CN104078037A - 低频双共振吸声结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低频双共振吸声结构及其设计方法，该结构包括扬声器单元及封闭背腔、负电阻、电容和电感。该结构的设计方法包括以下步骤：(1)测量扬声器单元TS参数；(2)串联负电阻、电容，调整第一个吸声峰值的位置；(3)串联电感，调整第二个吸声峰值的位置；(4)微调两个吸声峰值的位置。该吸声结构基于分流扬声器，能够较好的吸收具有多个特定频率的低频噪声。

Description

低频双共振吸声结构及其设计方法

一、技术领域

本发明涉及吸声结构的设计方法，尤其是涉及一种适用于低频的双共振吸声结构及其设计方法。

二、背景技术

电力系统(如变压器等)噪声、旋转往复型机械(如风扇等)噪声，其成分以低频噪声为主，且能量集中在数个特定频率处，如变压器噪声以100Hz、200Hz等频率成分为主。

现有的阻性吸声材料、吸声结构，如多孔吸声材料、穿孔板等，结构简单应用成本低。但多孔吸声材料在低频处需要较大的厚度才能实现较好的吸声效果。穿孔板配合空气背腔使用，利用共振机理吸声，对一定带宽的噪声有着较好的吸收效果，但频率越低，空气背腔的厚度也越大。

中国公开专利CN202093817描述了一种由穿孔板、弹簧、共振负载板构成的复合吸声结构，拓展了穿孔板的低频吸声能力，但200Hz以下吸声效果较差。CN102044239描述了一种穿孔板与共振腔组成的共振吸声结构，通过自适应改变腔体深度，改变低频吸声性能，但自适应调节设备较为复杂。CN202268160描述了一种由穿孔板、压电薄膜、噪声采集器以及自适应控制系统构成的吸声结构，通过采集噪声信号自适应改变微穿孔板的孔径来提高对特定噪声的吸收效果，但需要噪声采集器与自适应控制系统。

压电材料、声电换能器等可将声能量转化成电能。将其与分流电路结合，将电能在电路中转化为内能，从而实现对声能量的吸收。由于分流电路占用空间较小，吸声结构的整体厚度取决于换能器的厚度，因此基于分流技术的吸声方法可以在较薄的尺寸内较好地改善低频声吸收。

CN101929865描述了一种薄金属板、压电陶瓷以及分流电路构成的吸声结构，提高了金属板基频处的吸声系数，并拓展了低频吸声频带，但不能调节基频的位置。2007年，澳大利亚学者提出了用扬声器单元连接分流电路构成的共振吸声结构(Fleming，“Control of resonantacoustic sound fields by electrical shunting of a loudspeaker”，Control Systems Technology，IEEETransactions.15(4)，689-703，2007)；2014年中国学者利用微穿孔板和分流扬声器组成复合吸声结构；但二者的研究仅针对宽频吸收，未有对多个特定频率的噪声进行吸收的研究。

针对上述吸声结构厚度较大、需要自适应控制系统、无法针对多个特定频率进行吸收等缺点，本发明提供了一种结构简单、可针对多个特定频率进行吸收的吸声结构。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种低频双共振吸声结构及其设计方法。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的低频双共振吸声结构由扬声器单元及封闭背腔①，负电阻-R_E②，电容C_p③和电感L_p④构成；所述的负电阻②，电容③和电感④串联构成分流电路后并联在扬声器单元①两端，如图1所示。

本发明所述的低频双共振吸声结构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量扬声器单元①的TS参数。

(2)扬声器振膜与连接在振膜上的线圈等构成了一个振动系统，在扬声器振膜处有一定的声阻抗，对声波有一定吸收效果。

将动圈式扬声器的电学部分与力学部分折算至声学部分后类比线路图如图2所示，扬声器振膜处的等效声阻抗为：

$Z_L=R_{\mathrm{ms}}{S}^2+\mathrm{j\ω}{M}_{\mathrm{ms}}{S}^2+\frac{C_{\mathrm{ms}}+C_{\mathrm{ac}}S}{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{ms}}{C}_{\mathrm{ac}}}S+\frac{B^2{l}^2}{S(R_E+\mathrm{j\ω}{L}_E)}---\left(1\right)$

