智能化声学控制的隔声罩

在工业生产中，大型动力机械设备已经得到广泛应用，如球磨机、锻压机械、通风机、压缩机、发电机等，这些设备体积大、功率大、噪声值高、而且噪声随负载的变化而变化，经测试有的平均声压级高达100～120 dB(A)。由此，在工程实际应用中，使用隔声罩就成了控制噪声传播的重要方法。当难以从声源本身减振降噪，而生产操作又允许将声源封闭起来时，一般可以降低噪声10～30 dB[1,2]。

但是，目前的隔声罩设计存在一些不足，主要表现为：（1）由于设备的运行工况经常变化，引起噪声源辐射的噪声能量大小也在不断的变化，而隔声罩一旦制作好后其隔声量就随之确定，无法再调整；（2）传统隔声罩对中高频噪声源隔声效果显著，对低频噪声源隔断能力较弱，而相当多的机械设备其噪声特性是以低频为主。

为了弥补传统隔声罩的不足，我们将噪声控制理论与数控技术相结合，设计出一种隔声量可智能化控制的隔声罩，该隔声罩通过改变隔声罩内的真空度，来对其隔声量进行调节，整个过程是由传感器、数控装置及伺服电机等组成的控制系统来实现，其特点是隔声量可智能化控制，不受声源频率范围的限制（对高、低、中频噪声隔声效果都很好）。在解决罩内通风散热的问题时，也同时实现隔声量的自动控制。

1 智能隔声罩设计原理

我们将智能隔声罩内的声源看作一个脉动球源，由于隔声罩内作了吸声处理，忽略声波的反射，根据声波的传播机理可知，隔声罩内任一点的声压为：

这里r0和ua分别是脉动球源的半径和表面的振动速度；ρ0和c0是媒质的密度和声的传播速度；k和r分别是波数和隔声罩内任一点到脉动球源中心的距离；ω和θ分别是声源振动频率和初相位。对于理想气体，忽略声波产生的声压对媒质压力和密度影响。由于隔声罩的容积是固定不变的，将平衡状态时的声速公式、波数频率与声速的关系式入式（1），经过整理有：

其中γ是理想气体绝热过程的绝热指数，P0和ρ0是平衡状态时气体的压力和密度，μ、R和T0分别是气体摩尔质量、气体摩尔常数和隔声罩内的绝对温度。由式（2）可知：隔声罩内任一点的声压基本上与媒质的压力成正比。基于上述理论，在传统隔声方法的基础上，通过风机将隔声罩内空气排出，形成一定的真空度从而实现隔声罩隔声量可调功能。从总体上来说，该隔声罩是由机械部分和智能控制系统两部分构成。为了实现隔声量的智能化控制，我们采用闭环控制系统，通过传感器、PLC来进行数据的采集、显示、分析实现对执行机构的控制；而机械部分是由隔声罩的罩体，进风口大小可调装置、排气装置等机构组成。理论上，只要隔声罩的密封性能好，可以实现绝对隔声。

2 机械结构设计

由于声源设备在外部形状尺寸、工作环境、通风散热等方面的要求不同，隔声罩的具体形式一般要根据噪声源的情况来确定[3-8]。以某钢铁厂煤气压缩机房为例，考虑到机房周围环境及安装拆卸方便，隔声罩采用长方体结构，以钢架结构为骨架，隔声板嵌插在钢架结构中。为了拆卸方便，钢架结构由H型钢和槽钢通过螺栓连接组成，整个钢架结构要通过地脚螺栓与地基相连，并避免声源与罩体之间的刚性连接。为了提高密封性以保证隔声罩隔声量的可控性，钢架的连接处都要加橡胶垫和密封胶，同时要考虑隔声罩内负压对整个结构的影响，以确保整个隔声罩有足够的强度、刚度和稳定性，具体结构如图1所示。

图1 隔声罩整体结构
Fig.1 The whole structure of acoustic enclosure

隔声罩隔声板由穿孔板与1 mm镀锌钢板包覆隔声材料制成。具体结构见参考文献[4]。

动力设备在运转过程中会产生大量的热量，因此当隔声罩将设备密封起来后必须及时通风，以免罩内温度过高而发生其它意外[1,3-8]。所以，隔声罩需要设置通风系统。该系统由可控进风装置和可控排风装置组成。为了通风散热充分，进风口和排风口呈对角线分布。可控进风装置由进风口消声器、伺服电机、联轴器、减速机构和密封性较高的卷帘门构成。伺服电机（根据控制要求也可用步进电机）通过联轴器和减速机构与卷帘门轴相连，带动进风口的卷帘门上下运动，调节进风口的大小，具体结构如图2和图3所示。一些部位要采取吸声处理，如在进风口处的柔性卷帘门板内外都黏贴了2 mm的硅橡胶层，同时在罩内橡胶壁面还黏贴10 mm海绵。在门框与卷帘接缝处也用橡胶作了密封处理，以保证进风口关闭时隔声罩的整体密封性。可控排风装置采用噪音较小的离心式风机，安装在隔声罩外面的地基上。风机的启动与停止由控制系统根据实际需要控制。

