有源噪聲與振動控制?

20世紀50年代以來,隨著現代工業、交通運輸的發展,噪聲汙染問題日益嚴重,已成為世界範圍內公認的四大主要環境汙染(噪聲汙染、水汙染、大氣汙染以及固體廢棄物汙染)之一,嚴重威脅著人類的身心健康及生存環境。有資料顯示,長期暴露在高噪聲環境下,人們會出現聽覺疲勞(如臨床上報道的噪聲聾)、疲乏無力、焦慮煩躁等症狀。噪聲會使神經系統功能紊亂、加速心臟衰老,甚至直接導致某些疾病的發生(如神經系統、心血管系統疾病等)。在工業領域,強烈的噪聲會導致機器、裝置及某些工業結構的聲疲勞,長期作用將會縮短其使用壽命,甚至發生生產事故。另外,噪聲的影響在軍事領域也一直備受關注,噪聲問題將會影響某些技術兵器的作戰效能。例如,對於魚雷、水雷、潛艇、水面艦艇等武器,過大的自噪聲不僅影響自身神吶系統的工作,降低其有效作用距離,而且其輻射噪聲降低了自己的隱蔽性,是導致受到敵方攻擊的最主要因素。

2010年5月5--7日在上海舉辦的全球華人科學家環境論壇上,方丹群、田靜、張斌、孫家麒等噪聲控制專家一致認為“十二五”環境保護規劃應當重視噪聲問題。經大家反覆討論,起草了國內外噪聲控制專家對國家環境保護“十二五”規劃中關於加強環境噪聲管理和控制的建議和呼籲。呼籲中指出:隨著現代工業和交通運輸業的發展,噪聲汙染越來越嚴重,已經成為現代重要公害之一。紐約、倫敦、東京等城市都曾有過噪聲投訴量在每年各類環境汙染方面的案件中佔首位的報告,中國的噪聲汙染也相當嚴重。根據《2008年中國環境統計年表》中2001-2008年環境信訪工作情況的統計資料表明,2001-2006年噪聲與振動信訪數量居首位,2007-2008年,噪聲與振動信訪稍低於大氣汙染信訪排名第二位。因噪聲汙染問題引發的糾紛和衝突、群體性抗議時有發生,甚至導致人員傷亡事件。據2009年《中國環境狀況公告》中公佈的“公眾對環境狀況滿意度調查”結果顯示:“受訪公眾對城市和農村環境狀況滿意度最高的均是飲用水質量,最低的分別為環境噪聲和垃圾處理”。因此,噪聲問題不再單純是城市的環境問題,在農村地區同樣存在較為嚴重的問題,噪聲問題已發展成為制約人們生活質量提高、影響和諧社會建設的社會問題。

2010年12月15日,國家環境保護部、國家發展改革委、科技部、工業和資訊化部、住房城鄉建設部等國務院11個部門聯合釋出《關於加強環境噪聲汙染防治工作改善城鄉聲環境質量的指導意見》。檔案指出:隨著經濟社會發展,我國環境噪聲汙染影響日益突出,環境噪聲汙染糾紛頻發。解決環境噪聲汙染問題是貫徹落實科技發展觀、建設生態文明的必然要求,是探索中國環保新道路的重要內容。檔案第二十三條強調:應加強科技研究與開發,加大對聲環境質量改善技術研發的支援,通過科技計劃,依託行業主管部門,充分利用相關科研機構、高校、企業噪聲振動研究基礎,研究噪聲控制技術。

因此,無論在軍事領域還是民用領域,噪聲控制都是一個值得關注的研究方向,如何有效地減小控制環境噪聲,是我們所面臨的一個迫切需要解決的問題。

方法/步驟

1.2 噪聲的無源控制方法

所謂噪聲控制,就是針對控制物件的性質、工作環境和控制要求,運用各種噪聲控制原理來減小或消除有害噪聲效應。從策略上來講,噪聲控制可以從噪聲源、噪聲傳播途徑和噪聲接受者三個方面入手。傳統的噪聲控制採用無源控制方式,諸如吸收、隔離、阻尼以及結構消聲等方法,其降噪機理在於通過噪聲聲波與聲學材料或聲學結構的相互作用來實現聲能的衰減,稱為無源噪聲控制。

1.2.1 吸聲降噪

吸聲降噪主要用於室內降噪,是指採用吸聲材料或者吸收聲能,從而降低噪聲強度的方法。通常用吸聲材料或結構的吸聲效能,其定義為吸收的聲能與入射的總聲能之比,即a=E a/E i 式中 E i —入射聲能;Ea —被材料或結構吸收的聲能。

吸聲係數a始終是小於1的。A越大,吸收的聲能越多,表明材料或結構的戲聲效能越好。

常見的吸聲材料主要指多孔吸聲材料,如玻璃棉、岩棉、及泡沫塑膠等。其吸聲機理在於多孔材料具有大量的內外連通的微小孔隙和孔洞。當聲波入射到多孔材料上,聲波能順著孔隙進入材料內部,引起孔隙中空氣分子的振動。由於空氣的粘滯阻力、空氣分子與孔隙壁的摩擦,聲能轉化為摩擦熱能而吸聲。

對於吸聲結構來說,所用材料本身可以不具有明顯的吸聲特性,但材料經打孔、開縫等簡單的機械加工和表面處理後,製成某種結構兒具有吸聲效能。如穿孔石膏板、空間吸聲體及吸聲尖劈等。

在車間、廠房、機場大廳等場合,聲波在室內傳播時,被牆壁、天花板、地板等障礙物反射,形成混響聲場。通過在室內佈置吸聲材料,可以使混響聲被吸掉,降低室內噪音。吸聲降噪最多可以獲得10~15dB的降噪量。

