《Applied Acoustics》：Active noise control mechanism for the low-frequency sound field of a cylindrical shell
编辑推荐：
水下圆柱壳低频辐射声场主动控制机制研究，提出最小空间平方声压控制方法，通过数值模拟与湖试验证，揭示主声源功率降低、次声源能量吸收及协同作用的三重控制机制，为优化水下结构主动控制系统提供理论支撑。
Jinpeng Liu|Chao Zhang|Dejiang Shang
中国哈尔滨工程大学水下声学技术国家重点实验室，哈尔滨，150001
摘要
目前关于水下结构低频全向噪声主动控制的研究仍然有限。大多数研究集中在控制系统算法上，对于控制声场的具体机制关注不足。为了解决这一问题，本研究应用了最小空间平方声压方法来控制典型圆柱壳结构的低频辐射声场，并分析了声场控制机制。该方法采用了一种旨在最小化声场在空间中总辐射能量的控制策略。通过数值模拟和湖泊实验进行了验证。结果表明，可以使用这种方法有效控制圆柱壳的低频辐射声场。研究结果阐明了低频主动控制的机制，该机制通过三种途径实现：降低主要声源的输出功率、使次级声源吸收能量以及两者的结合效应，并明确了声场控制过程中能量是如何减少的。对声场控制机制的这一研究为优化主动控制系统提供了理论基础。
引言
水下航行器产生的低频噪声不仅会暴露其位置，还会干扰声纳系统的探测范围和精度。目前常用的方法，如声学包覆、振动隔离和声学振动隔离，通常与低噪声设备结合使用以减少结构振动噪声[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，材料特性的限制和可用的结构空间导致低频噪声的控制效果不佳，控制通道也有限。因此，主动噪声控制（ANC）已成为管理低频噪声的主要方法。
从声场辐射的角度来看，一个结构可以被视为多个点源的集合。因此，复杂结构辐射的声场可以近似为多个点源辐射的声场。通过引入次级声源可以实现单个点源的ANC。Nelson和Elliott[6]、[7]、[8]研究了自由场中单极声源和单极组合声源的ANC。通过调节次级声源及其阵列，他们最小化了声场能量，并推导出了次级控制源的最佳体积速度。Kempton[9]使用球面波展开将单极声场表示为高阶多极声场的叠加，从而评估了ANC的可行性。在此基础上，Bolton等人[10]、[11]应用多极展开方法调节了主要声场的声场，实现了辐射声功率的整体降低。这些研究从分析和实验上证明了使用多极次级声源比单极声源具有更好的降噪效果。Martin和Roure[12]、[13]使用球谐展开表示了主要声场的声场，并通过分析方法和遗传算法确定了次级声源的最佳配置，并通过实验验证了他们的发现。Liu等人[14]提出了结合吸力作用和尾缘吹气技术的方案，以减少钢翼板模型中的流动诱导振动噪声。Niu等人[15]利用超疏水表面改变了边界层流动，从而实现了流体动力噪声的控制。
对于ANC系统而言，误差传感器和次级声源的布置是一个关键问题。Niu等人[16]开发了一种传感器布置优化方法，并通过数值和实验研究进行了验证。Wang等人[17]提出了一种基于空间傅里叶变换的误差感知策略，用于辐射声场的方向控制，证明相邻误差麦克风之间的距离应小于波长的一半。Tian[18]为管道设计了一种ANC系统，并测试了不同布局的次级声源和误差传感器，用于控制300 Hz至1 kHz范围内的单频噪声。Moreau[19]利用虚拟感知技术解决了传感器布置问题，将安静区域投影到远场中。
