陳克安

西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072

有源噪聲控制技術(shù)及其在艦船中的應(yīng)用

陳克安

西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072

有源噪聲控制技術(shù)作為與傳統(tǒng)噪聲控制技術(shù)互補(bǔ)性極強(qiáng)的一種新型噪聲控制技術(shù)，歷經(jīng)30多年的蓬勃發(fā)展，在基礎(chǔ)理論、研究方法、關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等各方面均已形成一套完整的體系，在實(shí)際應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和商業(yè)推廣方面也獲得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，這為艦船領(lǐng)域中應(yīng)用該噪聲控制技術(shù)提供了可能性。首先，綜述了開(kāi)發(fā)有源噪聲控制系統(tǒng)所必須的聲場(chǎng)分析、系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)，描述了有源控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的典型案例，包括艦船艙室噪聲有源控制、管道噪聲有源控制等。然后，針對(duì)有源控制技術(shù)在艦船噪聲控制中的進(jìn)一步應(yīng)用，論述了有源吸聲、有源隔聲及智能聲學(xué)結(jié)構(gòu)等前沿技術(shù)的可行性及需要解決的問(wèn)題。

有源噪聲控制；聲場(chǎng)分析；艦船噪聲

0 引 言

噪聲控制是眾多行業(yè)和領(lǐng)域必須面對(duì)的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)方法主要以聲學(xué)控制技術(shù)為主，包括吸聲、隔聲、使用消聲器、隔離與降低振動(dòng)等，其機(jī)理是噪聲聲波與聲學(xué)材料或結(jié)構(gòu)相互作用、消耗聲能從而降低噪聲，該方法屬于無(wú)源或被動(dòng)式的控制方法?？傮w而言，無(wú)源控制方法對(duì)于降低中高頻噪聲較為有效，而對(duì)低頻噪聲的控制效果則不明顯。因此，德國(guó)發(fā)明家Leug于1933年提出有源消噪（Active noise cancellation）思想［1］，但直到上世紀(jì)70帶年代末、80年代初才引起重視。歷經(jīng)30多年已發(fā)展為與傳統(tǒng)噪聲控制互補(bǔ)的新型噪聲控制技術(shù)——有源噪聲控制（Active Noise Control，ANC），即主動(dòng)噪聲控制。該理念的提出與發(fā)展在噪聲控制領(lǐng)域具有里程碑意義，它推動(dòng)了聲學(xué)基礎(chǔ)理論、信號(hào)處理與控制技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，拓展了聲場(chǎng)與振動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域［2～4］。

有源噪聲控制是通過(guò)幅度和相位可調(diào)的聲源（次級(jí)聲源）聲波與需抵消的噪聲（初級(jí)噪聲）聲波發(fā)生相消性干涉來(lái)降噪。其與傳統(tǒng)的無(wú)源降噪措施相比，除了具備低頻降噪效果好這一固有特性外，還有系統(tǒng)重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。有源噪聲控制技術(shù)已形成了一套較為成熟的基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)方法，成為一種不可或缺的噪聲控制手段，目前已開(kāi)發(fā)出具有一定市場(chǎng)前景和社會(huì)影響力的產(chǎn)品。艦船作為一種復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)與使用中的噪聲與振動(dòng)問(wèn)題日漸突出，對(duì)有源控制技術(shù)的需求十分迫切。

1 典型聲場(chǎng)中有源控制的聲場(chǎng)分析

在一個(gè)特定空間中實(shí)現(xiàn)有源控制的本質(zhì)是使人工產(chǎn)生的聲場(chǎng)（次級(jí)聲場(chǎng)）與需抵消的聲場(chǎng)（初級(jí)聲場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)空間分布和時(shí)間歷程上的反相位匹配，其中產(chǎn)生兩種聲場(chǎng)的聲源分別稱(chēng)為初級(jí)聲源和次級(jí)聲源。因此，設(shè)計(jì)有源噪聲控制系統(tǒng)的第一步是分析初級(jí)聲場(chǎng)特性，依據(jù)控制目標(biāo)完成次級(jí)聲源的布放設(shè)計(jì)，即確定次級(jí)聲源的類(lèi)型、數(shù)量和布放位置。

