复杂声学环境中人耳附近空间有源降噪研究综述

复杂声学环境中人耳附近空间降噪是有源噪声控制研究的重要课题,目前采用的主要方法为有源降噪头靠(AHR)和虚拟声屏障(VSB).本文简述AHR与VSB的发展历史和研究现状,介绍其物理原理和设计方法,评述其在实际应用中的优缺点,讨论了目前存在的问题与未来相关的研究方向.已有理论、数值仿真和实验研究验证了相关技术在人耳附近空间产生静区的可行性. AHR系统需要较少控制源,系统相对简单易实现,但静区范围较小,结合虚拟传声器技术和人头跟踪技术后可实现随人头移动的静区,降噪频率可达中高频; VSB产生的静区范围较大,但控制源个数较多,系统复杂和成本高,可通过代价函数和控制源优化,以及主被动混合控制技术来提高有效降噪频率范围和减少控制源个数.

无次级通道建模有源噪声控制算法的实验研究

以管道中有源噪声控制为实验平台,基于ADSP21161N数字信号处理评估板实现了本文作者早先提出的不需要次级通道建模的基于LMS方法的四方向搜索型有源控制算法,并给出了该算法在实际应用中收敛系数的选取原则。针对单频和多频噪声的实验结果表明,前人两方向搜索型有源控制算法在大部分频率上都能收敛,但在次级通道相位为±90°的频率不能收敛,而本文作者所提出的四方向变收敛系数搜索型算法,在所有频率都能快速收敛。

有源吸声尖劈的实验研究

提出了一种利用有源控制改善吸声尖劈低频声吸收的方法。实验研究了正入射下,有源控制系统对吸声尖劈低频段吸声性能的补偿效果;比较了用有源控制分别对吸声尖劈正面和背面声阻抗与空气阻抗进行匹配两种误差策略,发现将误差传声器放置在尖劈前更合理,既能保证较好的低频吸声效果,又能占用较少的空间。实验结果表明,有源控制系统与20cm长的传统尖劈相结合所构成的总长约40cm的有源吸声尖劈,在100-1000Hz频率段,吸声系数可以达到0.98-1.00,和80cm长的传统尖劈的吸声性能相当。

频域分割的复合超声热应变成像

在超声热应变成像(TSI)中,二维TSI图像中加热区域即感兴趣区域(ROI)的后方(远离声源方向)由于热声棱镜效应、互相关函数峰值误判等可能出现较强的噪声,影响对热区的识别。为对TSI图像降噪并优化ROI的选取,提出一种频域分割的复合超声热应变成像方法。首先,对加热过程中超声成像得到的射频数据进行频段划分,将划分后每个频段的数据视作一次独立成像的结果。其次,利用不同频段数据分别进行TSI计算,所得ROI的形态及其中的热应变分布有很好的一致性,而噪声分布差异较大。基于此对ROI与噪声区域进行区分,通过多频段TSI的复合实现降噪。最后,对降噪后的TSI图像,借助径向梯度指标实现ROI的识别。基于数值仿真和离体猪脂肪加热实验,对所建立的方法进行了验证,仿真中ROI热应变成像的对比度提升了1.7 dB,实验中提升了13.6 dB。

不同次级声源布放下汽车路噪有源降噪头靠中的人耳定位精度要求

研究了汽车座舱内使用有源降噪头靠降低路噪时人头位置偏移对降噪效果的影响。基于自由场刚性球声散射模型,建立了降噪性能分析模型,并通过数值仿真对比了使用头枕扬声器和座椅扬声器作为次级声源时人头平动和转动对降噪量的影响,拟合得到人头活动后降噪量的预测公式,讨论了人耳定位精度的要求。最后,在50 km/h行驶的电动汽车中进行实验验证,分析了人头平动与转动对降噪效果的影响,并提出了人耳定位系统的精度要求。结果表明,人头偏离初始位置会导致降噪效果下降,频率越高、距离变化越大,降噪量损失越显著;使用头枕扬声器时,定位精度要求更高。当初始降噪量为9.3 dBA且允许损失不超过3.0 dBA时,定位精度应高于1.6 cm和5.9°。