1.2.2 隔聲降噪

把產生噪聲的機器裝置等噪聲源封閉在一個小的空間,使它與周圍環境隔開,以減少噪聲對環境的影響,這種做法叫做隔聲。隔聲屏障和隔聲罩是主要的兩種設計,其他隔聲結構還有:隔聲室、隔聲牆、隔聲幕、隔聲門等。

隔聲屏障主要用於阻擋直達聲的傳播。在聲源和接收者之間插入一個設施,使聲波傳播有一個顯著的附加衰減,從而減弱接收者所在的一定區域內的噪聲影響。隔聲屏障主要用於室外。隨著公路交通噪聲汙染日益嚴重,有些國家大量採用各種形式的屏障來降低交通噪聲。鐵路旁的隔聲屏障設施,可減低列車通過的產生的噪聲對居民的影響。

隔聲罩是用來阻隔機器裝置等噪聲源向外輻射噪聲的罩子,可以和機器的外殼結合在一起,也可以是和機器分開的單獨罩。隔聲罩通常是具有隔聲、吸聲、阻尼、隔振和通風、消聲等功能的綜合體。隔聲罩主要由罩板、阻尼塗料和吸聲層構成,其結構可以是完全封閉的,可以留有必要的開口、活門或觀察孔。小的隔聲罩只有幾釐米大小,而最大的可高達幾十米。工廠車間的隔聲罩設施將產生噪聲的機器封閉在特定的空間內,降低機器噪聲對車間內從事作業工人的聽力損傷。

1.2.3 消聲器降噪

消聲器是阻止聲音傳播而允許氣流通過的一種器件,是消除空氣動力性噪聲的重要措施。消聲器通常安裝在空氣動力裝置(如鼓風機、空壓機、鍋爐排氣口、發電機、水泵等排氣口再說較大的裝置)的氣流通道上或進、排氣系統中的降低噪聲的裝置。

根據消聲機理,無源消聲器可以分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗複合式消聲器、微穿孔板消聲器、小孔消聲器等。

①阻性消聲器主要是利用多孔吸聲材料來降低噪聲。把吸聲材料固定在氣流通道的內壁上或按照一定方式在管道中排列,就構成了阻性消聲器。當聲波進入阻性消聲器時,一部分聲能在多孔材料的孔隙中摩擦而轉化成熱能耗散掉,是通過消聲器的聲波減弱。

②抗性消聲器是由突變介面的管和室組合而成的,好像是一個聲學濾波器,每一個帶管的小室是濾波器的一個網孔,有自己的固有頻率。當包含有各種頻率成分的聲波進入第一個短管時,只有在第一個網孔固有頻率附近的某些頻率的聲波才能通過網孔到達第二個短管扣,而另外一些頻率的聲波則不可能通過網孔。只能在小室中來回反射,因此,我們稱這種對聲波有濾波功能的結構為聲學濾波器。選取適當的管和室進行組合,就可以濾掉某些頻率成分的噪聲,從而達到消聲的目的。

③阻抗複合式消聲器由阻性結構和抗性結構按照一定的方式組合構成。

④微穿孔板消聲器一般是用厚度小於1mm的純金屬板製作,在薄板商用孔徑小於1mm的鑽頭穿孔,穿孔率為1%~3%。選擇不同的穿孔率和板厚不同的腔深,就可以控制消聲器的頻譜效能,使其在需要的頻率範圍內獲得良好的消聲效果。

⑤小孔消聲器的結構是一根末端封閉的直管,管壁上鑽有很多小孔。小孔消聲器的原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據的,如果保持噴口的總面積不變而用很多小噴口來代替,當氣流經過小孔時、噴氣噪聲的頻譜就會移向高頻或超高頻,使頻譜中的可聽聲成分明顯降低,從而減少對人的干擾和傷害。

1.3 噪聲的有緣控制方法

一般來說,上述的無源控制方法對中、高頻噪聲具有較好的控制效果,但對低頻噪聲效果不大,並且這些方法不同程度地存在著安裝維護、裝置笨重、體積龐大等缺點。為此,人們開始尋找新的控制方法以彌補無源控制方法的不足,於是有源噪聲控制(Active Noise Control,ANC)技術應運而生。從理論上說,有源噪聲控制(又稱主動噪聲控制)在低頻範圍內可以達到很高的降噪量。同時可以使整個系統體積很小,便於設計和控制,具有很大的優越感。

1.3.1 有源噪聲控制的基本原理

有源噪聲控制的基本原理是基於聲波的相消干涉原理,由德國物理學家Paul L e u g 在1933年率先提出的,並於1933年N、1936年分別在德國及美國獲得了專利。

L e u g專利中的管道噪聲有源控制,依據聲波的相消干涉原理,利用人為附加的次級聲源,使其發出的聲波與原有初級噪聲源發出的聲波形成相消干涉實現噪聲衰減。傳聲器,用於檢測噪聲並將其轉換為電訊號,電訊號由放大器放大,然後激勵揚聲器發生。揚聲器產生一個與初級聲波輻值相等、相位相反的次級聲波。二者相互抵消。這樣,在管道下游形成一個區域性靜音區。

為了獲得良好的消噪效果,需準確確定聲波從傳聲器傳播至揚聲器所需要的時間,且放大器應具備良好的輻頻和相頻特性。一般認為,L e u g的系統是最早的前饋有源噪聲控制系統,為有源消聲的蓬勃發展奠定了理論基礎。但是,在20世紀30年代,當時的電子技術水平難以滿足上述要求,因此L e u g的理想未能付諸實現,在此後近20年的時間裡被束之高閣。

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