图2 进风口整体结构
Fig.2 The whole structure of vent

3 控制系统设计

图3 进风口传动控制结构
Fig.3 Drive and control structure of vent

智能控制系统由传感器(包括声音传感器、温度传感器)、PLC和执行机构（包括伺服电机）组成。声音传感器被放置于隔声罩外的特定位置上，用来采集透过隔声罩罩体的噪声信号。多个温度传感器均匀布置在隔声罩体内（具体个数需根据罩体体积大小以及实际情况来确定）。传感器将采集的信号转化为电流，输入PLC控制系统同设定的阈值进行比较，然后根据比较结果向伺服电机发出相应的指令，调整进风口开度和风机的工作状态。整个系统的硬件线路和控制软件两部分见如下所述述。

3.1 硬件线路

智能隔声罩的强电部分主要控制伺服电机和排风机。PLC的输出触点电压一般为24V DC，且电流容量有限，为保证安全，一般PLC的输出触点应控制中间继电器，进而控制交流接触器，通过交流接触器的通断控制风机电机的运行。声音传感器采用M300195系列的传感器，测量范围为30～130 dB，分辨率为0.1 dB；传感器输出端的电流被输入PLC模拟控制模块，即可实现对环境噪声的监控。为保证信号的采集精度，PLC模拟控制模块应选择合适的测量范围。

为了提高数据采集精度，防止外部电路干扰的影响，智能隔声罩的强电电路与弱电电路之间应进行隔离。输入信号线路与输出信号线路及电力电缆应分开铺设；应选用有屏蔽层的电缆传输输入信号、输出信号，并将电缆屏蔽层接地；模拟信号与数字信号也要采用分开传输，并使用屏蔽电缆。继电器、控制器、交流接触器、热保护器均安装于DIN导轨上，置于电器柜中。电器柜独立接地，接地电阻小于10 Ω。具体进风口开度控制流程如图4所示。

图4 进风口开度控制流程
Fig.4 Electrical control flow chart of vent

3.2 控制软件

该部分的控制程序分为两部分，一部分为隔声罩正常运行的程序，另一部分为声音和温度信号的标定程序，该部分见参考文献[4]。这里只阐述本文设计的正常运行程序，包括声音信号、温度信号的采集，进风口开度的调整，以及风机的启动与停止等。当隔声罩内机器运行时，系统控制主程序流程具体见图5。

K1、K2分别为进风口的两种开度，K1<K2；图5是进风口和风机的四种工作状态。具体如下：

（1）当系统处于第一工作状态时，进风口开度小于K1，风机启动，进风量小于排风量，此时隔声罩内真空度增大，隔声量提高。

（2）当系统处于第二工作状态时，进风口开度大于K2时，风机启动，进风量大于排风量，可以尽快降低隔声罩内温度。

（3）当系统处于第三工作状态时，进风口开度大于K1而小于K2时，风机启动，进风量较大，可满足通风以降低罩内温度的要求，但进风量仍小于排风量，隔声罩内仍有一定的真空度，提高隔声量。也就是说，该工作状态在降低罩内温度同时也可满足降低噪声的要求。

（4）当系统处于第四工作状态时，进风口和排风口电机停止运动。

K1、K2的具体数值需要根据实际情况来确定。当温度和噪声值同时高于设定值时，应首先确保隔声罩内温度降低的要求，使机器安全平稳地运行，然后再降低噪声值。

图5 主程序流程图
Fig..5 Main program flow chart

由于工业现场的干扰较大，加之反应时间和作用滞后的因素，PLC在达到临界值时可能会出现反复，导致伺服电机、排风电机反复启停。因此应在程序中设置延时器，延时长度为2 min，即在PLC最后一次检测小于临界值2 min后相应电机停止运转。这样可有效控制电机的反复启停。

4 结语

隔声量可控的智能隔声罩将传统的隔声罩技术及现代数控技术与PLC技术相结合，通过改变隔声罩内的真空度，使隔声罩的隔声量可以根据噪声源辐射强度的变化进行相应调整。这样，即使噪声源的辐射强度发生一定的波动，隔声罩也能将环境噪声控制在设定值以下，而且对各个频段的噪声都有良好的隔断效果，弥补了传统隔声罩的不足，具有较广阔的应用前景。根据某钢铁厂煤气压缩机房一年多的使用情况来看，现场对一定时间内工况变化的声辐射有较明显抑制作用，但对于短时工况变化引起声辐射变化问题的解决还存在一定难度。