有源控制中的初級(jí)聲場(chǎng)分為自由聲場(chǎng)和有界聲場(chǎng)2類(lèi)，后者可分為一維管道聲場(chǎng)和三維封閉空間聲場(chǎng)2種形式。按聲模態(tài)密度的大小，三維封閉空間聲場(chǎng)可進(jìn)一步細(xì)分為駐波聲場(chǎng)和擴(kuò)散聲場(chǎng)。為了實(shí)現(xiàn)局部空間和全空間的有源消噪，理論上次級(jí)聲源的最優(yōu)布放原則應(yīng)遵循惠更斯原理（Haygens principle），即要求具有三極子（位于同一位置的1個(gè)單極子和1個(gè)偶極子）特性的次級(jí)聲源連續(xù)布放在包圍初級(jí)聲源或需消聲的局部空間的閉合曲面上。此外，需要監(jiān)測(cè)初、次級(jí)聲場(chǎng)的輻射聲功率以實(shí)現(xiàn)最大程度的降噪。但實(shí)際上次級(jí)聲源和監(jiān)測(cè)傳感器（在自適應(yīng)有源控制系統(tǒng)中稱(chēng)為誤差傳感器）的數(shù)量和布放位置均有限，因此不同初級(jí)聲場(chǎng)下的次級(jí)聲源和誤差傳感器的布放呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。

1.1 自由聲場(chǎng)中的有源控制

如果聲波僅從聲源向四周輻射，不受邊界和其他物體的阻礙，也無(wú)其他聲波的干擾，這種聲場(chǎng)即為自由聲場(chǎng)。有源噪聲控制研究中常將下列聲場(chǎng)近似為自由聲場(chǎng)：曠野中變壓器輻射的噪聲聲場(chǎng)、天空中飛機(jī)向外輻射的噪聲聲場(chǎng)、深海中水面艦船及水下航行器向外輻射的噪聲聲場(chǎng)（忽略地面反射造成的影響）等。因自由聲場(chǎng)中的聲波傳播形式和聲場(chǎng)分析方法相對(duì)簡(jiǎn)單，有源噪聲控制的作用機(jī)理相對(duì)容易，故研究歷史最為悠久。

任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲輻射均可等效為單極子源或者多個(gè)單極子源的組合，因此研究的重點(diǎn)是初、次級(jí)聲源為單極子或單極子陣列的有源噪聲控制。如果初級(jí)聲源陣列由N個(gè)點(diǎn)聲源組成，次級(jí)聲源陣列由M個(gè)點(diǎn)聲源組成，其聲源強(qiáng)度矢量可分別記為qp和qs。為了實(shí)現(xiàn)初、次級(jí)聲源輻射總聲功率最小的控制目標(biāo)，最優(yōu)次級(jí)聲源強(qiáng)度矢量qso和有源控制后的最小聲功率Wo可分別表示為［5］

式中：Zp和Zs分別為初級(jí)聲源和次級(jí)聲源的對(duì)稱(chēng)聲傳輸阻抗矩陣；rp和rs分別為初級(jí)聲源和次級(jí)聲源的位置向量；H為對(duì)復(fù)數(shù)矩陣求共軛轉(zhuǎn)置。

式（1）和式（2）是有源噪聲控制理論研究的基礎(chǔ)公式，適用于任意形式的聲場(chǎng)，只是不同聲場(chǎng)中的聲傳輸阻抗矩陣有所差別。

依據(jù)以上公式的計(jì)算和仿真［4］結(jié)果，自由聲場(chǎng)中，初、次級(jí)聲源的相對(duì)距離必須小于聲波半波長(zhǎng)，單極子次級(jí)聲源才能達(dá)到1 dB以上的降噪效果，同時(shí)增加次級(jí)聲源數(shù)量也可以改善控制效果。此外，理論上采用多極子及高階極子形式的次級(jí)聲源，亦可增強(qiáng)降噪效果。

