专利名称：自适应主动控制消声器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动传动机构，特别涉及一种自适应主动控制消声器。
背景技术：
内燃机排气噪声等类似噪声有调特征明显、主频低、噪声级大、运行工况可变性大，降低这类噪声对保护环境具有重大意义。
传统上这类噪声都是采用被动式消声器进行控制，利用声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能来达到消声的目的。被动式消声器的缺点是体积庞大、重量重、对低频噪声控制效果较差，且无法调整工作状态。
上世纪80年代，美国、日本等国家开始利用声波干涉原理研究能实际运用的声波干涉型消声器。声波干涉型消声器利用两列幅值相同、频率相等、相位相反的声波干涉现象进行消声，对有调噪声消声量大，低频消声效果好。但是该类消声器都无法针对有调噪声特征频率的变化来调节消声器的特征消声频率，从而使得大部分工况下消声量明显下降，达不到干涉型消声器应有的消声效果。
现有声波干涉型消声器可分为两大类1、无源被动式干涉消声器。该类消声器如美国专利US3948349、日本专利特开昭60-222516等，都是采用同轴布置的等流量内管和外管，内外管间设置固定的螺旋隔板以增加外管声波的传输路程，从而与在内管中的声波形成相位差，在下游处形成干涉来消声。到了90年代前后，国内外专家为该型消声器开发了一种现场手动预调节干涉频率装置，并形成如中国专利CN86104117A等相关发明专利。这类消声器的主要缺点是a、和传统消声器一样，属于开环控制，消声器控制系统易发散，导致消声器消声频率和实际噪声频率不一致，消声量大幅下降；b、只能在配机前根据当地噪声进行消声器特定工作干涉频率调节设置，设备运行后，该类消声器不能随设备运行状态、介质物理参数变化而调整消声器的工作参数，不能实时跟踪噪声频率，从而研制影响消声量甚至会放大噪声。
2、有源主动式干涉消声器，即有源消声器。这类消声器采用有源主动控制方式，对噪声源信号进行分析，然后利用次级声源主动发出与噪声源信号反相位的声波，形成干涉进行消声。有源主动控制(ANC)概念早在20世纪30年代就已提出，但这类消声器的研究直到80年代数字电路得到广泛运用后才逐渐兴起。目前，有源消声理论层出不穷，但国内外能投入实际运用的有源消声器产品很少。究其原因，是有源消声器还存在如下的技术难点a、有源主动控制系统控制模型比较复杂，涉及到时变初级噪声、复杂三维空间声场模型和多通道次级声源系统等；b、有源控制理论和算法尚不成熟，传递函数鲁棒性差往往导致系统发散，消声频率偏离噪声特征频率，从而严重影响消声效果。
发明内容
本发明的目的，是为了解决变工况下现有干涉型消声器因干涉频率与实际有调噪声频率不吻合而导致消声量大幅下降的问题，提供一种无需次级声源、能自动跟踪有调噪声的可变特征频率并达到最佳干涉消声效果的自适应主动控制消声器。
本发明的目的通过以下的技术方案实现一种自适应主动控制消声器，包括同轴设置的外管和内管，内外管之间通过螺旋隔板相连，还包括参考传声器、误差传声器、两前置放大器、数字信号处理芯片、伺服电机控制器、伺服电机、电机传动机构和调频管；其中参考传声器设置在消声器入口端的管内，误差传声器设置在消声器出口端的管内，两前置放大器、数字信号处理芯片、伺服电机控制器和伺服电机设置在管外，两前置放大器的输入端分别与参考传声器、误差传声器相连，输出端分别连接数字信号处理芯片的输入端，数字信号处理芯片的输出端连接伺服电机控制器的输入端，伺服电机控制器的输出端连接伺服电机，伺服电机与电机传动机构传动相连，电机传动机构设置在消声器的出口端并与调频管传动相连，调频管设置在内管的出口端内可沿内管前后移动。
