充液管路低频线谱噪声有源控制试验研究

孙运平，孙红灵，张维，王晗，杨军

1中国科学院噪声与振动重点实验室（声学研究所），北京100190 2中国科学院大学，北京100049

充液管路低频线谱噪声有源控制试验研究

孙运平1，2，孙红灵1，张维1，王晗1，2，杨军1，2

1中国科学院噪声与振动重点实验室（声学研究所），北京100190 2中国科学院大学，北京100049

［目的］充液管路系统的管口辐射噪声是舰船管路噪声控制的重点，具有较高能量的低频线谱噪声更是亟需得到进一步的抑制。［方法］针对充液管路低频线谱噪声问题，设计一套有源消声系统并进行试验验证。该系统由次级声源、控制器、功率放大器和传感器等构成。采用频率追踪算法对线谱频率进行估计，使用谐频自适应控制算法设计控制滤波器。建立泵水循环管路试验系统，开展固定线谱、移动线谱、多线谱噪声有源控制试验，验证有源消声系统的降噪性能。［结果］试验结果表明，该系统可自动跟踪线谱频率，实现移动频率的线谱噪声控制，能够同时控制多根线谱噪声，在管外取得8 dB以上的降噪效果且系统具有较好的鲁棒性。［结论］所得结果可为舰船管路系统低频线谱噪声控制提供可行的方案。

充液管路；低频线谱；频率追踪；有源噪声控制

0 引 言

冷却水管路系统由于与外部开阔水域相贯通，噪声一方面会沿管道中的流体传播，最终从管口辐射出去；另一方面会沿管壁传播，并激励船舶外壳振动向外辐射噪声［1］。管路系统向船舶外部辐射噪声一方面会引起水环境噪声污染，另一方面则容易被声呐探测到［2］。前期研究表明，冷却水泵是管内流噪声的主要来源，由于水泵产生的流噪声能量主要集中在泵轴频、叶频及其谐频所在的中、低频段，因此声学性能优良、又能适应恶劣工作环境的管路低频消声技术一直是近年来舰船振动噪声控制的研究热点［3］。传统的无源或被动式噪声控制方法总体上只对降低中、高频噪声有效，有些方法可以降低低频噪声，却存在频段较窄、体积庞大、压损大等问题，限制了其应用场合。为了降低低频噪声，有源噪声控制技术提供了一种新的解决办法［4-6］。

有源噪声控制（ANC）的原理为：两列频率幅度相同、相位相反的声波在声场中发生相消性干涉叠加，从而使得两列声波得到消除。1936年，德国物理学家Paul Lueg分别向德国和美国专利局提出了名为“消除声振荡的过程”（Process of Silencing Sound Oscillations）［7-9］的专利并被受理，标志着有源噪声控制发展的开始。20世纪80年代，随着微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术的发展以及自适应滤波理论的应用［10］，ANC技术达到了研究的高潮。Brennan和Elliott等［11］用有机玻璃管作为研究对象，以电磁激振器为初级源，采用基于磁致伸缩作动器的次级声源对管道流噪声控制进行了试验研究。Fuller，Brévart，Kartha及 Kiyar［12-15］相继对充液管路噪声有源控制进行了很多理论研究，提出在亥姆霍兹共振器内部添加1～3个压电式作动器等多种控制措施，并在实验室理想环境下进行了验证。Maillard等［16］就水利机械和泵引起的液体压力脉动设计了一套无侵入式主动控制装置。国内的ANC技术研究起步较晚。中科院声学所长期开展包括主、被动复合消声器［17］在内的多项有源噪声控制技术研究，在国内率先开展了管道噪声有源控制理论和试验研究，目前正在开展工程应用研究。当前国内管路系统ANC技术的研究多见于空气管道，关于充液管路则极少涉及。充液管路ANC技术存在着诸多难点，例如：需要设计声功率高、低频性能好、耐压的次级声源；需要稳定的控制算法；存在声振耦合、流固耦合等问题。

本文拟针对充液管路系统低频线谱噪声设计一套有源消声系统，并对充液管路系统有源噪声控制技术进行试验研究。首先，采用基于级联自适应陷波滤波器的频率追踪算法对初级噪声源的突出低频线谱进行频率估计，然后再根据估计得到的频率参数以及计算得到的对应次级通道参数，采用谐频自适应控制算法对相应的线谱噪声实行控制，最后建立泵水循环管路试验系统，试验验证系统的稳定性和降噪性能。

