借助仿真開發噪聲控制方案

2016-12-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

現代世界中,在機器的噪聲下工作已經發展成為一個職業安全問題。為了保證工人的安全,我們可以借助仿真來開發一些低成本的噪聲控制方案。比勒費爾德應用科學大學的研究人員決定借助 COMSOL Multiphysics 仿真軟件來模擬聲傳播路徑,希望藉此實現噪聲控制。

被動與主動噪聲控制

工人們較常采用的噪聲防護方法是在耳罩內增加吸聲材料。您還可以在工作機械的周圍加裝聲屏障或吸聲器來實現同樣的效果。我們將這一技術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:通過經良好控制的聲源抵消噪聲發射,即主動噪聲控制或主動降噪 (ANC)。

ANC 系統將分析噪聲,然后發出一個反相的聲信號,藉此實現降噪。二者之和如果達到理想結果,將能完全抵消。例如,除播放音樂外,降噪耳機的揚聲器還將發射額外的信號來抵消由麥克風發出的噪聲。因此,它們能產生相消干涉,極大地降低原始噪聲。所有這些都由一個高級降噪算法負責控制。一般而言,在降噪耳機中,高頻噪聲由被動機制抵消(比如傳統的耳套),低頻及中頻噪聲由 ANC 系統抵消。

借助仿真開發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。

技術型工廠及廠房的低成本降噪方法

對許多技術型工廠及廠房而言,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解決方案的成本時。在一項名為“低成本機電系統”的研究項目中,我的同事Ing. Joachim Wa?muth 教授(博士)和他在比勒費爾德應用科學大學系統動力學研究所和機電一體化 ISyM 學院的團隊決定針對技術型工廠研究一個低成本的主動噪聲控制系統(1)。團隊以收割機的駕駛艙為例展開了研究,這是一種很典型的場景,機器的操控人員始終暴露在令人煩躁的噪聲下。

為了開發一個低成本系統,研究人員在 ANC 系統中使用了低成本的零件并選擇了一個基于完整模型的設計方法。除了基于模型的算法開發以及對技術零部件的模擬(例如,麥克風、放大器和揚聲器),了解聲傳播路徑也很重要。為了驗證他們的概念,他們選擇了兩套實驗裝置來對模擬與仿真進行基礎分析,我們將在下文中對此展開詳細介紹。

理解聲傳播路經

降噪作用通常只能限制在較小的空間內。隨著聲音在真實三維環境中的傳播,它將在實體表面經歷反射與折射,因此將很難識別大型區域中的聲場并進行測量。如要使用 ANC 方法,我們將需要了解降噪區域的相位和大小。

降噪作用主要取決于:

頻率
噪聲源的位置
負責發射所謂“反噪聲”的一個或多個揚聲器的位置
周圍空間的幾何,例如房間或駕駛艙

開發 ANC 系統時,能通過有限元模型復現真實世界中的情景這一點很重要。借助聲學仿真,我們將能詳細分析給定幾何內的不同聲傳播路經。

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測試裝置。為了驗證及確認模型,他們組裝了一根長度可調的管道作為測試裝置。

借助仿真開發噪聲控制方案cae-fea-theory圖片2

亞克力 (PMMA) 管道的一端安裝有可移動的揚聲器,另一端裝有麥克風。

為了對不同長度的管道系統進行了模擬,管道內的揚聲器將發射頻率為 50 Hz 到 5000 Hz 的正弦信號。借助管道另一端的麥克風測量所產生的聲壓級 (SPL) 。使用 COMSOL Multiphysics 的壓力聲學接口建立對應模型。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聲器;作為單極點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。

當選擇圓錐形平面用于揚聲器時,我們得到的結果最好。如下圖所示,仿真結果與測量數據高度一致。峰值可能有偏差,因為模擬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的關系。這將輕微更改聲音的等效速度。系統內可能還存在一些損耗,因為峰值略寬。當然,我們可以在一個更詳細的模型中加入這些效應,不過這些暫時不在本次研究的范圍內。

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測量數據(藍線)與數值結果(紅線)的對比。本例中管的長度為 450 mm。

測試裝置 2:收割機的駕駛室

接下來,團隊分析了一個真實應用:收割機駕駛室的內部。項目得到了農業工程機械制造商CLAAS的支持,CLAAS 為我們提供了一個收割機的駕駛室以便展開實際分析。將揚聲器作為駕駛室內的聲源,并在聽音位置安裝了一個麥克風。

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收割機駕駛室,紅框標出了聲源及麥克風的位置。

在 COMSOL Multiphysics 模型中,他們首先根據 CAD 數據為內部的空氣體積開發了一個簡化幾何模型。

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COMSOL Multiphysics 模型中的空氣域。

將揚聲器定義為單極點源,車窗定義為硬聲場邊界。由于需要考慮阻尼效應,因此使用阻抗邊界條件 (2) 中的多孔板選項模擬駕駛艙內的地板、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果很令人振奮?？梢酝ㄟ^加入更多的幾何細節(特別是對揚聲器而言)以及使用更高級的多孔介質材料模型來進一步改進模型。

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測量數據(藍線)與數值結果(紅線)的對比。這里可以使用 Delany-Bazley-Miki 半經驗模型(2)模擬多孔介質材料。

小結

在主動噪聲控制系統中,聲傳播路徑信息對系統性能有非常重要的影響。不過仿真難度可能較高,因為即使簡單的配置也需要具備物理及模擬方面的綜合經驗。

不過這里所示的第一個結果很令人振奮。我們可以通過進一步分析來處理更復雜的模型,同時如有可能,還可以通過模型降階輸出動態系統模型,例如狀態空間模型。

擴展閱讀

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“