1、第 44 卷 第 3 期安全Vol44 No32023 年 3 月Safety SecurityMar 2023引用格式:侯子龙，乔学礼，吴瑞基于分散式系统设计的有源声屏障实验研究 J 安全，2023，44(3):5762作者简介:侯子龙(1996)，山西太原人，本科，主要研究方向为噪声控制和声学测试。Email:1071060136qqcom通信作者:吴瑞(1981)，江苏南通人，博士，副研究员，主要研究方向为噪声与振动控制。Email:18611340928163comDOI:1019737/jcnkiissn10023631202303009基于分散式系统设计的有源声屏障实验研究侯子龙1
2、乔学礼2吴瑞3副研究员(1北京市劳保所科技发展有限责任公司，北京 100054;2北京市交通委员会，北京 100073;3 北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，北京 100054)【摘要】为解决有源声屏障集中式系统设计难以大尺度应用，而分散式系统将实现软边界作为目标导致的远场效果差的问题，本文在 Berkhoff 等工作基础上，基于分散式系统架构，提出基于声屏障顶部近场传声器的有源控制策略，从近场传感器信号导出虚拟误差信号以实现远场降噪。依据本方法在半消声室构建有源声屏障系统，通过实验测试验证提出的方法，实验表明:本文建立的有源声屏障系统在设计目标频段实现了声屏障后部大范围空间的有效
3、降噪;相比普通的集中式和分散式有源声屏障，本文方法具有降噪范围更大、更均衡，并可直接扩展至大尺度声屏障的优点。【关键词】有源声屏障;实验研究;分散式系统;远场中图分类号:X966文献标识码:A文章编号:10023631(2023)03005706基金资助:北京市财政资金项目(11000023T000001876365，11000022T000000446274)Experimental Study of Active Noise Barrier Basedon Distributed System DesignHOU Zilong1QIAO Xueli2WU ui3(1BMILP Scienc
4、e Technology Development Co，Ltd，Beijing 100054，China;2Beijing Municipal Commission of Transport，Beijing 100073，China;3Institute of Urban Safety and Environmental Science，Beijing Academyof Science and Technology，Beijing 100054，China)Abstract:In order to solve the problems that the centralized system
5、design of active noise barrier was difficultto be applied in a large scale and while the poor farfield effect was caused by the realization of soft bounda-ry as the goal of distributed system Based on the decentralized system，an active control strategy based onnearfield microphone at the top of soun
6、d barrier is proposed with the help of the work of Berkhoff et al inthis paper The virtual error signals were derived from nearfield sensor signals to achieve farfield noise re-duction According to this method，an active noise barrier system was constructed in a semianechoic cham-ber，and the proposed
7、 method was verified by experimental tests The experimental results show that the ac-tive noise barrier system established in this paper could effectively reduce the noise in a large range space be-hind the noise barrier in the designed target frequency band Compared with the common centralized and
8、dis-tributed active noise barriers，the proposed method has the advantages of larger noise reduction range，more75专项研究2023 年第 3 期基于分散式系统设计的有源声屏障实验研究balanced，and can be directly extended to large scale noise barriersKeywords:active noise barrier;experimental study;distributed system;far field0引言采用隔声屏障实