1 基本原理

1.1 管路ANC系统

本文所采用的管路有源消声系统原理如图1所示。系统主要由传感器、控制器、功率放大器和次级声源组成。该系统为反馈式控制系统，误差传感器安装在管路的下游用于拾取误差信号e（n），控制器根据误差信号 e（n）计算出所需的控制信号y（n）并通过功率放大器驱动次级声源发声。次级声源馈入原始声场的次级声与初级噪声源产生的噪声幅度相同、相位相反，从而达到了同时消除两列声波的目的。

图1 管路ANC系统图Fig.1 Active noise control system in pipe

1.2 控制滤波器设计

水泵产生的流噪声能量主要集中在泵轴频、叶频及其谐频所在的中、低频段，而且该流噪声会随着转速等工况的变化而变化，具有一定的时变特性。要控制这些时变的低频线谱噪声，就需要对噪声的频率特征进行追踪。因此，控制器采用频率追踪与谐频控制相结合的算法进行设计，算法框图如图 2所示。图中：x（n）为参考信号；d（n）为期望信号；y（n）为滤波器的输出信号；e（n）为初级声与次级声叠加后的误差信号；P（z）为主通道传递函数；S（z）为次级通道传递函数；W（z）为自适应滤波器。采用前馈的实现结构，参考信号由控制器产生，进而可以解决次级声反馈的问题。在初级源正常工作状态下，利用频率追踪算法估计初级源产生干扰信号的频率特征。频率追踪算法是基于自适应陷波滤波器（Adaptive Notch Filter，ANF）设计的，因初级噪声多数存在多根线谱，故本文采用线性级联陷波滤波器［18-19］的方式进行了多个频率的追踪，级联型陷波滤波器的结构框图如图3所示。图中，为初级噪声信号的估计。二阶线性级联ANF的传递函数如式（1）所示，其中：D(z)和N(z)分别为极点多项式与零点多项式；α为0到1之间的零极点约束因子；k0为目标角频率ω的估计变量；z为零极点多项式的复参数。

通过式（2），估计得到需要控制的线谱噪声的各个角频率参数，其中K为频率个数。式（2）中：为频率估计值；n为序列。在初级噪声源关闭的情况下，通过离线辨识得到次级通道在各个频率处的响应，即次级通道传递函数在各个频率处的估计值̂k(k=1，2，…，K)。根据估计得到的频率参数与对应的次级通道参数k(k=1，2，…，K)，采用谐频控制算法（Complex LMS）对线谱进行实时控制。多频率的控制实现方式为并行方式。第k个频率的参考信号为xk=ejωkn(k=1，2，…，K)，算法的更新如式（3）所示［19］。

式中：wk为滤波器系数；*表示求共轭；μ为步长系数。

图2 采用CLMS和频率追踪算法的ANC系统方框图Fig.2 Block diagram of an active noise control system using complex LMS algorithm as well as automatic frequency tracking algorithm

图3 线性级联陷波滤波器方框图Fig.3 Block diagram of line-structure cascaded ANF

2 试验系统

为了开展充液管路有源消声试验，建立了泵水循环试验系统，如图4所示，其中图4（a）为系统示意图，图4（b）为系统的实物图。系统主要由测试管路、试验闸门、进水软管、消声水池、循环水泵等5部分组成。循环水泵通过进水软管从消声水池中抽水，流经测试管路后通过试验闸门上的管口向消声水池排水。消声水池长50 m，宽15 m，深10 m，用于模拟开阔水域。消声器部分由误差水听器、控制器、功率放大器和次级声源组成。误差水听器用于获取误差信号；控制器采样率为5 kHz；次级声源为压力平衡式电磁驱动声源，采用高能量密度惯性式作动器作为次级声源的作动元件，实现次级声源的低频宽带发声以及与管壁的振动解耦，采用压力平衡结构实现静压自动平衡，使作动器不需要承受大的静载荷，同时发声元件不需要大的行程，满足水密和空间要求，解决了耐静压的问题，具有低频宽带、耐压、振动解耦等优点，满足低至几十赫兹的低频宽带、耐压等工程应用需求。在管路下游靠近管路出口处装有监测水听器，用于监测管内降噪效果；在管路出口的水池中设置有水听器，用于监测和评价管口辐射声的降噪量。声源部分安装有外加声源和离心泵，可单独或共同激发初级噪声。

