南京大学的有源噪声控制研究纪念沙家正先生.docx

1、南京大学的有源噪声控制研究纪念沙家正先生南京大学的有源噪声控制研究 纪念沙家正先生邱小军【摘 要】【摘 要】沙家正先生是中国有源噪声控制研究的开创者，著名声学家、南京大学教授。详细讲述了南京大学有源噪声控制的研究过程以及沙正明、沙家正、田静、邱小军、杨军、邵军等人所做的研究工作，尤其是沙老师对中国有源噪声控制所做的贡献。【期刊名称】电声技术【年(卷),期】2014(038)009【总页数】4【关键词】【关键词】 有源噪声控制；管道有源消声器；有源抗噪声送话器1 引言中国有源噪声控制研究的开创者、著名声学家、南京大学教授、沙家正先生2014年5月14日在南京病逝，是中国声学界的重大损失。作为先生

2、的第一位博士研究生，我感到分外悲痛。1992年，因为久慕先生的学术成就，我从北京大学转到南京大学声学研究所攻读博士学位，有幸在先生引导下，进入有源噪声控制研究领域。毕业后留校，进入先生的课题组工作。2001年，先生退休，我接下先生的衣钵。从入门到现在，一晃20多年过去了，先生早年播种的有源控制研究的种子已从嫩芽经过茁壮成长进入开花结果阶段，正在拓展更广泛的应用领域。目前，南京大学的有源控制研究水平在世界领先：课题组的研究人员应邀在世界级噪声大会做大会报告，并在南京大学和世界各地组织有源控制研讨会；课题组开发了迄今世界上最先进的多通道自适应有源控制器，已在全世界展开销售；课题组和世界各地的相关科

3、研单位和相关企业建立了紧密的合作关系。这一切都起源于先生在20世纪80年初的远见卓识。本文梳理南京大学的有源控制研究，时间跨度从南京大学有源控制相关第一篇论文发表到2001年沙先生在南京大学退休，以此纪念沙先生，并探求本研究方向发展的规律。2 有源噪声控制研究过程虽然有源噪声控制的思想早在1936就已被Lueg提出1，且20世纪50年代在电子吸声器和变压器噪声控制方面有初步的尝试2-3，但由于当时电子技术的水平和系统理论分析的缺乏，一直没有得到有效发展。有源噪声控制全球范围内的真正系统性的研究始于在20世纪80年代，其主要推动力是当时电子、控制和计算机技术的发展。南京大学的有源噪声控制相关研究

4、始于20世纪80年代初，这时全世界的相关研究也刚刚起步，如英国剑桥大学的Ross在1980刚刚完成他的博士论文4，而后来成为有源噪声控制领域世界权威的英国南汉普顿大学声与振动研究所的Elliott和Nelson直到1984年才发表他们第一篇有源控制的技术报告5。这一研究方向的选择显示了沙先生及其所在南京大学课题组相关人员明锐的洞察力和对声学学科发展的远见卓识。在国内声学核心期刊上发表的中国有源噪声控制研究的第一篇论文是1981年5月由沙先生和他的同事们在声学学报上发表的“管道有源消声器”一文6。文中，沙先生和他的同事们提出了由单指向性传声器、延时器、单指向性扬声器构成的管道有源消声系统。对于单

5、频声，在100315 Hz频率范围可降低3555 dB；对于1/3倍频程噪声,可降低1424 dB；对于宽频带噪声，在一个倍频程内可降低820 dB，这在当时是世界上非常好的结果。文中设计的单指向性声源只用一个功放，结构简单，性能优良，便于实际使用。随后，他们从理论和实验两个方面对有源消声器的消声机理作了研究。理论和实验结果证明了当次级源为单指向声源时，初级源的声能量全部被次级声源所吸收，而没有能量被反射回上游方向。另外，他们还对能量吸收的过程进行了探讨，发现采用单指向声源的有源消声器吸收能量的过程是在构成单指向声源的两个扬声器单元之间产生来回往返的反射和吸收。相关结果在1983年发表在声学学