微型扬声器总谐波失真测量的衍射效应

该文旨在消除衍射效应对微型扬声器总谐波失真测量的影响,根据扩展的Biot–Tolstoy–Medwin模型,研究了微型扬声器总谐波失真测量的衍射效应,重点分析了微型扬声器后腔封闭和后腔开放的两种不同条件下考虑微型扬声器后向衍射和不考虑后向衍射的两种情况。该文使用的是简单稳定的障板测试条件,由于衍射效应与障板尺寸和微型扬声器的安装位置有关,因此该文将微型扬声器安装在固定尺寸的障板上的固定位置。该文理论计算了不同测量距离下障板的衍射曲线,分析了对应情况下微型扬声器总谐波失真测量的衍射效应,并进行实验验证。实验结果与理论计算吻合良好,证明了该文计算方法的准确性。该文研究表明,微型扬声器总谐波失真测量的衍射效应受障板的影响较大,且测试距离越远,影响越大,扬声器后腔开放时的衍射效应比后腔封闭时的衍射效应更为明显。使用根据该文的方法计算出的衍射曲线,可以对微型扬声器测量得到的总谐波失真进行修正,消除障板测试条件下衍射效应的影响。

超声引起的双层生物组织中的温度场研究

超声热疗在临床上得到了越来越广泛的应用,成为目前临床治疗的一种有效手段,但治疗中人体组织的温度测量是决定治疗成败的重要因素。基于超声的温度分布的无损测量是其中的一种方案,也成为医学超声研究的一个热点。采用有限差分的离散方法求解Pennes方程,从而得到了超声作为热源的情况下双层生物组织中的温度场。通过实验验证,说明该方法能较为准确地计算出超声热源情况下双层组织中的温升分布情况。同时讨论了各个参数对双层组织温度的影响,实验和计算结果发现初始声压和组织的热传导率对焦点温升的影响较大,组织的热容对焦点温升的影响很小,只有热传导率对焦点的位置有较大的影响。

基于时间反转的复杂声场拾声传声器阵列性能研究

探讨时间反转技术在复杂声场传声器阵列拾声中应用的可行性及其机理,给出其一般规律和性能。研究表明:在自由空间中,其拾声性能与频率,阵列形状和半径有关,频率越高,半径越大,拾声效果越好。在普通房间中,在语音频段内,圆弧阵列在预定目标点处的阵列增益性能要比离预定目标点约25 cm远处的位置处大5 dB以上。在普通房间和混响室中的实验验证了上述结论。

超声波与光协同降解对氯苯酚水溶液的机理研究

为阐明超声波与光协同作用机理,以对氯苯酚为研究对象,研究了对氯苯酚水溶液在超声波与光(紫外光、可见光)单独及共同辐照下的降解现象,研究发现对氯苯酚水溶液在超声波及紫外光单独辐照下均发生降解,降解过程符合一级反应动力学规律。在超声波和紫外光共同辐照下,降解过程也符合一级反应动力学规律,同时对氯苯酚水溶液降解呈现显著的声光协同效应,即同一辐照时间内超声波和紫外光共同辐照下对氯苯酚的降解率大于超声波和紫外光单独辐照下各自降解率之和。另一方面,超声波和可见光共同辐照没有呈现出明显的声光协同效应。超声波和紫外光共同辐照下的声光协同效应被归因于紫外光对超声空化过程中产生的过氧化氢的裂解作用。

生物医学光声成像的研究进展

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术,它同时具备光学成像和声学成像两者的优点,因而备受关注。本文对生物医学光声成像的发展进行了综述。首先,介绍了光声成像的特点以及相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点;其次,在成像原理上解释了光声成像优点的成因,并介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像技术;再次,详细介绍了多尺度的光声图像分辨率和成像深度,以及多信息维度的光声成像参数;最后,展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性。

