Page 127 - 《应用声学》2022年第5期
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第 41 卷 第 5 期 钟丽琴等： 水下流激孔腔噪声前馈有源控制实验研究 803
的控制实验主要采用被动控制技术，如裴杰等 [15]
0 引言 通过仿真和重力式水洞实验研究了在孔腔前缘布
置陷窝及后沿倒角等的降噪效果，仿真对低频和高
流体经过孔腔产生的噪声问题在航空和水下
频噪声均有抑制效果，但是受实际设备和测量环境
航行器中一直备受关注。当流体流经腔口时会撞击
的影响，实验结果与理论仿真存在一定差异。章文
空腔后缘，不稳定的流动会引起湍流剪切层形成自
文等 [16] 在循环水洞中将前缘分流体用于水中开孔
持振荡产生压力波动向外辐射噪声 [1] 。由于水中航
流激噪声抑制，通过前缘分流体对开孔腔流激振荡
行器马赫数远小于空气中飞行器马赫数，水中流激
实现低频频移作用，这种方式在孔腔共振时抑制效
孔腔产生的窄带噪声频率要远低于空气中情形，大
果较好，而非共振情况下抑制效果较差。
大增加了控制的难度。
近些年来有源噪声控制 (Active noise control,
空气中流激孔腔噪声控制分为主动控制和被 ANC) 因其在低频噪声控制上的优势而被广泛应
动控制。相比于被动控制方法，主动控制在流场环 用 [17] 。根据控制结构，ANC 分为前馈控制和反馈
境变化时更灵活，按照控制形式包括流场控制和声 控制 [18] ，前馈控制需要获得参考信号和误差信号的
场控制，流场控制使用居多。流场控制一般采用反 信息，反馈控制只依赖误差点处信号，但相比前馈控
馈控制方法，通过建立流激孔腔动力学线性模型， 制更容易不稳定。本文将前馈主动声场控制方法应
采用线性二次算法 [2] 和广义预测控制 [3] (Gener- 用到水下流激孔腔噪声抑制，并在水循环管路中对
alized predictive control, GPC) 等算法来实现。声 流激孔腔噪声抑制效果进行了实验验证。
场控制主要使用扬声器作为次级声源，一些自适
应前馈控制算法也被应用到其中。Williams 等 [4] 1 控制方法
采用滤波 -X 最小均方 (Filter-X least mean square,
图1显示了简化的有源前馈控制流程图 [18] 。使
Filter-X LMS) 算法对单个模态可以达到 15 dB 的
用腔内或上游信号作为参考信号记为 x(n)，下游信
降噪效果，但是谐振频率附近出现了新的峰值；李浩
号为初级噪声信号记为 d(n)，H(z) 为控制器，S(z)
等 [5] 将合成参考频率的 Filter-X LMS 算法用于空
为发射换能器到下游误差水听器的次级通道频率
气流激孔腔噪声控制，该方法避免了次级声反馈对
响应。次级源到达误差点处的信号为 y (n)；误差信
′
控制效果的影响，但是只针对已知流激孔腔线谱噪
号记为 e(n)，是期望信号 d(n) 和次级声源在误差点
声频率的情况。
处信号的叠加：
以上控制算法一般在假定流激孔腔系统模型
′
是线性的前提下设计的，不能很好地表现系统的 e(n) = d(n) + y (n). (1)
非线性性质，于是人们提出了一些基于流场物理性 那么目标函数变为最小化误差信号的均方误
质的模型。文献 [6–7] 基于 Navier–Stokes 方程进行 差期望，记代价函数J = E[e (n)]。通过最小化代价
2
合适正交分解 (Proper orthogonal decomposition, 函数得到滤波器最优维纳解 [18] 为
POD) 得到系统降阶模型，分别进行闭环和开环控 −1 (2)
H opt = −R
0 P 0 ,
制。虽然建立非线性模型可以更好地模拟流激孔腔 [ ]
式(2)中，R 0 = E r(n)r (n) T ，表达为式(3)；r (n)
系统特性，但是数据获取和控制模型优化往往需要
为参考信号 x(n) 序列与次级路径 s (n) 序列的卷
耗费较长的时间。Yoo等 [8] 通过实验对比了声场控
积，长度为 l；R rr 为滤波 -x 信号 r (n) 的自相关矩
制和流场控制，指出前者耗能更少。
阵。P 0 = E [r(n)d (n)]，与有限脉冲响应 (Finite
虽然关于水下流激孔腔噪声性质方面的研究
impulse response, FIR)控制器的长度相同。
有许多 [9−11] ，但是针对它的控制实验研究较少。
Liu 等 [12] 、Arunajatesan 等 [13] 运用数值模拟方法 R rr (0) R rr (1) · · · R rr (l − 1)
研究了格栅型结构控制水下流激孔腔噪声的方案。 R rr (0) · · · R rr (l − 2)
R rr (1)
R 0 = .
邓玉清等 [14] 通过数值计算分析了在孔腔前缘开槽 . . . . . . . .
. . . .
进行吹喷和抽吸控制低水速孔腔噪声的效果，仿真
R rr (l − 1) R rr (1 − 2) · · · R rr (0)
结果得出吹喷控制效果优于抽吸方式，且低速流动 l×l
的吹喷控制效果更好。目前针对水下流激孔腔噪声 (3)