所述电机传动机构包括主轴、主动伞齿轮、传动伞齿轮和传动丝杆，主轴的一端与电机相连，另一端穿进外管与外管下侧的管壁活动相连，主动伞齿轮设置在主轴的中部，传动伞齿轮设置在传动丝杆的一端与主动伞齿轮啮合传动相连，传动丝杆穿套在调频管内与调频管螺纹啮合传动相连。
所述调频管为中空管，其两端各设有一支撑杆，两支撑杆的中心各设有一螺纹孔，所述传动丝杆旋套在两支撑杆的两螺纹孔中与调频管螺纹传动相连。
本发明自适应主动控制消声器由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有突出的优点1、对于干涉型消声器独创提出的无次级声源自适应主动控制方式，采用前馈闭环控制，鲁棒性强，稳定性好，既避免了无源被动式干涉型消声器由于干涉系统易发散而导致的消声量严重下降的情况，又避免了有源消声器控制系统过于复杂而目前无法理想实现的情况；2、本发明自适应主动控制消声器整合了声学、信号测量和自动控制等多个领域的技术，整个过程实现智能化实时跟踪调频技术，适用于变工况工作条件。在运行过程中根据实时采集的噪声信号自动计算、执行并调整消声器运行参数，随时调整消声器的干涉频率，达到对特定频率的最佳消声状态，整个过程无需人工手动操作干预。
本发明自适应主动控制消声器能在100～250Hz频率范围(大多数动力设备工作基频)内对有调噪声实施有效的消声，其降噪量达25dB，且阻力损失小，基本不影响动力设备的功率。
图1是本发明自适应主动控制消声器的结构原理示意图；图2是本发明中的内管的结构示意图；图3是本发明中的调频管的结构示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明自适应主动控制消声器，包括外管1、内管2、螺旋隔板3、参考传声器4、误差传声器5、两前置放大器6、7、数字信号处理芯片8、伺服电机控制器9、伺服电机10、电机传动机构11和调频管12。外管1和内管2同轴设置，外管1和内管2之间通过螺旋隔板3相连。外管1的进口端连接有进口法兰101，出口端连接有出口法兰102。配合参见图2，内管2出口端的管壁上均匀设有多个穿孔21，各穿孔表面积之和占所在区域管壁总表面积的比例大于40％，设有穿孔的内管长度为内管总长的30-50％。参考传声器4设置在消声器入口端的管内，通过穿过外管壁的屏蔽线与外部的前置放大器6相连。误差传声器5设置在消声器出口端的管内，通过穿过外管壁的屏蔽线与外部的前置放大器7相连。两前置放大器6、7、数字信号处理芯片8、伺服电机控制器9和伺服电机10设置在管外，并以机顶盒的形式放置在筒体中央外部。前置放大器6的输入端与参考传声器4相连，输出端连接数字信号处理芯片8的一输入端，前置放大器7的输入端与误差传声器5相连，输出端连接数字信号处理芯片8的另一输入端，数字信号处理芯片8的输出端连接伺服电机控制器9的输入端，伺服电机控制器9的输出端连接伺服电机10，伺服电机10与电机传动机构11传动相连，电机传动机构11设置在消声器的出口端并与调频管12传动相连。配合参见图3，调频管12为中空管，设置在内管2的出口端内，其两端各设有一支撑杆121，两支撑杆121的中心各设有一螺纹孔122。
继续参见图1，电机传动机构11设置在消声器的出口端，包括主轴111、主动伞齿轮112、传动伞齿轮113和传动丝杆114。主轴111的一端与伺服电机10相连，另一端穿进外管与外管下侧的管壁活动相连。主动伞齿轮112设置在主轴111的中部，传动伞齿轮113设置在传动丝杆114的一端与主动伞齿轮112传动相连，传动丝杆114旋套在调频管12的两支撑杆121的两螺纹孔122中与调频管螺纹传动相连。