6、报上7。这些研究成果在当时都是世界领先水平的。可惜可能由于当时还不够开放，和国外交流刚刚开始，相关的结果没有直接发表在国际刊物上。1984年，他们为了使系统更加实用，简化了1981年提出的“管道有源消声器”，提出了一种宽带管道有源消声器，仅使用一个单指向性传声器和普通扬声器声源构成，结构简单，总长只有60 cm，从201 000 Hz的频段内能获得1020 dB的声衰减8。接下来几年，南京大学有源噪声控制的研究工作从管道拓展到三维空间，1987年，沙先生的硕士生田静和先生一起在声学学报发表了题为“空间有源消声器研究”的论文9。他们从理论和实验两个方面分析了次级声源的辐射特性，设计了一种三极子分

7、立声源，引入了次级系统的加速度信号馈给方式，给出并讨论了在消声室与混响室两种极端声学条件下取得的三维低频噪声场的全空间消声效果。与当时同类工作相比，论文的创新在于通过设计的三极子次级声源，减少了全空间消声的次级声源数目。同年，沙正明和沙先生探讨将微型计算机技术引入单源有源消声器10。他们利用计算机控制其可变参数，使消声系统能对噪声源进行自动跟踪，从而使得参数在一定范围内随着消声情况的变化而变化，始终保持最佳的消声效果。研究发现对线状谱噪声可将其剩余噪声控制在本底噪声或比本底噪声稍高一点的范围内(3 dB)，这样跟踪速度较快，最佳消声状态的稳定性也较好。另外，文中提出了在次级源上下游放置两个相同

8、的传声器，通过对两个信号相减获得没有次级控制源声反馈信号的参考信号。这是国内最早的自适应有源控制器的雏形。1988年，沙正明和沙先生提出了以抵消法进行检测的单扬声器有源吸声结构，并研究讨论了将声学行波探管应用于自适应有源消声系统11。声学行波探管可以完成信号检测及延时两部分功能，并可避免管道中气流对传声器的影响及损害。用单只扬声器的抵消接收法的有源吸声方式对低频及窄带噪声效果良好，有效消声频率范围从50 Hz到500 Hz，最佳消声指数对单频声接近50 dB，对1/3倍频程带宽噪声18 dB，对倍频程带宽噪声为10 dB。随后几年，南京大学的有源控制研究开始走向应用。1991年，田静和沙先生等

9、在声学学报定量地讨论了有源护耳器的基本原理和在设计使用中应该注意的问题，给出了一种比较实用的结构及其实验结果，说明了有源控制的作用机理是改变护耳器的力学阻抗以提高其低频降噪效果12。在此基础上，他们继续研究了抗噪声送话器和受话器以提高现有产品的低频抗噪声能力。在有源护耳器的基础上发展起来的有源抗噪声送话器和受话器不仅具有优越的低频抗噪能力，而且在声音的衰减中还有一定的选择性。能在显著提高低频噪声环境中的语言通信信噪比的同时，保证较高的语言清晰度13。1995年，南京大学进行有源噪声控制研究的博士研究生有邱小军、杨军和邵军，硕士研究生有韩飞、冯津伟、张自力、杜学超和岳国森等，他们分别在有源控制领

10、域的不同方向进行相关研究。如邱小军在沙先生指导下研究了低频无规入射声场通过矩形板入射到闭空间的有源控制14，杨军在沙先生指导下探索了对机翼颤振的有源声控制15-16，邵军在沙先生指导下研究了声屏障和有源噪声控制声屏障17，韩飞在沙先生指导下研究了Rijke热声不稳定性的有源控制18，冯津伟在沙先生的指导下对空间有源消声的声能量流进行了研究，并尝试了空间有源消声的微机控制19-20，岳国森在沙先生指导下研究多参考通道自适应有源结构声辐射控制系统参考信息的拾取21。南京大学有源噪声控制研究在国外发表的最早一篇论文是1983年沙先生去法国巴黎参加第11届国际声学大会的会议论文，讨论的是管道有源消声2