由于自由聲場(chǎng)形式簡(jiǎn)單，可以利用最優(yōu)化方法進(jìn)行次級(jí)聲源和誤差傳感器布放方案的解析與優(yōu)化研究。為了降低有源控制系統(tǒng)復(fù)雜度，可通過(guò)有源控制進(jìn)行局部空間降噪，即制造局部有源靜區(qū)［6］，有源耳罩和有源聲屏障就是2個(gè)典型案例。

1.2 管道聲場(chǎng)中的有源控制

管道聲場(chǎng)是指無(wú)限長(zhǎng)或半無(wú)限長(zhǎng)管道內(nèi)部或外部聲源在管道內(nèi)部產(chǎn)生的聲場(chǎng)，主要針對(duì)次級(jí)聲源頻率小于管道截止頻率的工況進(jìn)行有源控制研究，此時(shí)管道中僅傳播平面波。平面波聲場(chǎng)有源控制的理論分析較簡(jiǎn)單，主要需解決次級(jí)聲源“聲反饋”問(wèn)題。因次級(jí)聲源會(huì)同時(shí)向管道下游和管道上游輻射聲波，使參考傳感器拾取初級(jí)信號(hào)受到干擾，從而嚴(yán)重影響有源控制過(guò)程的穩(wěn)定性。為了消除次級(jí)聲反饋，主要有2種解決方案：一是將聲反饋?zhàn)鳛檎麄€(gè)控制對(duì)象的一部分，綜合考慮控制器的設(shè)計(jì)方案；二是采用或設(shè)計(jì)單指向性次級(jí)聲源，最大程度地減少聲反饋對(duì)參考傳感器的影響。

1.3 駐波聲場(chǎng)中的有源控制

駐波聲場(chǎng)中的聲波呈現(xiàn)出明顯的空間分布，每一個(gè)具有駐波形式的聲場(chǎng)分布又稱(chēng)為聲模態(tài)。理論上，為有效降低全空間中的聲能或聲勢(shì)能，次級(jí)聲源的布放原則包括［7］：

1）如果次級(jí)聲源置于聲模態(tài)節(jié)線上，則無(wú)論聲源強(qiáng)度多大都不能激發(fā)這階聲模態(tài)，從而無(wú)法控制初級(jí)聲場(chǎng)；如果次級(jí)聲源距離聲模態(tài)節(jié)線太近，則其聲源強(qiáng)度必須非常大才能控制初級(jí)聲場(chǎng)，從而不能有效控制空間總聲勢(shì)能。

2）低頻條件下，即使初、次級(jí)聲源的距離大于聲波半波長(zhǎng)，也能取得明顯的降噪效果。

3）一個(gè)次級(jí)聲源置于幾個(gè)主導(dǎo)聲模態(tài)的最大幅值處時(shí)，可以抵消這幾個(gè)聲模態(tài)而不會(huì)激發(fā)其他聲模態(tài)。

4）幾個(gè)次級(jí)聲源單獨(dú)作用不能抵消的聲模態(tài)，聯(lián)合作用則可抵消。

一般應(yīng)盡量增加誤差傳感器的布放數(shù)量，其布放原則包括［8］：

1）誤差傳感器和次級(jí)聲源的布放原則總體上類(lèi)似，但不相同。

2）誤差傳感器最好置于聲模態(tài)反節(jié)面處。

3）誤差傳感器置于聲模態(tài)節(jié)面處時(shí)無(wú)法工作，而且將導(dǎo)致有源控制后的空間總平均聲勢(shì)能比控制前大。

1.4 擴(kuò)散聲場(chǎng)中的有源控制

在擴(kuò)散聲場(chǎng)中通過(guò)有源控制不能降低全空間聲勢(shì)能，但可以降低局部空間噪聲。研究表明，通過(guò)有源控制可降低以觀察點(diǎn)或誤差傳感器為中心的空間區(qū)域初級(jí)聲場(chǎng)聲壓，形成有源靜區(qū)。有源靜區(qū)的范圍和降噪量與初級(jí)聲源頻率直接相關(guān)，與擴(kuò)散聲場(chǎng)的形成機(jī)制也有一定關(guān)系［9］。

