基于分流扬声器阵列的双频吸声

变压器的噪声主要由低频成分组成，这些低频噪声难以通过传统的噪声控制方法加以抑制。分流扬声器（Shunt Loudspeaker, SL）由一个封闭箱体的扬声器和一个分流电路组成，其通过将入射声转换为电能并加以存储和耗散，从而成为一种有效的声吸收装置。在本文中，研究人员提出使用分流扬声器阵列来控制变压器噪声的 100 Hz 和 200 Hz 成分。

低频声音的有效吸收是噪声控制和建筑声学中的一个挑战。传统的吸声材料通常需要较大的背腔或较厚的厚度来吸收低频声音。近年来，声学超材料（Acoustic Metamaterials） 由于其亚波长（subwavelength）尺寸而受到了广泛研究。例如：

• 通过空间卷绕（space coiling），或空间折叠（space folding）可显著减少超材料吸声器的厚度；但这些材料在制造完成后，其吸声性能通常难以调整；
• 膜基（membrane-based）超材料和共振耦合（resonance coupling）超材料需要特定的弹性参数或品质因子才能实现最佳吸声效果，这使得其难以大规模生产；
• 主动噪声控制（Active Noise Control, ANC）技术虽然有效，但存在系统成本高、复杂度大、鲁棒性差的问题。

分流扬声器（Shunt Loudspeaker, SL）是一种闭箱扬声器与分流电路组成的装置。在扬声器两端连接分流电路形成封闭回路，当扬声器振膜受到入射声激励时，带动线圈切割磁感线在分流电路中产生电流，能量被电路中的元件耗散或储存。通过调节分流电路中的电阻、电感、电容可改变扬声器振膜表面的声阻抗，在保持轻薄的同时可用于低频声控制。分流扬声器最早用于管道声场控制，其原理等效于反馈式主动控制系统。负阻抗转换器（Negative Impedance Converter, NIC）可用于调节分流扬声器以调整负电阻、负电感或负电容，并且可以与微穿孔板（Micro-perforated panels, MPP）结合，以拓宽吸声频带。

为了吸收多频噪声，研究者们探索了双共振（Dual-resonance）和多共振（Multi-resonance）吸声分流扬声器，其100Hz及其谐波频率处的法向吸声系数均可达到0.9以上。这些研究表明，单个分流扬声器可以作为一种有效且可调的声吸收器，但在实际应用中，需要多个分流扬声器组合成阵列。

图1 展示了分流扬声器阵列的一个基本单元，其厚度为11.8cm，目标频率为100Hz和200Hz。其中：

• -RE代表负分流电阻，
• C1代表分流电容，
• L1代表分流电感。

图2 显示了一个由64个分流扬声器单元组成的分流扬声器阵列，其单元均匀分布在总面积S内：

• S₀ 为扬声器振膜的有效面积，
  S_i 为第 i 个分流扬声器单元的前表面积，
• d 为单元之间的间距。

定义面积比（σ）为扬声器振膜总有效面积与整个阵列总面积 S 之比。当 d=0 且 Si = S0 时，面积比 σ 最大为 1。但对于实际的封闭箱体扬声器，由于其振膜是圆形的，σ 小于 π/4。

通过测试了五种不同间距（d =33cm、25cm、16.5cm、8.3cm 和 0cm）的分流扬声器阵列布局，并在混响室中测量其随机入射吸声系数。其中，最优布局（d=0cm，总面积 S=1.74m², 图3a）的测试结果如 图3d 所示：

• 100 Hz 处的吸声系数=1.04，
• 200 Hz 处的吸声系数=0.93。

实验测得的吸声系数大于1这是由于试样边缘的衍射效应导致额外的声能损耗，使测量值偏高。此外，研究还测试了d=16.5cm和d=33cm布局（图3b,3c），其面积分别为6.10m² 和13.25m²，面积比分别为 0.082 和 0.038，其测得的吸声系数如图3e,3f所示。

测试结果表明，分流扬声器阵列在厚度仅为100Hz波长的1/28的情况下，仍具有良好的吸声性能。