两端开口空间的声场研究

研究了两端开口空间中声压分布同封闭空间和长空间中的不同,比较传统赛宾公式、改进赛宾公式和声线法对这种空间的估计准确度,同时对其中出现非指数衰变曲线进行讨论,分析其产生的原因、影响因素和规律。文中使用声线法进行数值计算,并且通过实验来和数值结果比较,验证结论。研究表明:两端开口空间中的稳态声压分布与封闭空间和长空间明显不同,混响时间的计算不能再使用传统赛宾公式,声线追踪法无法完全准确地估计稳态声压;其中出现非指数衰变曲线的原因经分析为空间内各不同活跃度的小区域之间的声能量耦合造成,而能否被观察到取决于能否满足耦合空间理论中对于双斜率衰变曲线出现的要求,直观上只要观察点和声源距离相差不远,并且不都在空间中央便可观察到明显的双斜率衰变曲线。

母语为汉语的听者听英语时的空间去掩蔽现象研究

通过心理声学实验研究了来自不同方向具有不同信噪比的两种干扰声条件下,母语为汉语的听者对英语的空间去掩蔽现象。在消声室指定位置布放扬声器,发出目标声和干扰声,通过听者对目标声进行听音识别,得到听者识别的正确率。实验结果显示:只在正前方播放目标语音时,识别正确率大于99%,当目标和干扰语音都位于听者正前方时,正确率为57%;当目标和干扰语音随机位于士60°时,正确率为96%;特别地,当目标语音和干扰信号都位于听者正前方时,若干扰为噪声,随着信噪比从0 dB降低到-12 dB,正确率从96%降低到34%,而当干扰为语音时,随着信噪比从0 dB降低到-12 dB,正确率先是下降,随后有平均幅度为27%的明显上升,在此之后又是下降的趋势;当噪声干扰和语音干扰位于60°时,随着信噪比从-4 dB降低到-16 dB,正确率分别从99%降低到80%和从98%降低到91%。研究表明:空间分离对于母语为汉语的听者的英语语音可懂度有明显增益;大多数情况下英语语音的正确率都随着信噪比的降低而下降。这和对母语为其他语言的相关研究结论一致。

声波在锥棒中非经典非线性传播及实验验证

弹性体材料在早期退化阶段会出现一些长度不同,且分布不均匀的介观尺度微裂纹,声波在这些裂纹聚集区(或裂纹群)传播会激发较强的非经典非线性。文中以缓变截面的锥棒为研究对象,在Preisach-Mayergoyz(PM)空间模型下研究了声波通过微裂纹聚集区激发的非经典非线性谐波传播特性,实验验证了三次谐波位移幅度与缺陷位置、宽度的反演关系。理论计算和实验结果表明:微裂纹群激发了较强的奇次谐波,引起非经典非线性传播;其谐波幅度与微裂纹聚集区域位置、宽度及非经典非线性参数紧密相关,利用三次或五次谐波位移幅度能够准确定位缺陷的区域。

超声热疗无创测温中AR模型方法应用研究

研究基于超声功率谱的无创测温技术中AR滤波器对测温精度的影响。模拟了正常肝组织在超声换能器辐照下的散射回波信号,通过对加热前后组织回波信号的功率谱分析,使用AR模型计算频移,并反演温度分布。结果表明,当AR阶次为83～84、窗长为454～460时所反演的组织温度值与在频域求解非线性KZK方程和Pennes方程所得理论结果的偏差较小,约0.08oC。

低频用周期性结构管道的研究

在扬声器单元的一侧耦合管道是解决声短路,实现低频下潜的有效方法。本文研究了一种周期性结构管道,对其低频辐射特性进行理论分析,提出了使用周期性结构管道代替传统均匀管道以缩短长度。在实际的扬声器单元上分别耦合传统的均匀管道和周期性结构管道,实验结果与理论计算基本吻合。结果表明,为实现相同的低频下潜,合理的周期性结构可以有效地缩短管道长度,从而具有更高的实用价值。