2 有源控制器設(shè)計(jì)

一個(gè)有源噪聲控制系統(tǒng)分為作動(dòng)—傳感結(jié)構(gòu)和控制器2大部分，前者指次級(jí)源（次級(jí)聲源和次級(jí)力源）、誤差傳感器和參考傳感器（對(duì)前饋系統(tǒng)而言），后者指控制次級(jí)源輸出聲波或激勵(lì)力強(qiáng)度（含幅度和相位）的裝置。從硬件實(shí)現(xiàn)方式而言，控制器可分為模擬控制器和數(shù)字控制器2種。模擬控制器完全由模擬器件組成，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但只能應(yīng)用于管道消聲和有源耳罩等極少數(shù)對(duì)控制器要求較低的場(chǎng)合。數(shù)字控制器包含硬件和軟件兩部分，硬件主要由數(shù)字信號(hào)處理器件組成，軟件用于實(shí)現(xiàn)控制器結(jié)構(gòu)和算法，其算法依附在結(jié)構(gòu)上。

數(shù)字式有源控制器可以實(shí)現(xiàn)多種形式的結(jié)構(gòu)。首先，可應(yīng)用于前饋系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)，前者可獲取參考信號(hào)，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；后者無(wú)法獲取參考信號(hào)，穩(wěn)定性差。其次，數(shù)字式有源控制器不僅可應(yīng)用于只有1個(gè)次級(jí)聲源和1個(gè)誤差傳感器的單通道系統(tǒng)，還可應(yīng)用于有多個(gè)次級(jí)聲源和多個(gè)誤差傳感器的多通道系統(tǒng)。在理論上通常以單通道前饋系統(tǒng)為分析重點(diǎn)。

有源控制器的設(shè)計(jì)方法一般基于維納濾波（Wiener filtering）原理和現(xiàn)代控制理論，前者為目前的主流理論，后者則適合解決聲反饋及初級(jí)噪聲的時(shí)變性問(wèn)題。前饋有源控制器的設(shè)計(jì)思路源于自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)，目前自適應(yīng)有源控制器的基本框架為：控制器為橫向結(jié)構(gòu)的FIR濾波器，算法為濾波-x LMS（Filtered-x Least Mean Square，F(xiàn)XLMS）算法。FXLMS算法源于Widrow針對(duì)電噪聲抵消所提出的LMS算法，目前已成為有源控制的基準(zhǔn)算法［10］，具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小等優(yōu)點(diǎn)?；跈M向?yàn)V波器和FXLMS算法，已提出了多達(dá)數(shù)十種的控制器結(jié)構(gòu)與算法。需注意的是，有源控制器的結(jié)構(gòu)和算法既各自獨(dú)立又相互依存，有時(shí)算法與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，可在任意結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，而有時(shí)算法必須與特定的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)。

完成有源控制算法的關(guān)鍵步驟是利用次級(jí)通路建模，來(lái)獲取次級(jí)通路傳遞函數(shù)（或脈沖響應(yīng)）。具體而言，次級(jí)通路是指從作動(dòng)器到誤差傳感器之間的物理通路，包括聲場(chǎng)、作動(dòng)—傳感裝置（以電聲器件為主）和電子線路，其中聲通路特性是需考慮的主要因素。在有源控制中主要利用自適應(yīng)建模方法獲取次級(jí)通路傳遞函數(shù)，可分為離線建模和在線建模2種方法。如果次級(jí)通路特性基本不變，則可在有源控制之前進(jìn)行次級(jí)通路建模，獲得次級(jí)通路傳遞函數(shù)的估計(jì)值，并在有源控制過(guò)程中保持不變，實(shí)現(xiàn)離線建模。離線建模方法分為時(shí)延估計(jì)法、雙傳聲器法和附加隨機(jī)噪聲法3種。若在有源控制過(guò)程中次級(jí)通路特性是時(shí)變的，則需在有源控制時(shí)對(duì)次級(jí)通路進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，實(shí)現(xiàn)在線建模。

