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)對(duì)模擬與仿真進(jìn)行基礎(chǔ)分析,我們將在下文中對(duì)此展開(kāi)詳細(xì)介紹。

理解聲傳播路經(jīng)

降噪作用通常只能限制在較小的空間內(nèi)。隨著聲音在真實(shí)三維環(huán)境中的傳播,它將在實(shí)體表面經(jīng)歷反射與折射,因此將很難識(shí)別大型區(qū)域中的聲場(chǎng)并進(jìn)行測(cè)量。如要使用 ANC 方法,我們將需要了解降噪?yún)^(qū)域的相位和大小。

降噪作用主要取決于:

頻率
噪聲源的位置
負(fù)責(zé)發(fā)射所謂“反噪聲”的一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器的位置
周圍空間的幾何,例如房間或駕駛艙

開(kāi)發(fā) ANC 系統(tǒng)時(shí),能通過(guò)有限元模型復(fù)現(xiàn)真實(shí)世界中的情景這一點(diǎn)很重要。借助聲學(xué)仿真,我們將能詳細(xì)分析給定幾何內(nèi)的不同聲傳播路經(jīng)。

測(cè)試裝置 1:PMMA 管道

為了盡量減少幾何對(duì)建模的約束,研究人員選擇管道作為第一個(gè)測(cè)試裝置。為了驗(yàn)證及確認(rèn)模型,他們組裝了一根長(zhǎng)度可調(diào)的管道作為測(cè)試裝置。

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亞克力 (PMMA) 管道的一端安裝有可移動(dòng)的揚(yáng)聲器,另一端裝有麥克風(fēng)。

為了對(duì)不同長(zhǎng)度的管道系統(tǒng)進(jìn)行了模擬,管道內(nèi)的揚(yáng)聲器將發(fā)射頻率為 50 Hz 到 5000 Hz 的正弦信號(hào)。借助管道另一端的麥克風(fēng)測(cè)量所產(chǎn)生的聲壓級(jí) (SPL) 。使用 COMSOL Multiphysics 的壓力聲學(xué)接口建立對(duì)應(yīng)模型。管道壁作為硬聲場(chǎng)邊界條件模擬。為了分析對(duì)測(cè)量 SPL 的影響,我們通過(guò)幾種不同的方式模擬了揚(yáng)聲器;作為單極點(diǎn)源或作為擁有不同形狀(平面、球形或圓錐形)與法向加速度的平面。

當(dāng)選擇圓錐形平面用于揚(yáng)聲器時(shí),我們得到的結(jié)果最好。如下圖所示,仿真結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)高度一致。峰值可能有偏差,因?yàn)槟M管道的長(zhǎng)度略微不同于測(cè)試裝置,又或者是由于我們沒(méi)有加入壁的彈性效應(yīng)的關(guān)系。這將輕微更改聲音的等效速度。系統(tǒng)內(nèi)可能還存在一些損耗,因?yàn)榉逯德詫挕．?dāng)然,我們可以在一個(gè)更詳細(xì)的模型中加入這些效應(yīng),不過(guò)這些暫時(shí)不在本次研究的范圍內(nèi)。

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測(cè)量數(shù)據(jù)(藍(lán)線)與數(shù)值結(jié)果(紅線)的對(duì)比。本例中管的長(zhǎng)度為 450 mm。

測(cè)試裝置 2:收割機(jī)的駕駛室

接下來(lái),團(tuán)隊(duì)分析了一個(gè)真實(shí)應(yīng)用:收割機(jī)駕駛室的內(nèi)部。項(xiàng)目得到了農(nóng)業(yè)工程機(jī)械制造商CLAAS的支持,CLAAS 為我們提供了一個(gè)收割機(jī)的駕駛室以便展開(kāi)實(shí)際分析。將揚(yáng)聲器作為駕駛室內(nèi)的聲源,并在聽(tīng)音位置安裝了一個(gè)麥克風(fēng)。

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收割機(jī)駕駛室,紅框標(biāo)出了聲源及麥克風(fēng)的位置。

在 COMSOL Multiphysics 模型中,他們首先根據(jù) CAD 數(shù)據(jù)為內(nèi)部的空氣體積開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)化幾何模型。

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COMSOL Multiphysics 模型中的空氣域。

將揚(yáng)聲器定義為單極點(diǎn)源,車窗定義為硬聲場(chǎng)邊界。由于需要考慮阻尼效應(yīng),因此使用阻抗邊界條件 (2) 中的多孔板選項(xiàng)模擬駕駛艙內(nèi)的地板、裝飾頂棚以及座椅的吸聲及阻尼表面。

如下方的對(duì)比圖所示,我們通過(guò)這一簡(jiǎn)單方法得到的仿真結(jié)果很令人振奮?？梢酝ㄟ^(guò)加入更多的幾何細(xì)節(jié)(特別是對(duì)揚(yáng)聲器而言)以及使用更高級(jí)的多孔介質(zhì)材料模型來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)模型。

借助仿真開(kāi)發(fā)噪聲控制方案有限元理論圖片6

測(cè)量數(shù)據(jù)(藍(lán)線)與數(shù)值結(jié)果(紅線)的對(duì)比。這里可以使用 Delany-Bazley-Miki 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>(2)模擬多孔介質(zhì)材料。

小結(jié)

在主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)中,聲傳播路徑信息對(duì)系統(tǒng)性能有非常重要的影響。不過(guò)仿真難度可能較高,因?yàn)榧词购?jiǎn)單的配置也需要具備物理及模擬方面的綜合經(jīng)驗(yàn)。

不過(guò)這里所示的第一個(gè)結(jié)果很令人振奮。我們可以通過(guò)進(jìn)一步分析來(lái)處理更復(fù)雜的模型,同時(shí)如有可能,還可以通過(guò)模型降階輸出動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型,例如狀態(tài)空間模型。

擴(kuò)展閱讀

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