图4 泵水循环管路试验系统Fig.4 Experimental system of water circulation pipes of pump

3 试验结果

在图4所示的泵水循环系统上进行充液管路低频线谱噪声有源控制试验，试验主要从固定频率线谱、扫频线谱和多频线谱3个方面展开。采用相对比较法对ANC系统的管口辐射声降噪性能进行测试，即在泵水循环条件下，通过比较ANC系统开启前、后线谱噪声的管口辐射声能量，对管口辐射声降噪性能进行评价。

首先，在离心泵不工作的无流情况下验证管路ANC系统的有效性。此时，初始噪声仅由外加声源发出，误差水听器、监测水听器以及管外水池测点处的控制效果如图5所示。初级噪声为外加声源产生的稳定的180 Hz的线谱噪声。图5中纵坐标为声压级（Sound Pressure Level，SPL），每一格代表20 dB，其中红色实线是ANC系统未开启时初级噪声的声压级频谱，蓝色虚线是ANC系统开启后噪声的声压级频谱。由图5可知，ANC系统可以针对固定单频线谱噪声进行非常有效的控制，在误差点、监测点和管外测点分别获得53.1，35.5和14.9 dB的降噪量。

图5 180 Hz线谱噪声控制效果Fig.5 Reductions at frequency of 180 Hz

固定频率线谱噪声的控制虽然也采用了频率追踪，却并不能体现频率追踪算法的跟踪性能，且不能验证线谱噪声产生频率波动时算法的稳定性。为了体现并验证频率追踪算法的稳定性及算法的控制效果，在无流情况下将初级噪声变为扫频信号，扫频范围设置为170～190 Hz，扫频速度为0.5 Hz/s。关于跳变频率的追踪，文献［19］已经验证过是容易实现的。对泵的线谱噪声来说，工况一旦发生变化，噪声的频率就会发生跳变，且在之后的一段时间内频率会发生缓慢而微小的变化。而工况的改变不会很频繁，在大部分时间里频率的变化是以波动为主，因此针对连续变化频率的追踪就显得更为重要。以180 Hz为中心的扫频噪声的频率追踪及控制效果时频图如图6所示。图6（a）～图 6（c）中，上半部分均为ANC系统开启前的噪声时频图，下面部分均为ANC系统开启后的噪声时频图，通过分别比较图6（a）～图6（c）中的上、下部分可知，ANC系统可针对动频线谱噪声进行快速准确的频率追踪并实行有效控制，且在误差点、监测点和管外测点可分别获得45，30和10 dB以上的降噪量，同时不会引起其他噪声的提高。

图6 扫频噪声控制效果Fig.6 Reductions on sweeping-frequency noise

在实泵有流条件下进行多频线谱噪声有源控制试验，通过比较ANC系统开启前、后突出线谱处的管口辐射声能量，对管口辐射声降噪性能进行评价。误差水听器、监测水听器以及管外水池测点处的控制效果如图7所示。图7中，红色实线是ANC系统未开启时噪声的声压级频谱，蓝色虚线是ANC系统开启后噪声的声压级频谱，其中55，110及150 Hz为实泵有流条件下外加源所发的线谱噪声，297 Hz为泵的线谱噪声。由图7可知，在开泵有流的实泵条件下，ANC系统可以针对多根线谱噪声进行有效控制，其中在误差点对55，110，150及 297 Hz可分别获得 9.6，21.1，23.1和23.3 dB的降噪量。图7（c）给出的是管外的降噪效果，可以看出，ANC 系统在 55，110，150 及297 Hz处可分别取得10.7，12.5，9.5和3.7 dB的降噪量。泵的线谱噪声，即在297 Hz处，管外的降噪效果不理想，说明噪声通过其他通道传递出去了。前文说过，管路系统噪声一方面沿管路中的流体传播最终从管口辐射出去；另一方面沿管壁传播，并激励管壁振动向外辐射。外加声源的噪声可以通过控制管内噪声有效降低管口辐射声，说明外加声源的噪声主要通过管路内的流噪声传出去了。泵的线谱噪声则包含流噪声以及由管路振动引起闸门障板振动而产生的辐射噪声，仅控制管内流噪声对管外降噪效果有限。管口辐射噪声和管壁、障板振动辐射的分离一直是一个难题，目前还没能实现两者的分离。通过振动通道传递出去的噪声是后续研究的重点，将采取主、被动结合的方式进行控制，被动措施主要实施在管路上，同时针对障板振动将施行主动控制。通过管外大量的评价测点测得的数据显示，ANC系统对55，110及150 Hz这3根外加声源所发低频线谱在管外均可得到8 dB以上的降噪量。系统还针对阀门旋度改变、流速改变等工况在另外的试验场所中进行过稳定性试验，结果表明：本文设计的ANC系统可通过控制管内噪声有效降低管口辐射噪声，且系统具有较好的鲁棒性。

