Page 165 - 《应用声学》2022年第6期

第 41 卷 第 6 期 吴睿等： 抑制风噪装置的实验 1011

效果不佳。风速较大时传声器会拾取到风噪，由于 横截面变小流速会加快，因此风噪也会增大。此外
风噪信号不属于线性时不变 (Linear time-invariant 还有小孔加腔体的设计结构 [12] ，虽然在低流速会降
systems, LTI)系统，ANC机理对其无效。因此有必 低风噪，但是高流速下效果不佳。同时这种设计并
要研究如何抑制传声器拾取风噪信号。从膜片接收 没有考虑到腔体引起的声波传递损失。
到声波的方式，可将传声器分成“纯粹压力式”和 为了简化分析，本文忽略来风方向进行研究。
“有压差式存在”两大类。前者可拾取全方向的声 基于风噪原理提出一种抗风噪结构设计，来抑制
波，后者可根据压差成分比例设计需要的指向性。 TWS 耳机中全指向性传声器拾取风噪。然后进行
本文研究如何抑制全指向性传声器拾取风噪。 有限元仿真和风噪实验，验证设计结构的抗风噪能
传声器拾取风噪的原理涉及流体力学，实际上 力。最后，基于声波的传递损失特性提出结构的尺
风噪并不是风声信号，而是传声器采集到了空气湍 寸设计指标，保证传声器拾取的声信号不会在高频
流所引起的传声器膜片扰动。对抑制传声器拾取风 失真。
噪的研究，可追溯到 20 世纪 80 年代。Strasberg [4]
提出利用置于传声器外部的声屏障结构来抑制风 1 抗风噪结构设计
噪。通过量纲分析讨论了抑制风噪的影响因素，包
目前 TWS 耳机中常用的微机电系统 (Micro-
括风速、声屏障大小和形状。并利用公式(1)来计算
electro-mechanical Systems, MEMS) 电容式全指
传声器拾取到的风噪大小。
向性传声器如图 1 所示， 其长、 宽、 高分别为
L s = 67 + 63 lg V − 33 lg f − 23 lg D, (1) 3 mm、2 mm 和 1 mm 左右。其拾声孔的直径一
式(1)中，V 是流速，f 为频率，D 是声屏障的直径。 般为 0.5 mm。由传声器拾取风噪的原理可知，低流
但 Strasberg 的研究只限于风速较低的情况。 速下声屏障对风噪有较好的抑制作用，但是高流速
Morgan等 [5] 研究了高流速下，风噪形成的原因。根 下效果甚微。所以本文设计的抗风噪结构由两部分
据伯努利理论，提出层流中的压力波动与流体的动 组成，第一部分降低气流流速，第二部分充当声屏
能有关。在高流速下，空气中的总气压为 障，如图2所示。

2
2
2
p = 0.5ρ(µ + V ) = 0.5ρ(V + µ + 2µV ), (2)
其中，µ 是波动速度，V 是平均流速，ρ 是气体密度。
高流速下，波动速度为平均速度的 5% ∼ 15%，所以
公式 (2)的值主要由第三项决定，即p = ρµV 。因此
Morgan 等认为高流速下，风噪主要来源于气流中
图 1 MEMS 传声器
的湍流压力扰动；并通过实验得出，流速较高时声屏
Fig. 1 MEMS transducer
障并不能有效地减弱风噪。van den Berg [6] 分别对
低流速和高流速条件下的风噪进行了研究。他提出 ܦࡖᬪ
ඡื
低流速下，传声器拾取到的风噪主要来源于气流与
ኄʷ ኄ̄
风屏障作用产生的涡流；而高流速下，风噪来自于 ᦊѬ ᦊѬ ͜ܦ٨
气流中本身的湍流。声屏障在低流速下，对风噪有
较好的抑制作用；但是在高流速下，它的效果并不 ᬌͰืᤴ
显著。
图 2 设计结构示意图
目前应用的抑制传声器拾取风噪的结构，大都
Fig. 2 The schematic diagram of the designed
没有根据上述原理进行设计，效果欠佳。例如在传
structure
声器的拾声孔前加一段管道 [7−9] 。单独管道并不会
抑制风噪，反而会由于管壁的黏滞效应增大气流中 1.1 降低流速
的涡流，从而使风噪增强。另一种设计是腔体在前 第一部分的设计结构为渐变管道，从气流入口
管道在后的抗风噪结构 [10−11] ，气流从腔体到管道， 到传声器的方向横截面逐渐增大。考虑到 TWS 耳