本文作者：罗平展
作者简介：中科院声学所博士。从事声场控制、电声器件研发多年，拥有丰富的声学开发经验。
协助作者：肖瑶、庄博
导 语
随着我国工业的快速发展与人民对于生活质量的要求进一步提高，来自大型工厂、变电站和矿场等工业设施的噪声污染问题愈发突出。
这些设施内的多个大中型机械和电力设备在生产和运行的过程中，因机械振动产生的低频噪声及其倍频谐波噪声不仅影响着设施内的工作人员，也因噪声向四周辐射从而影响了周边居民区、办公楼内的人们正常的生活与工作。
这种大型工业设施的辐射噪声主要有以下特点：
（1）设施内大量工业设备辐射噪声，难以逐个控制降噪，同时彼此相干叠加提高了噪声的总声压级，使噪声污染问题更为严重。
（2）由于单个工业设备通常有多个振动辐射面辐射噪声，多个设备的复杂空间布局实际上使得该设施成为了一个大型分布式噪声源，使得辐射的噪声声场特性十分复杂。
（3）机械振动产生的低频噪声在空气中传播衰减小，因而有时可以影响到数百米甚至上千米外的广大区域
因此，相对于在设施内尚可以通过隔声罩、耳罩等措施保护工作人员，针对大型工业设施向外的辐射噪声的则一直缺乏同时满足便捷经济高效等要求的控制方法。
本文将根据控制方法的不同，简要介绍被动降噪、主被动结合降噪以及主动降噪方法，使得读者对工业噪声控制方法能有全面而清晰的了解。
被动降噪
本章将系统的介绍常见的被动降噪方法。
被动降噪大致可以分为隔声，吸声和消声，适用于不同的应用场景和需求。被动降噪的方法与设备已非常成熟，广泛应用与生产生活的方方面面。读者可以在读完本文后，甚至可以根据本章关键词按照自身降噪需求，在网上直接进行搜索瑶声科技了解产品和购买。
1、隔声
隔声，顾名思义，指用材料、构件或结构来隔绝空气中传播的噪声，从而获得较为安静的环境。
最为经典的隔声实现当属匀质板，例如在现实中极为常见的室内墙体和窗户。在工业生产中，声屏障和隔声罩则得到了广泛应用。
隔声量主要由板的面密度，劲度系数和材料内阻决定，对于单层板而言在大多数频段内隔声量随着噪声频率升高而相应变大。为了提高隔声量，也存在对单层板进行材料填充，以及使用多层板等方式。通过在大型工业设施外搭建声屏障，能够阻挡噪声辐射到居民区或办公区，是目前控制工业设施辐射噪声的主要手段之一。
2、吸声
声波通过媒质或入射到媒质分界面上时声能的减少，称为吸声。
吸声的主要物理机制是通过空气在媒质中传播时的粘滞性和内摩擦作用，以及热传导效应，使得声能不断转化为热能。
吸声材料或结构基本分为三大类：多孔吸声材料，共振吸声结构和特殊吸声结构。
吸声材料主要包括纤维材料，颗粒材料和泡沫材料等；共振吸声结构主要包括微穿孔板，狭缝共振和薄板共振结构；吸声尖劈则是经典的特殊吸声结构。
3、消声器
消声器是一种既可使气流通过又能有效的降低噪声的设备，一般具有吸声内衬或特殊结构，常用于降低噪声的气流管道。常见的消声器基本上属于阻性、抗性、复合式及排气放空式四种类型。
主被动结合
由于大型工业设施中噪声源数量较多，难以逐个进行吸声和消声处理。于是，在工业设施四周布置声屏障是控制到目标居民区噪声辐射的主要手段。
目前传统被动声屏障的主要问题：
一方面在于为了在低频段对入射到声屏障的噪声取得显著的隔声量，通常要求声屏障有很大的面密度和厚度，而这在实际应用中因材料、空间和经济上的原因难以满足；
另一方面由于声屏障的“开敞性”，声波可以从声屏障的两侧和顶部绕射至声屏障后，降低了隔声量，也使得静音区的面积受限。
现有的主被动结合抑制辐射噪声的方式，通常选择在安装声屏障的同时，在声屏障顶部安装扬声器或扬声器阵列，通过向声屏障背后辐射次级声场，与声屏障顶部的绕射的噪声声场的相位相反实现相互抵消，从而抑制从顶部绕射的噪声。
这在声学上等效于构建了吸收性声边界，起到了增大静音区并获得更大的隔声量的效果。
主动降噪
由于声屏障的在低频段的效果不尽如人意，因此直接进行主动控制成为了极有前景的备选方案，具有体积小，重量轻，低频效果好等优点。
1、什么是主动降噪
主动降噪基于扬声器与麦克风阵列进行实现，通过将麦克风阵列布置在目标区域附近，利用扬声器阵列使得麦克风阵列处声压最小，在目标区域附近实现静音区。
2、主动降噪缺点
这种直接控制麦克风阵列处声压的主动降噪方法，虽然在麦克风阵列处实现了降噪效果，但是由于扬声器阵列向空间辐射次级声场，不可避免会抬高空间其他方向上的声压。此外，这种方法对系统的空间布局提出了很高要求，尤其是扬声器与麦克风阵列的阵元间距的要求较为苛刻，否则容易产生干涉图样式的降噪量分布，限制了系统总体降噪量，如图7。
3、可行方案
为了解决上述问题，提高主动降噪系统的性能，来自中科院噪声与振动重点实验的研究团队给出了可行的解决方案。
基本思路都是更好的利用阵列的空间指向性进行更为精准的声场控制。
一种解决办法是在布置麦克风时同时在空间设置约束点，从而使得在约束点方向上抑制了额外的噪声增益；
另一种解决办法则是直接在扬声器阵列处利用波束形成技术设计阵列指向性，直接约束旁瓣大小，得到强指向性的阵列，使控制过程更为高效与灵活。
总 结
本文介绍了常见的降噪方法，按照降噪机制分为被动降噪，主被动结合和主动降噪。同时本文科普了它们在控制大型工业设施辐射噪声时的应用以及优缺点。
大型工业设施噪声辐射问题十分复杂，针对如何既高效又简便的解决该问题的研究依然方兴未艾。在传统声学材料尚未取得重大突破的当下，结合主动降噪进行辐射噪声的控制应是研究的主要方向。利用扬声器阵列和麦克风阵列，通过空间声场进行感知，设计和控制，主动降噪技术能够获得更好降噪效果，从而对保证正常的工业生产活动，改善人们的生活环境起到了重要作用。
本文来源于：瑶声科技 用声学智能赋能新工业https://www.yaosound.com/
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