水下结构通常是圆柱壳，这增加了针对这种结构进行ANC研究的兴趣。对于圆柱壳，壳内的噪声控制属于封闭空间内的ANC问题，而壳外的控制则属于无边界（自由场）环境，两者需要不同的控制策略。Clark和Fuller[20]对带有刚性端盖的薄长圆柱壳在各种激励条件下的噪声控制进行了实验。Fuller和Ruckman[21]使用多元线性回归优化了次级激励力的布置。为了从源头上减少噪声，Pan[22]、[23]研究了能够承受长时间压力的圆柱壳的低频噪声减少方法，使用T形周向执行器将前三阶轴向模式的辐射功率降低了近三分之二。Loghmani[24]开发了一种多输入多输出线性二次高斯控制器，利用压电材料实现了对薄壁铝壳宽带振动的有效控制。
其他研究人员还专注于控制圆柱壳的振动和辐射声场。Naghshineh[25]使用二次函数扩展了主要声源和控制力的声功率表达式，并将其应用于圆柱壳结构。Kwak[26]提出了一种改进的高阶共振控制技术，用于圆柱壳结构的ANC，并通过实验验证了其方法的可行性。Caresta[27]将受轴向和径向力激励的圆柱壳结构分解，并使用执行器组来控制振动和辐射声场。Cao[28]通过在其轴线平行安装执行器，有效控制了圆柱壳结构的全向辐射噪声。Zhang[29]以近场中的正常声能流作为控制目标，减少了远场辐射噪声并优化了控制系统。Maillard[30]对铝圆柱壳的研究表明，离散的结构-声学传感器能够达到与远场误差麦克风相当的性能，同时进一步增强了远场衰减效果。Baz等人[31]提出了一种全局稳定的边界控制策略来抑制壳体振动，其有效性通过数值模拟得到验证。Ray[32]研究了主动约束层阻尼，证明了其在改善薄圆柱壳阻尼特性方面的有效性。在实际应用中，Caresta等人[33]利用惯性执行器控制由螺旋桨力激励的小型潜艇壳体的声辐射，而Merz[34]实施了一种集成多方法控制策略来管理潜艇的辐射声场，显著降低了辐射声功率。
尽管取得了这些进展，但关于典型水下结构中低频噪声控制的研究仍存在一些不足。常见的叠加方法只能在误差点附近减少噪声，甚至可能在其他方向上恶化声场。大多数关于圆柱壳结构的研究都集中在控制振动上，而不是声场本身。特别是，现有研究没有充分探讨次级声源如何操纵声场的机制。大多数ANC研究侧重于开发自适应系统，而没有详细分析主动噪声减少的机制。很少有研究探讨次级声源如何控制声场或它们如何影响主要声源。
因此，本研究解决了典型圆柱壳结构的ANC问题，并提出了一种最小化空间平方声压的控制方法。这种方法可以实现圆柱壳的全向噪声控制，并能够详细研究这些结构的声场控制机制。
部分摘录
理论方法
使用单个次级声源难以控制复杂水下结构中的声场。因此，研究使用多个次级声源进行声场控制尤为重要。本研究解决了圆柱壳结构的低频声场控制问题，并提出了一种最小化空间平方声压的控制策略。
数值模拟
本研究探讨了典型圆柱壳模型中低频声场控制的控制机制。圆柱壳模型的参数列在表1中。在壳体中部的下方，一个面积为0.21米长、0.20米宽的区域施加了1牛顿的表面激励力。该模型没有其他约束。模型和激励设置的示意图见图2。
模型参数
实验使用了一个水下航行器模型作为目标。该模型长度为21米，半径为1.32米，主要由钢制成，内部有20个环形肋条。在模型内部安装了一个水箱以控制其浮沉。
实验系统
实验系统由两部分组成：信号传输系统和水下声学信号接收系统。图15显示了系统之间的连接。
结论
为了解决当前声场控制机制的不确定性，本研究提出了一种最小空间平方声压方法来控制圆柱壳结构的低频声场。通过数值分析和湖泊实验验证了所提出方法的有效性。此外，系统地分析了次级声源控制结构声场的机制，得出以下结论：
(1)作者贡献声明
Jinpeng Liu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Chao Zhang：验证、资源、项目管理、研究、资金获取。Dejiang Shang：验证、资源、项目管理、方法论、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