室温离子液体中超声辐照制备氧化锌纳米棒的研究

离子液体与超声技术结合在纳米材料的制备中具有广阔的前景,但目前以离子液体为溶剂超声制备纳米材料的报道还不多见,相关的反应机理研究也亟待开展。本文首次在室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中超声制备了氧化锌纳米棒,该方法具有简便、快速和环境友好等特点。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)对纳米氧化锌的结构和形貌进行表征。作为比较研究,采用传统的低蒸汽压有机溶剂二缩三乙二醇在同样的超声反应条件制备了纳米氧化锌材料。离子液体中超声合成样品为直径约20 nm,长度30～50 nm的纳米棒,而在二缩三乙二醇中超声制备的样品为直径6～8 nm的纳米颗粒。利用光声光谱(PAS)研究了纳米氧化锌样品的光学性能和量子尺寸效应。对离子液体中超声制备氧化锌纳米棒可能的反应机理进行了讨论并建立了的反应模型。结果表明在在超声辐照和离子液体溶剂的共同作用下氧化锌纳米棒得以生成。

利用激光超声研究功能梯度材料中声表面波的传播特性

利用有限元的方法建立了脉冲激光在功能材料中激发声表面波的理论模型,根据该理论模型分别分析了脉冲激光在不同空间调制下所激发的声表面波(SAWs)在功能梯度材料表面的传播特性,以及不同力学参量变化对所激发的声表面波传播特性的影响。模拟结果表明:线源激发的宽带声表面波在功能梯度材料表面传播时,声表面波会出现明显的色散效应;当使用光栅调制的脉冲激光在功能梯度材料上激发声表面波时,与均匀材料中所激发的声信号相比,激发频率发生相应的频移现象。该模型为功能梯度材料的非接触表征提供了理论基础。

恒定束宽扬声器线阵列优化研究

为了保持恒定束宽扬声器(Constant beamwidth transducer,CBT)线阵列高频指向性恒定,解决单元间距过小的问题,减小阵元数目,提出了利用声波导代替扬声器单元,建立了波导CBT阵列的声场模型。基于数值计算结果和数据分析,比较了不同阵元数目的波导CBT阵列和CBT阵列的指向性和声场分布,讨论了有效辐射率和使用阵元数目的关系。通过提高有效辐射率可以有效降低CBT阵列所需阵元数目,解决了扬声器单元间距过小的问题。

混响室中混响时间测量偏差的研究

在混响室中测量吸声材料的吸声系数时,需要进行混响室中有吸声材料时混响时间的测量和没有吸声材料时混响时间的测量,两者的可重复性和可靠性直接影响到所测材料吸声系数的准确度。通过统计声学和波动声学的基本原理对混响室中混响时间测量的空间偏差和重复偏差产生的原因进行了分析,并且在多组不同的实验条件下,在南京大学混响室中实测了空场时的混响时间和有吸声材料时的混响时间。通过比较、分析混响时间测量结果的空间偏差和重复偏差,总结出了混响室中混响时间测量的空间偏差和重复偏差较小的测量条件。

利用瞬态热栅技术研究Sr_2FeMoO_6的热扩散系数及其温度效应

为研究Sr_2FeMoO_6的热扩散系数及其温度效应,利用瞬态热栅法研究了不同温度下Sr_2FeMoO_6热扩散系数变化,发现在温度300～360 K范围内,Sr_2FeMoO_6热扩散系数随着温度升高缓慢减小;在居里温度T_C～380 K附近,热扩散系数剧烈下降;在温度400～450 K范围内,热扩散系数随着温度升高基本保持不变。利用声子、电子自旋以及电子输运讨论了其在上述不同温度范围内对Sr_2FeMoO_6热扩散系数的影响。