借助仿真開發(fā)噪聲控制方案

2016-12-16 by:CAE仿真在線來源: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)安全問題。為了保證工人的安全,我們可以借助仿真來開發(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 仿真軟件來模擬聲傳播路徑,希望藉此實(shí)現(xiàn)噪聲控制。

被動與主動噪聲控制

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實(shí)現(xiàn)同樣的效果。我們將這一技術(shù)稱作被動阻尼或被動噪聲控制。由于被動噪聲控制對低頻噪聲的控制效果較差,對此我們可以使用另一種主動方法:通過經(jīng)良好控制的聲源抵消噪聲發(fā)射,即主動噪聲控制或主動降噪 (ANC)。

ANC 系統(tǒng)將分析噪聲,然后發(fā)出一個(gè)反相的聲信號,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,除播放音樂外,降噪耳機(jī)的揚(yáng)聲器還將發(fā)射額外的信號來抵消由麥克風(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。

借助仿真開發(fā)噪聲控制方案有限元理論圖片1

ANC 是針對簡單正弦信號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)決定針對技術(shù)型工廠研究一個(gè)低成本的主動噪聲控制系統(tǒng)(1)。團(tuán)隊(duì)以收割機(jī)的駕駛艙為例展開了研究,這是一種很典型的場景,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發(fā)以及對技術(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)裝置來對模擬與仿真進(jìn)行基礎(chǔ)分析,我們將在下文中對此展開詳細(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,因此將很難識別大型區(qū)域中的聲場并進(jìn)行測量。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

開發(fā) ANC 系統(tǒng)時(shí),能通過有限元模型復(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)。

測試裝置 1:PMMA 管道

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

借助仿真開發(fā)噪聲控制方案cae-fea-theory圖片2

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

為了對不同長度的管道系統(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。借助管道另一端的麥克風(fēng)測量所產(chǎn)生的聲壓級 (SPL) 。使用 COMSOL Multiphysics 的壓力聲學(xué)接口建立對應(yīng)模型。管道壁作為硬聲場邊界條件模擬。為了分析對測量 SPL 的影響,我們通過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)果與測量數(shù)據(jù)高度一致。峰值可能有偏差,因?yàn)槟M管道的長度略微不同于測試裝置,又或者是由于我們沒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?。?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),不過這些暫時(shí)不在本次研究的范圍內(nèi)。

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測量數(shù)據(jù)(藍(lán)線)與數(shù)值結(jié)果(紅線)的對比。本例中管的長度為 450 mm。

測試裝置 2:收割機(jī)的駕駛室

接下來,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)的駕駛室以便展開實(shí)際分析。將揚(yáng)聲器作為駕駛室內(nèi)的聲源,并在聽音位置安裝了一個(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)部的空氣體積開發(fā)了一個(gè)簡化幾何模型。

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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。

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

借助仿真開發(fā)噪聲控制方案有限元理論圖片6

測量數(shù)據(jù)(藍(lán)線)與數(shù)值結(jié)果(紅線)的對比。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)

在主動噪聲控制系統(tǒng)中,聲傳播路徑信息對系統(tǒng)性能有非常重要的影響。不過仿真難度可能較高,因?yàn)榧词购唵蔚呐渲靡残枰邆湮锢砑澳M方面的綜合經(jīng)驗(yàn)。

不過這里所示的第一個(gè)結(jié)果很令人振奮。我們可以通過進(jìn)一步分析來處理更復(fù)雜的模型,同時(shí)如有可能,還可以通過模型降階輸出動態(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“