3 有源控制技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

有源噪聲控制技術(shù)于上世紀(jì)70年代初開(kāi)始發(fā)展。管道中的聲源頻率低于管道截止頻率時(shí)可產(chǎn)生均勻平面波，在理論上和技術(shù)上均較易實(shí)現(xiàn)有源噪聲控制，因而管道有源消聲器有一定的研發(fā)價(jià)值。但是管道有源消聲系統(tǒng)一般為反饋系統(tǒng)，不易獲取參考信號(hào)，穩(wěn)定性差，其有源消聲器的結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。此外，在管道有源消聲系統(tǒng)中，誤差傳感器下游會(huì)再次產(chǎn)生噪聲（即再生噪聲），因此需在長(zhǎng)管道中布放多個(gè)有源消聲器，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格相對(duì)昂貴，維修和維護(hù)作業(yè)相對(duì)繁瑣，進(jìn)而阻礙了管道有源噪聲控制技術(shù)的發(fā)展。但在同一時(shí)期，有源護(hù)耳器的研究逐漸取得了成果，最初利用模擬器件構(gòu)造的有源控制器被證明可應(yīng)用于有源耳罩，后期隨著數(shù)字技術(shù)及自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了有源送話(huà)器或受話(huà)器。如今，有源耳機(jī)（包括有源耳罩、有源送話(huà)器或受話(huà)器）已形成商品，成為有源噪聲控制技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)志性案例［11］。隨著研究力量的不斷投入，有源噪聲控制技術(shù)拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，螺旋槳飛機(jī)艙內(nèi)有源噪聲控制就是一個(gè)典型案例。與此同時(shí)，有源噪聲控制技術(shù)在高檔轎車(chē)車(chē)廂內(nèi)也得以應(yīng)用。

縱觀有源噪聲控制技術(shù)近幾十年的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，按技術(shù)成熟度可將有源噪聲控制技術(shù)分為4大類(lèi)：成熟技術(shù)、半成熟技術(shù)、開(kāi)發(fā)中的技術(shù)、處于實(shí)驗(yàn)研究中的技術(shù)。從技術(shù)成熟度和商業(yè)推廣價(jià)值的角度而言，目前最成熟的有源控制技術(shù)有3種［12］，分別是有源護(hù)耳器、螺旋槳飛機(jī)艙內(nèi)有源噪聲控制和轎車(chē)車(chē)廂內(nèi)有源噪聲控制。

有源護(hù)耳器分為有源耳罩、有源受話(huà)器和有源頭靠3種類(lèi)型。有源耳罩和有源受話(huà)器是采用有源控制技術(shù)的頭戴式耳罩，兩者可統(tǒng)稱(chēng)為有源頭戴式耳機(jī)（有源耳機(jī)）。有源耳機(jī)是有源噪聲控制技術(shù)發(fā)展歷程中最早進(jìn)入市場(chǎng)的產(chǎn)品，也是當(dāng)前最成熟的應(yīng)用技術(shù)。有源耳機(jī)已成為常見(jiàn)的電聲產(chǎn)品在銷(xiāo)售，已有10余家知名生產(chǎn)廠家，如美國(guó)的博士（Bose）公司、NCT公司、森海塞爾（Sennhaiser）公司等。螺旋槳飛機(jī)艙內(nèi)有源噪聲控制技術(shù)也已發(fā)展成熟，據(jù)報(bào)道目前已有1 500多架軍用和民用飛機(jī)安裝了有源控制系統(tǒng)。至于轎車(chē)車(chē)廂內(nèi)有源噪聲控制技術(shù)，由于成本限制僅有極少數(shù)品牌的高端轎車(chē)安裝此類(lèi)系統(tǒng)，市場(chǎng)對(duì)該系統(tǒng)的接受程度仍較低。