式中R_ms为振动系统的力阻，M_ms为扬声器和空气负载的机械质量，C_ms为振动系统的力顺，S为扬声器振膜面积，ω为角频率，j为复数符号，V为扬声器背腔体积，C_ac＝V/ρ₀c₀ ²S²为扬声器背腔声容，ρ₀、c₀分别为空气密度与空气内声速，B为扬声器磁隙中的磁通量密度，l为磁场中音圈导线长度，R_E为音圈直流电阻，L_E为音圈电感。

开路状态下共振频率f_L、吸声系数α如下：

$f_L=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{C_{\mathrm{ms}}+C_{\mathrm{ac}}S}{M_{\mathrm{ms}}{C}_{\mathrm{ms}}{C}_{\mathrm{ac}}S}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{Re}\left(Z_L\right)}{{[{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0+\mathrm{Re}\left(Z_L\right)]}^2+{\left[\mathrm{Im}\left(Z_L\right)\right]}^2}---\left(3\right)$

式中α为吸声系数，Z_L为扬声器振膜处等效声阻抗，Re(Z_L)、Im(Z_L)分别为Z_L的实部与虚部。系统在共振频率f_L处吸声系数达到最大值。

在扬声器上串联由负电阻-R_E(负电阻的实现可参考模拟电路设计教科书，如《电子技术基础模拟部分》第五版，高等教育出版社，2005)、电容器件C_p构成的分流电路后，扬声器振膜处的等效声阻抗为：

$Z_L=R_{\mathrm{ms}}{S}^2+\mathrm{j\ω}{M}_{\mathrm{ms}}{S}^2+\frac{C_{\mathrm{ms}}+C_{\mathrm{ac}}S}{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{ms}}{C}_{\mathrm{ac}}}S+\frac{B^2{l}^2}{S(\mathrm{j\ω}{L}_E+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_p})}---\left(4\right)$

共振频率如下，吸声系数在此处有一峰值。

$f_{L1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\left[\frac{C_{\mathrm{ms}}+C_{\mathrm{ac}}S}{(M_{\mathrm{ms}}S+B^2{l}^2{C}_p/S^2)C_{\mathrm{ms}}{C}_{\mathrm{ac}}}\right]}^{1/2}---\left(5\right)$

以上需要设计和调节的是：负电阻-R_E中R_E为扬声器单元音圈直流电阻；参照公式(5)，调节电容C_p，使第一个吸声峰值出现在设计的第一个共振频率处。当第一个吸声峰值出现的频率高于设计的频率较低的共振频率时，增大电容C_p；当第一个吸声峰值出现的频率低于设计的频率较低的共振频率时，减小电容C_p。

(3)在分流电路中添加电感器件L_p，扬声器振膜处的等效声阻抗为：

$Z_L=R_{\mathrm{ms}}{S}^2+\mathrm{j\ω}{M}_{\mathrm{ms}}{S}^2+\frac{C_{\mathrm{ms}}+C_{\mathrm{ac}}S}{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{ms}}{C}_{\mathrm{ac}}}S+\frac{B^2{l}^2}{S[\mathrm{j\ω}(L_E+L_p)+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_p}]}---\left(6\right)$

在第一个吸声峰值出现的频率之后出现第二个共振频率，吸声系数在此处有一峰值。

以上需要设计和调节的是：参照公式(7)，调节电感L_p使第二个吸声峰值出现在设计的第二个共振频率处。当第二个吸声峰值出现的频率高于设计的频率较高的共振频率时，增大电感L_p；当第二个吸声峰值出现的频率低于设计的频率较高的共振频率时，减小电感L_p。

(4)由于公式(5)和公式(7)中对共振频率的计算采用了近似处理，当电容C_p、电感L_p同时接入分流电路时，实际操作中两个共振频率与通过公式(5)和公式(7)得到的计算值有所偏差，需要对电容C_p和电感L_p做微调，以确保两个共振峰出现在设计的共振频率处。