11、2，同年第一篇英文期刊论文发表在英文版的中国声学学报(Chinese Journal of Acoustics)上22。1995年开始，南京大学课题组开始重视在国外期刊上发表论文。那几年，实验室的研究生在沙先生指导下在声与振动领域的国际顶尖期刊Journal of Sound and Vibration上连续发表了3篇有源控制相关的论文23-26。国内除南京大学外其他单位发表的第一篇和有源控制相关的论文是1985年劳动人事部劳动保护科学研究所吕武轩等在应用声学发表的综述论文27，比南京大学晚了5年。这篇论文概述了当时国内外在噪声有源控制方面的研究情况，介绍了有源控制技术在抵消重复噪声、随机噪声

12、及空间噪声中的应用实例。指出随着控制论、数字信号处理技术及微电子学逐步应用于有源控制系统，有源消声的推广价值不断增加。在这之后，国内其他单位的相关研究工作陆续展开，如中国科学院声学研究所在有源噪声控制领域的第一篇论文是1988年李毅民在声学学报的综述性论文28，其后有1990年吕广庆研究空间声场有源声吸收中的多极源结构29。1991年，马大猷先生开始对室内声场的有源控制问题进行探讨30。后来国内陆续有更多的研究人员对有源噪声控制产生了兴趣。截止到2001年，声学学报上共发表有源控制相关的论文32篇，其中南京大学12篇，中国科学院声学研究所9篇，西北工业大学7篇，其他清华大学、东南大学、江苏大学

13、和上海交通大学各1篇。中国科学院声学研究所的9篇中有3篇出自马大猷，4篇来自于原南京大学有源噪声控制课题组的田静和杨军。同一期间，应用声学上共发表有源控制的论文20篇，其中南京大学6篇，西北工业大学6篇，中国科学院声学研究所、清华大学和海军工程大学各2篇，上海交通大学和北京科技大学各1篇。各个研究单位的研究各有特色，如南京大学偏重物理概念的探索，不断开拓新的研究和应用领域，提出新的思想；中国科学院声学研究所则在提出新方法的同时，较注意算法和应用方面的问题；而以西北工业大学为代表的工科院校的研究更注重应用，他们针对不同的应用背景，如舰船噪声、飞机噪声、汽车噪声等，从传感器和作动器的布放到算法的实

14、施细节到系统的实现都进行了深入研究。从这些论文的发表历史可以看出南京大学有源噪声控制研究的基本规律，即从最简单的管道系统开始探求其基本物理规律和机理，逐步扩展到复杂的更接近实际的系统，最后完全走向实际应用开发。研究的领域也从物理机理逐步转移到电子系统、算法开发到传感器和作动器的实现等。表1归纳了沙先生在本领域的主要成果、发表年代和主要贡献。3 总结从以上梳理和表1可以看出，沙家正先生是中国有源控制研究的先行者，从20世纪80年代初开始有源控制的研究到2001年先生退休，南京大学的有源控制研究取得了丰硕的成果，在国内领先，在国际上形成自己的特色。这期间，共发表相关论文30余篇，获得国家发明专利2

15、项，获各类奖励数十项，如“有源消声”获1988年国家教委科技进步二等奖，“有源抗噪声耳罩和受话器”获1993年电子部科技进步一等奖，有源抗噪声耳罩及受话器于1995年荣获国家科技发明三等奖。现在，沙先生虽然离我们远去了，但他开创的有源控制的事业仍在发展。有源控制的基本原理和方法都已经建立，相关的教科书都已经出版31-34，更广泛的应用目前刚刚开始。有源控制未来的发展方向分为两个方面，一个方面是更特定的应用以及和特定应用相关的传感器、控制器、控制算法和系统的研发，另外一个方面是针对更一般的系统的研究，即对超大规模多通道控制系统及其算法进行研究以提高有源噪声的频率和空间范围。参考文献1 LUEG