9、现噪声隔断是职业噪声控制和交通噪声控制中常见的控制措施。传统声屏障通常可有效降低中高频噪声的传播，但在低频段效果变差，而主动噪声控制技术由于其自身特点，通常在低频段效果较好，故可以结合主动控制技术采用主被动复合设计的形式，弥补和提升常规声屏障在低频的降噪性能。国内外已有不少有源声屏障方面的研究，国内以南京大学为代表的诸多单位在虚拟声屏障方面开展了相关研究工作，对隔声窗、变电站等应用场景开展了虚拟声屏障的工程实例应用研究。国内外既有工作大多围绕声屏障的结构和物理布放对降噪效果的影响展开16，也有部分研究工作进入产品级的试验阶段，如 Ohnishi 等7 设计了产品形式的反馈有源声屏障系统，在公路
10、旁安装 20m 长的有源声屏障进行了实验。从目前的研究来看，有源降噪技术在声屏障中的应用主要采用 2 种形式，即集中式系统设计和分散式系统设计。集中式设计采用多通道集中式系统的形式由统一的处理单元对所有的通道进行处理，并结合近场或(和)远场的误差传感器信号实施指定区域内的降噪，通常能达成某种最优化策略，但缺点是系统较为复杂，也受到通道数量的限制，难以在实际的大尺度情况下应用;另一种分散式设计810 将单一控制器的集中式计算分解为多个控制器分别运行，典型的方式是采用一系列单通道的控制器对声场进行近场局部点位的声控制，实现声屏障顶部软边界的效果以达成对衍射声的抑制作用。分散式设计由于采用的仅是局部
11、降噪策略，往往在目标区域的降噪效果低于集中式系统设计。本文立足于声源非稳、非定特性及声屏障单向大尺度的需求，以分散式自适应有源降噪系统设计为基础，以大范围控制为目标，融合了集中式预先参数设计和虚拟传感的方法，实施新的控制方法，并在半消声室内进行实验研究，本文方法继承了分散性系统便捷及低资源消耗的优点，将具备更便捷的推广应用潜力。1方法分散式有源声屏障系统一般将声屏障顶部区域实现软边界设为既定目标，但也有研究考虑将远场位置作为降噪目标。Berkhoff 在有源声屏障系统中使用虚拟传感器技术，并比较了误差信号为远场传感器信号、近场传感器信号和虚拟传感器信号 3种情况的降噪效果，指出使用虚拟传感器可
12、以达到使用远场传感器一样的效果。本文的有源噪声控制系统在 Berkhoff 的基础上，以单通道分散式系统为架构，采用虚拟传感的方法以求实现远场更大范围的控制区域。在一个单通道系统中定义如下变量，初级声扰动 d、参考信号 x、次级源控制信号 u、近场误差信号ey和远场误差信号 ez，较多的研究中将控制近场误差信号 ey作为控制手段，实现软边界的条件，但从物理模型看，近场误差信号 ey最小并不代表远场误差信号 ez最小。为了达到远场误差信号 ez最小的目标，可以采用构建近场至远场信号之间传递矩阵的办法，实时预估远场的误差信号。有源声屏障降噪模型，如图 1。其中，Gdx、Gdy、Gdz分别表示初级声
13、扰动到参考传声器、近场误差传声器、远场误差传声器之间的传递函数，Guy、Guz分别表示次级源控制信号到近场误差传声器、远场误差传声器之间的传递函数，Hyz表示近场误差传声器和远场误差传声器位置间的传递函数。dz和 sz分别表示初级声源和次级声源在远场处的声贡献。其中预估的dz可以采用预估值dy获得:dz=Hdyzdy。预估的sz也可以通过预估值sy获得:sz=Hsyzsy。sy由系统自身特性和 u 实时值所确定，进而dy也可获得，故系统的实现关键在于 Hdyz和 Hsyz的辨识，两者可以通过预先离线识别的方法获得，当次级源接近散射源并且两者辐射方式相同时，两者相等，但现实中简单布置的次级声源不
14、可能完全复现散射源，故两者应分别予以辨识。预估的远场误差信号ez由dz和sz相加实时获得，并用于自适应滤波器的系数更新计算。单通道852023 年第 3 期专项研究基于分散式系统设计的有源声屏障实验研究的自适应滤波算法不再赘述。图 1有源降噪模型Fig1Model of active noise control2实验装置及测试方法2 1实验声屏障设置在半消声室(截止频率小于 80Hz，背景噪声小于 30dB)设置长 50m，高 16m 的声屏障，屏体采用多层组合式隔声材料，保证隔声量大于 30dB。初级声源采用天朗音箱，型号 DC121，声源中心高度为 12m，距离声屏障直线距离 20m，在声
15、屏障水平方向上的投影位于声屏障的中心。在实验过程中声源功率保持恒定发出稳态噪声，并使在声影区噪声最低位置处声级仍大于 50dB，保证测试具备足够的信噪比。次级声源布置在声屏障顶部，以 06m 为间隔布置 8 个次级声源，声屏障布置照片，如图 2。考虑到次级声源的间距应尽量小于半波长，且半消声室截止频率的限制，故将有源噪声控制的设计考察频图 2声屏障实验照片Fig2Photo of noise barrier experiment带设置为 100300Hz，在测定参数时声源采用宽频噪声，而在对有源控制效果进行评估时，声源采用100300Hz 频段的稳态噪声。2 2参数预测试在本实验设置条件下，对
16、必要参数进行预先测定，主要用于确定单个控制系统自身的性能，以及近场控制点与远场控制点之间的传递特性。由于分散式系统简化了声源位置和接收点位置的多重影响，故也需要分析不同控制器传递特性的差异，以评估分散式系统是否有效。测定 Hdyz时，启动初级声源，测定声屏障上部近场控制点与远场控制点之间的传递特性。测定布置图，如图 3，其中远场控制点选择距离声屏障20m。集中式系统和分散式系统的差别表现在集中式系统需要测试获得各个位置处的 Hdyz，多个次级声源协同使控制点达到最佳降噪效果;而分散式系统将每个控制器后对应一定距离的控制点作为控制目标，故简化为测定一套参数。图 3Hdyz测试示意图Fig3Measurement diagram of Hdyz测定 Hsyz时，启动次级声源，测定近场控制点与远场控制点之间的传递特性。测定布置图，如图 4，同样的，对于分散式系统，仅需测定一套参数。图 4Hsyz测试示意图Fig4Measurement diagram of Hsyz95专项研究2023 年第 3 期基于分散式系统设计的有源声屏障实验研究单通道算法的实施采用北京市科学技术研究院城市安全与环境科