本发明自适应主动控制消声器的工作原理在于，高有调噪声气流从法兰口101进入消声器后，分成两路分别进入内管2和外管1，内外管间用螺旋隔板3相连。参考传声器4自动采集进入消声器的参考噪声信号，然后通过前置放大器6输入到数字信号处理芯片8进行信号频谱分析和特征频率干涉波长计算；消声器出口端的误差传声器5自动采集经过干涉消声后的误差噪声信号，并馈入数字信号处理芯片8，作为传递函数的调节参数形成前馈闭环控制。数字信号处理芯片8中的自适应滤波器根据自适应算法调节本身的传递函数，再根据参考信号和误差信号输出控制信号，驱动伺服电机10，从而调节调频管12的伸缩状态，使得内外管中声波波长行程差为1/2特征频率波长，即相位差为180°，两声波正好相位相反进行干涉消声，使得消声器始终处于最佳消声状态。
本发明自适应主动控制消声器应用于一台英国PERKINS1006TAG柴油机进行排气噪声控制。配机用自适应主动控制消声器通径为300mm，长16800mm，尺寸小，重量轻。使柴油机工作在不同的功率和相应转速工况下，其排气有调噪声的特征频率在100-250HZ频段内移动。试验结果表明，该消声器能随有调噪声的变化实时跟踪其特征频率，并在特征频率处相比光管情况下消声量达28～30dB。
权利要求
1.一种自适应主动控制消声器，包括同轴设置的外管和内管，内外管之间通过螺旋隔板相连，其特征在于还包括参考传声器、误差传声器、两前置放大器、数字信号处理芯片、伺服电机控制器、伺服电机、电机传动机构和调频管；其中参考传声器设置在消声器入口端的管内，误差传声器设置在消声器出口端的管内，两前置放大器、数字信号处理芯片、伺服电机控制器和伺服电机设置在管外，两前置放大器的输入端分别与参考传声器、误差传声器相连，输出端分别连接数字信号处理芯片的输入端，数字信号处理芯片的输出端连接伺服电机控制器的输入端，伺服电机控制器的输出端连接伺服电机，伺服电机与电机传动机构传动相连，电机传动机构设置在消声器的出口端并与调频管传动相连，调频管设置在内管的出口端内可沿内管前后移动。
2.如权利要求1所述的自适应主动控制消声器，其特征在于所述电机传动机构包括主轴、主动伞齿轮、传动伞齿轮和传动丝杆，主轴的一端与电机相连，另一端穿进外管与外管下侧的管壁活动相连，主动伞齿轮设置在主轴的中部，传动伞齿轮设置在传动丝杆的一端与主动伞齿轮啮合传动相连，传动丝杆穿套在调频管内与调频管螺纹啮合传动相连。
3.如权利要求1或2所述的自适应主动控制消声器，其特征在于所述调频管为中空管，其两端各设有一支撑杆，两支撑杆的中心各设有一螺纹孔，所述传动丝杆旋套在两支撑杆的两螺纹孔中与调频管螺纹传动相连。
全文摘要
本发明提供了一种自适应主动控制消声器，它包括同轴设置的外管和内管，内外管之间通过螺旋隔板相连，还包括参考传声器、误差传声器、两前置放大器、数字信号处理芯片、伺服电机控制器、伺服电机、电机传动机构和调频管。其中参考传声器设置在消声器入口端的管内，误差传声器设置在消声器出口端的管内，两前置放大器、数字信号处理芯片、伺服电机控制器和伺服电机设置在管外，伺服电机与电机传动机构传动相连，电机传动机构与调频管传动相连，调频管设置在内管的出口端内可沿内管前后移动。本发明能在100～250Hz频率范围内对有调噪声实施有效的消声，其降噪量达25dB，且阻力损失小，基本不影响动力设备的功率。
文档编号G10K11/175GK1651726SQ20051002394
公开日2005年8月10日 申请日期2005年2月18日 优先权日2005年2月18日
发明者朱晓健, 韩彦民, 李国刚, 孟青云, 韩华, 周炎, 陶龙海, 张泉南 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所