另外還有一類(lèi)趨于成熟的有源噪聲控制技術(shù)具備技術(shù)可行性，但尚未解決一系列涉及應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，其典型代表為管道有源消聲器、變壓器噪聲有源控制和聲場(chǎng)有源控制。管道有源消聲器的初級(jí)聲場(chǎng)簡(jiǎn)單，但管道聲場(chǎng)中存在固有的再生噪聲，且管道消聲器的應(yīng)用環(huán)境大都十分惡劣，同時(shí)對(duì)成本和維修性的要求較為嚴(yán)格，這些因素限制了實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。變壓器有源噪聲控制的優(yōu)勢(shì)在于初級(jí)噪聲屬于低頻線譜噪聲，對(duì)有源控制算法的要求較低，但難點(diǎn)在于降噪空間大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)極其復(fù)雜，如采用目前的集中式多通道有源控制方式，將使整個(gè)系統(tǒng)的成本過(guò)高。聲場(chǎng)有源控制基于有源控制原理，針對(duì)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用場(chǎng)合也相應(yīng)地存在技術(shù)難度大、成本過(guò)高等問(wèn)題。

目前一些民用或軍用領(lǐng)域的有源噪聲控制技術(shù)已引起了廣泛關(guān)注，例如下一節(jié)所述的艦船噪聲有源控制，但該領(lǐng)域的新技術(shù)均處于從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)過(guò)渡的研發(fā)階段。還有一些處于理論研究或?qū)嶒?yàn)室研究階段的有源控制技術(shù)前景可觀，不過(guò)距離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走［13］。

4 有源控制技術(shù)在艦船中的應(yīng)用

民用船舶和軍用艦艇對(duì)噪聲控制的需求十分迫切，但側(cè)重點(diǎn)不同。艦船噪聲控制分為外部輻射噪聲控制和艙內(nèi)噪聲控制兩部分。民用船舶的外部噪聲控制源于海洋環(huán)境保護(hù)的需求，以避免對(duì)水下生物造成災(zāi)難性的影響，艙內(nèi)噪聲控制源于乘員對(duì)聲環(huán)境舒適性的要求，這一點(diǎn)與軍用艦艇相同。軍用艦艇尤其是水下航行器的外部噪聲關(guān)乎其聲隱身能力，影響戰(zhàn)技指標(biāo)，是目前的關(guān)注焦點(diǎn)。

4.1 水下航行器外部聲學(xué)性能的有源控制

水下航行器外部聲學(xué)性能指標(biāo)分為輻射噪聲水平和聲目標(biāo)強(qiáng)度2種。向外的輻射噪聲主要分為螺旋槳噪聲、通海管道輻射噪聲、艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射3類(lèi)。螺旋槳噪聲屬于低頻線譜噪聲，宜采用有源控制技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室研究已證實(shí)了理論可行性，但存在次級(jí)聲源研制、布放及安裝等問(wèn)題。通海管道輻射噪聲控制本質(zhì)上屬于管道聲場(chǎng)的有源控制，理論上和技術(shù)上均可行，但工程應(yīng)用還需投入大量、深入細(xì)致的工作。

艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射控制則寄希望于智能聲學(xué)結(jié)構(gòu)或有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)的研究取得突破。對(duì)于有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)，它包括產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)的作動(dòng)材料或元件、檢測(cè)振動(dòng)與聲場(chǎng)信息的傳感材料（誤差傳感器）和嵌入式的微控制器［14］。有源控制目標(biāo)為總輻射聲功率和反射聲功率，相應(yīng)的有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)分別為有源隔聲結(jié)構(gòu)和有源吸聲結(jié)構(gòu)。這2種結(jié)構(gòu)均可位于雙層耐壓殼之間而單獨(dú)存在，也可與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)（如艇體或聲學(xué)覆蓋層）復(fù)合在一起。有源隔聲結(jié)構(gòu)可用于降低艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的低頻聲輻射［15］，而有源吸聲結(jié)構(gòu)可降低敵方主動(dòng)聲吶發(fā)射聲波的反射強(qiáng)度，從而降低本艇聲目標(biāo)強(qiáng)度［16］。有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)的研究仍處于初級(jí)階段，目前正致力于解決3個(gè)方面的問(wèn)題：近場(chǎng)誤差傳感策略、可工程應(yīng)用的分布式作動(dòng)—傳感結(jié)構(gòu)（層）、微型化的有源控制器。