图7 实泵条件下的线谱噪声控制效果Fig.7 Reductions on multi-frequency disturbances with operational pump

4 结 语

本文针对充液管路低频线谱噪声问题，设计了一套有源消声系统并进行了试验验证。该系统由次级声源、控制器、功率放大器和传感器等构成，采用基于级联自适应陷波滤波器的频率追踪算法和谐频自适应控制算法设计控制器。建立了泵水循环管路试验系统，开展了固定线谱、移动线谱、多线谱噪声有源控制试验，验证了有源消声系统的降噪性能。试验结果表明，该系统可自动跟踪线谱频率，实现移动频率的线谱噪声控制，能够同时控制多根线谱噪声，在无流和有流的情况下都能针对外加声源在管外取得8 dB以上的降噪量。泵的线谱噪声因振动通道的影响，在管外获得的降噪效果并不理想，对振动通道传递出去的噪声进行控制将是下一步工作的重点。系统在多次试验中验证了其降噪性能和鲁棒性，为舰船管路系统低频线谱噪声控制提供了可行方案。

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Experimental research into active control of low-frequency line spectral disturbances in liquid-filled pipe

SUN Yunping1，2，SUN Hongling1，ZHANG Wei1，Wang Han1，2，YANG Jun1，2
1 Key Laboratory of Noise and Vibration Research，Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China 2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Noise radiation through the liquid-filled pipe system is the focus of noise control in the pipe systems of ships,while low-frequency line spectral disturbances with high energy need to be further suppressed.An Active Noise Control(ANC)system adapted to liquid-filled pipes is designed to attenuate low-frequency line spectral disturbances.This system is made up of the secondary source,controller,power amplifier,sensor etc.The system uses a frequency tracking algorithm to estimate the frequencies of noise,and a complex LMS algorithm to design the controller.A pump water circulation pipe system is implemented to validate the control system's performance in noise reduction through experiments.Active control experiments on noise sources with fixed frequency,sweeping frequency and multi-frequency are carried out respectively.The results show that the control system can track frequencies automatically,and effectively reduce the noise radiating from the pipe in cases of fixed frequency,sweeping frequency and multi-frequency.The ANC system can achieve noise attenuation of over 8 dB at multi-frequencies in liquid-filled pipes,and has good robustness.This provides a possible solution for the noise control of low-frequency line spectral disturbances in the pipe systems of ships.

liquid-filled pipes；low-frequency line spectral；frequency tracking；active noise control

U667.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.019

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1033.038.html期刊网址：www.ship-research.com

孙运平，孙红灵，张维，等.充液管路低频线谱噪声有源控制试验研究［J］.中国舰船研究，2017，12（4）：122-127，131.

SUN Y P，SUN H L，ZHANG W，et al.Experimental research into active control of low-frequency line spectral distur⁃bances in liquid-filled pipe［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：122-127，131.

2017-03-10< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2017-7-27 10:33

国家自然科学基金资助项目（11474306）

孙运平，男，1991年生，博士生。研究方向：有源噪声与振动控制。

E-mail：15996232309@126.com

孙红灵（通信作者），男，1980年生，博士，研究员。研究方向：有源噪声与振动控制。

E-mail：hlsun@mail.ioa.ac.cn