藉助模擬開發雜訊控制方案

現代世界中，在機器的雜訊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，我們可以藉助模擬來開發一些低成本的雜訊控制方案。比勒費爾德應用科學大學的研究人員決定藉助 COMSOL Multiphysics 模擬軟體來模擬聲傳播路徑，希望藉此實現雜訊控制。

被動與主動雜訊控制

工人們較常採用的雜訊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雜訊控制。由於被動雜訊控制對低頻雜訊的控制效果較差，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雜訊發射，即主動雜訊控制或主動降噪 (ANC)。

ANC 系統將分析雜訊，然後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雜訊。因此，它們能產生相消干涉，極大地降低原始雜訊。所有這些都由一個高級降噪演算法負責控制。一般而言，在降噪耳機中，高頻雜訊由被動機制抵消（比如傳統的耳套），低頻及中頻雜訊由 ANC 系統抵消。

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雜訊控制系統(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雜訊下。

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並選擇了一個基於完整模型的設計方法。除了基於模型的演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模擬進行基礎分析，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並進行測量。如要使用 ANC 方法，我們將需要了解降噪區域的相位和大小。

降噪作用主要取決於：

• 頻率
• 雜訊源的位置
• 負責發射所謂「反雜訊」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。藉助聲學模擬，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。

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。藉助管道另一端的麥克風測量所產生的聲壓級 (SPL) 。使用 COMSOL Multiphysics 的壓力聲學介面建立對應模型。 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於揚聲器時，我們得到的結果最好。如下圖所示，模擬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於測試裝置，又或者是由於我們沒有加入壁的彈性效應的關係。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範圍內。

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製造商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，並在聽音位置安裝了一個麥克風。

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。

將揚聲器定義為單極點源，車窗定義為硬聲場邊界。由於需要考慮阻尼效應，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模擬結果很令人振奮。可以通過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。

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

小結

在主動雜訊控制系統中，聲傳播路徑信息對系統性能有非常重要的影響。不過模擬難度可能較高，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。

不過這裡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複雜的模型，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

1. Kaupmann, D., Lehmann, T. Wa?muth, J.: Methodische Entwicklung kostengünstiger St?rschallkompensationssysteme, VDI Fachtagung Mechatronik, 2015
2. COMSOL Multiphysics, Acoustics Module — User』s Guide, V5.1, 2015
3. COMSOL Conference 2015 Grenoble poster abstract: 「Simulation of Acoustical Transfer Paths for Active Noise Control「

關於特約作者

Lars Fromme 於 2002 年獲得了物理學學位。之後，他一直在比勒費爾德大學的理論高能物理組工作，專註研究天體粒子物理學和宇宙學等領域。Fromme 在 2006 年獲得博士學位並加入 COMSOL Multiphysics 集團在哥廷根的辦公室，最初作為一名技術銷售工程師，並在幾年後晉陞為市場部經理；同時還負責 COMSOL Multiphysics 在德國的培訓課程。2013 年後，Fromme 成為比勒費爾德應用科學大學的一名教授，主要教授物理、數值及多物理場模擬。

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Lars Fromme。