4.2 艦船艙內(nèi)噪聲的有源控制

從有源控制的視角看，艦船艙內(nèi)噪聲分為艙內(nèi)集中聲源發(fā)出的噪聲、艙內(nèi)或艙外機(jī)械振動(dòng)（分布式聲源）引起的艙內(nèi)噪聲、穿越艙室的管道輻射噪聲。前2種噪聲可采用艙內(nèi)布設(shè)的次級(jí)聲源實(shí)現(xiàn)有源控制，或?qū)新曉催M(jìn)行有源隔聲，而管道輻射噪聲則可通過(guò)加裝管道有源消聲系統(tǒng)來(lái)降低。

根據(jù)已有的研究結(jié)果，基于次級(jí)聲源的艙內(nèi)噪聲控制的可行性最高。但前提是初級(jí)噪聲低頻成分的能量與噪聲總能量相比占主導(dǎo)地位，其中，低頻的含義是此頻率下的艙室聲場(chǎng)為駐波聲場(chǎng)。若初級(jí)噪聲僅為數(shù)個(gè)線譜組成的低頻聲源，其有源控制的效果將更好。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前有源噪聲控制技術(shù)已被確立為一種有效的低頻噪聲控制技術(shù)，工程應(yīng)用已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，部分應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化也指日可待，總體而言，它仍然處于不斷向前發(fā)展的階段。艦船領(lǐng)域可采用的有源控制技術(shù)大部分處于研發(fā)階段，部分還處于概念或?qū)嶒?yàn)室研究階段。

目前有源控制技術(shù)的發(fā)展方向如下：

1）有源控制系統(tǒng)或產(chǎn)品工程化，尤其是有源控制專(zhuān)用誤差傳感器和次級(jí)聲源的研制與生產(chǎn)。

2）特種用途有源控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，如有源隔聲罩、有源消聲器、沖擊聲有源控制器等。

3）基于有源控制原理的智能聲學(xué)結(jié)構(gòu)研究。

4）有源—無(wú)源復(fù)合式噪聲控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

5）有源控制原理在聲場(chǎng)主動(dòng)控制、振動(dòng)主動(dòng)控制、聲品質(zhì)控制等方面的應(yīng)用。

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Active noise control technique and its application on ships

CHEN Kean
School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China

Due to the rapid development during past three decades,Active Noise Control（ANC） has become a highly complementary noise control approach in comparison with traditional approaches,and has formed a complete system including basic theory,investigation approach,key techniques and system implementation.Meanwhile,substantial progress has been achieved in such fields as the practical application,industrialization development and commercial popularization of ANC,and this developed technique provides a practical and feasible choice for the active control of ship noise.In this review paper,its sound field analysis,system setup and key techniques are summarized,typical examples of ANC-based engineering applications including control of cabin noise and duct noise are briefly described,and a variety of forefronts and problems associated with the applications of ANC in ship noise control,such as active sound absorption,active sound insulation and smart acoustic structure,are subsequently discussed.

Active Noise Control（ANC）；sound field analysis；ship noise

TB535

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.003

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1011.006.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

陳克安.有源噪聲控制技術(shù)及其在艦船中的應(yīng)用［J］.中國(guó)艦船研究，2017，12（4）：17-21，34.

CHEN K A.Active noise control technique and its application on ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：17-21，34.

2017-01-06< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-7-27 10:11

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20141553022）

陳克安，男，1965年生，博士，教授。研究方向：噪聲與振動(dòng)控制，環(huán)境聲的聽(tīng)覺(jué)感知與應(yīng)用。E-mail：kachen@nwpu.edu.cn