对电容C_p和电感L_p微调的方法为：先根据步骤(2)所述方法调整电容C_p，同时改变两个吸声峰值出现的频率；再根据步骤(3)所述方法调整电感L_p，改变第二个吸声峰值出现的频率并对第一个吸声峰值频率做微调。

四、附图说明

图1为低频双共振吸声结构的示意图。

图2为分流阻抗为Z_E时动圈式扬声器的电力声类比线路图。

图3为实施例中扬声器单元未连接分流电路的吸声系数。

图4为实施例中双共振结构的实测吸声系数。

五、具体实施方式

以某扬声器单元为基础设计分流电路为例。经实测，扬声器单元参数如下：直流阻抗R_E＝31.1Ω，音圈电感为L_E＝9.84mH，扬声器磁隙中的磁通量密度B与磁场中音圈导线长度l的乘积为Bl＝17.02T·m，振动系统的力阻R_ms＝2.14kg/s、扬声器和空气负载的机械质量M_ms＝15.95_g、振动系统的力顺C_ms＝0.23mm/N、扬声器振膜面积S＝1.5×10^-2m²，扬声器背腔体积V＝5.53×10^-3m³。

1、扬声器单元的直流阻抗R_E＝31.1Ω，故选择适当元件搭建负电阻电路(负电阻的实现可参考模拟电路设计教科书，如《电子技术基础模拟部分》第五版，高等教育出版社，2005)，使负电阻电路的等效阻值为-R_E，即-31.1Ω。

2、根据技术方案中步骤(2)，选择电容C_p＝23μF，串联到分流电路中，使吸声系数的峰值出现在100Hz。

3、根据技术方案中步骤(3)，选择电感L_p＝31mH，串联到分流电路中，吸声系数出现第二个峰值，调整电感值，使该峰值出现在200Hz。

4、根据技术方案中步骤(4)，对电容C_p、电感L_p做微调，具体取值为C_p＝21μF、L_p＝33mH，此时两个峰值同时出现在100Hz和200Hz处，如图4所示。

测量结果：

采用本发明提供的设计方法，分流扬声器振膜处的吸声系数在100Hz、200H_z处吸声系数大于0.9。

Claims (5)

1.一种低频双共振的吸声结构，其特征在于，由扬声器单元及封闭背腔①，负电阻-R_E②，电容C_p③和电感L_p④构成；所述的负电阻②，电容③和电感④串联构成分流电路后并联在扬声器单元①两端。

2.如权利要求1中所述结构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量扬声器单元的TS参数；

(2)在扬声器①两端并联负电阻-R_E②以及电容C_p③，其中R_E为扬声器单元①的直流电阻，调节电容C_p③取值，使第一个吸声峰值出现在设计的频率较低的共振频率处；

(3)在电路中串联电感L_p④，调节电感L_p④取值，使第二个吸声峰值出现在设计的频率较高的共振频率处；

(4)反复微调电容C_p③和电感L_p④，确保吸声系数两个峰值同时出现在设计的两个共振频率处。

3.如权利要求2所述设计方法中调节第一个吸声峰值出现的频率的方法，其特征在于，当第一个吸声峰值出现的频率高于设计的频率较低的共振频率时，增大电容C_p③；当第一个吸声峰值出现的频率低于设计的频率较低的共振频率时，减小电容C_p③。

4.如权利要求2所述设计方法中调节第二个吸声峰值出现的频率的方法，其特征在于，当第二个吸声峰值出现的频率高于设计的频率较高的共振频率时，增大电感L_p④；当第二个吸声峰值出现的频率低于设计的频率较高的共振频率时，减小电感L_p④。

5.如权利要求2所述设计方法中微调两个吸声峰值频率的方法，其特征在于，先根据权利要求3所述方法调整电容C_p③，同时改变两个吸声峰值出现的频率；再根据权利要求4所述方法调整电感L_p④，改变第二个吸声峰值出现的频率并对第一个吸声峰值频率做微调。