16、P.Process of silencing sound oscillations：U.S.，2,043,416 P.1936-06-09.2 OLSON H F，MAY E G.Electronic sound absorberJ.J.Acoust.Soc.Am.1953，25(6)：1130-1136.3 CONOVER W B.Fighting noise with noiseJ.Noise Control，1956(2)：78-82.4 ROSS C F.Active control of sound.Ph.D ThesisD.England：University of Cambrid

17、ge, 1980.5 ELLIOTT S J，NELSON P A.Models for describing active noise control in ductsR.England ：IVSR Technical Report，1984.6 沙家正, 孙广荣, 曹水轩, 等.管道有源消声器J.声学学报，1981，6(3)：137-141.7 沙家正, 孙广荣, 曹水轩, 等.有源消声器消声机理的研究J.声学学报，1983，8(2)：93-99.8 沙家正, 孙广荣, 曹水轩, 等.单源宽带管道有源消声器J.应用声学，1984，3(3) ：27-29.9 田静, 沙家正.空间有源消声器研

18、究J.声学学报，1987，12(1)：16-21.10 沙正明, 沙家正.微机在有源消声中的应用J.应用声学，1987，6(3): 35-39.11 沙正明, 沙家正.单扬声器的管道有源吸声器J.声学学报，1988，13(5)：343-348.12 田静, 沙家正, 李宁荣.有源护耳器的原理与设计J.声学学报，1991，16(2)：343-348.13 田静, 沙家正, 李宁荣.有源抗噪声送话器和受话器J.声学学报，1992，17(2)：141-146.14 邱小军, 沙家正, 杨军.低频无规入射声场通过矩形板入射到闭空间的隔声量.实验部分J.声学学报，1996，21(5)：838-843.1

19、5 杨军, 沙家正, 邱小军.机翼颤振的有源声控制J.声学学报，1996，21(3)：231-235.16 杨军, 韩飞, 邱小军.沙家正.利用声激励控制颤振的实验研究J.声学学报，1997，22(5)：430-434.17 邵军, 沙家正, 张自力.声屏障和有源噪声控制声屏障J.应用声学，1996，15(6)：41-44.18 韩飞, 杨军, 沙家正.Rijke热声不稳定性的有源控制J.声学学报，1997，22(5)：430-434.19 冯津伟, 沙家正.空间有源消声的声能量流研究J.声学学报，1996，21(5)：844-850.20 冯津伟, 杜学超, 沙家正.空间有源消声的微机控制J

20、.应用声学，1997，16(2)： 2-6.21 岳国森，邱小军，沙家正.多参考通道自适应有源结构声辐射控制系统参考信息的拾取研究J.南京大学学报：自然科学版，1999，35(4)：150-156.22 SHA J, SUN G, Cao S，et al.Active sound absorber in ductc/ Proceedings of the 11th ICA.Paris:s.n.，1983，8： 297.23 SHA J, SUN G, Cao S，et al.Study on the acoustic mechanism of active absorberJ.Chinese

21、Journal of Acoustics，1983，2(1)： 8-13.24 QIU X, SHA J，YANG J.Mechanisms of active control of noise transmission through a panel into a cavity using a point force actuator on the panel rJ.Journal of Sound and Vibration，1995，182：167-170.25 YANG J, SHA J，QIU X.Effects of acoustic excitation on the activ

22、e flutter controlJ.Journal of Sound and Vibration，1996，190：843-846.26 SHAO J, SHA J，Zhang Z.The method of the minimum sum of squared acoustic pressures in an actively controlled noise barrierJ.Journal of Sound and Vibration，1997，204：381-385.27 吕武轩, 王志民.低频噪声的有源控制J.应用声学，1985，4(3)：7-13.28 李毅民.有源噪声控制技术J

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