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密级密级公 开 中图分类号中图分类号X966 硕士学位论文 矿用通风机进气口噪声主动控制仿真研究 硕士学位论文 矿用通风机进气口噪声主动控制仿真研究 研 究 生研 究 生宋文汉 宋文汉 导 师导 师王海桥 教授 王海桥 教授 学 科学 科安全科学与工程 安全科学与工程 研究方向研究方向工业通风与安全 工业通风与安全 2020 年 6 月 2020 年 6 月 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Research and Simulation on active noise control of mine ventilator inlet Candidate Song Wenhan Supervisor and Rank Wang Haiqiao Professor 万方数据 矿用通风机进气口噪声主动控制矿用通风机进气口噪声主动控制仿真仿真研究研究 学位类学位类型型 学术型学位 作者姓名作者姓名 宋文汉 作者学号作者学号 16010102006 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 安全科学与工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 工业通风与安全 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 王海桥 教授 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 谢星明 高级工程师 所在学院所在学院 资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2020 年 6 月 10 日 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 - i - 摘摘 要要 在通风机的相关技术研究领域中，通风机的噪声控制作为其中的一项研究对象，具 有较高的难度。矿井下通风机在运行时会产生高强度的噪声，对井下造成噪声污染的同 时严重影响井下工人的身心健康和工作效率，另一方面，矿井通风机的噪声问题也是通 风机性能指标的重要因素，因此对通风机的噪声进行有效控制意义重大。通风机的噪声 控制方式主要分为被动噪声控制和主动噪声控制， 在通风机降噪问题上采用被动噪声控 制的方式较为普遍，但是此方式对通风机产生的低频噪声往往达不到理想的控制效果， 且需要消耗空间增加吸声材料、增大产品体积，同时会对通风机的工作效率产生一定影 响。主动降噪技术实现方法虽然复杂，但是能够有效地抑制低频噪声，且不需要改变通 风机自身结构，因此设计通风机主动降噪的设备就显得尤为重要。 本文以通风机进气口噪声作为研究对象， 分析了通风机的噪声特性和主要噪声来源， 研究了相关的声学基础理论。 为了实现通风机主动降噪系统， 理论分析并选取了 LSM 算 法作为主动降噪系统算法，进行了主动降噪系统的硬件设计，基于对降噪空间分割简化 的思想和通风机管道噪声主动控制模型， 本文设计了三组用来控制通风机进气口噪声的 反馈式主动降噪单元和主动降噪组。 通过 Virtual. Lab Acoustics 声学仿真软件对文中设计的主动降噪单元和主动降噪组 进行了声场模拟，得出了初级声场和被降噪后声场的声压分布情况，同时验证了信号接 收器和次级声源布放位置的可行性，并利用 FLUENT 软件模拟探究了主动降噪组对通 风系统的阻力影响。 通过对各组主动降噪单元和主动降噪组的横向纵向对比以及研究表明， 各组主动降 噪单元和主动降噪组对均对通风机进气口噪声起到了不同程度的控制。 将信号采集装置 放置于管道外侧挖孔处，能够准确的采集到噪声信号，噪声源和被采集点的声压差值不 超过 3dB。各组主动降噪组和主动降噪单元两者的降噪效率基本持平，其中管径为 100mm 外侧扬声器主动降噪设备对 500Hz 以下的低频噪声降噪效果显著，平均降噪量 达到 13dB 左右，由于主动降噪组的多管道式设计，在风速小于 4m/s 时，主动降噪组的 结构对通风机的风压影响比较小，有一定工程应用前景。 关键词风机噪声；主动降噪；主动降噪单元；主动降噪组；数值模拟 万方数据 - ii - Abstract Fan noise is one of the hottest and most difficult topics in the field of fan research technology. The mine ventilator creates high-intensity noise during operation, which causes noise pollution to the underground, and seriously affects the physical and mental health as well as work efficiency of the workers underground. Meanwhile, the noise problem of the mine ventilator is also urgent to resolve for the perance index Factors, so the control of fan noise is of great significance. The noise mode of the fan is mainly divided into passive noise control and active noise control. It is more common to use passive noise control on the problem of fan noise reduction. However, the low-frequency noise created by the fan does not achieve the desired effect usually. Moreover, it needs to consume space to increase sound absorbing materials and increase product volume, and at the same time, it will make a certain impact on the work efficiency of the fan. Although the implementation of the active noise reduction technology is complex, it can effectively reduce low-frequency noise and does not need to change the structure of the fan itself. Therefore, it is particularly important to design the fan equipment for active noise control. In this paper, the noise of the air inlet of the ventilator is taken as the research object, the noise characteristics of the ventilator and the main noise sources are analyzed, and the relevant acoustic theory is studied. In order to invent the active noise reduction system for the fan, the LSM is theoretically analyzed and selected to be the algorithm of the active noise reduction system, also, the hardware of the active noise control system is designed in the paper. Innovated by the idea that the noise reduction space can be simplified and segmented, three series of feed-forward active noise control units and active noise control groups are designed to control the noise at the air inlet of the fan, based on the active control model of the fan duct noise. The sound field simulation of the active noise control unit and the active noise control group designed in this paper is pered by using the acoustic simulation software Virtual. Lab Acoustics. In this process, the sound pressure distributions of the primary sound field and the sound field after noise reduction are obtained. Moreover, the feasibility of placement of the signal receiver and the secondary sound source is verified. And the simulation of the software FLUENT is used to explore the resistance of the active noise control group to the ventilation system. By the comparison and analysis of each set of active noise reduction unit and active noise reduction group in horizontal and vertical dimension, this paper shows that each set of active noise reduction unit and active noise reduction group can control the fan inlet noise to varying degrees. The signal acquisition device is placed at the digging hole on the outside of the pipe, and the noise signal can be accurately collected. The difference between the sound pressure of the noise source and the collected point does not exceed 3dB. The noise reduction efficiency of each set of active noise reduction group and unit is basically the same. Among them, the active 万方数据 - iii - noise reduction device of the external speaker with a diameter of 100mm has a significant effect on the low frequency noise below 500Hz, and the average noise reduction amount is about 13dB. Due to the multi-pipe design of the active noise reduction group, the structure of the active noise reduction group has little effect on the wind pressure of the fan when the wind speed is less than 4m/s. Therefore, there is a certain engineering application prospect. Keywords Fan noise; Active noise control; Active noise control unit; Active noise control group; Numerical simulation 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 ........................................................................................................................................... i Abstract ..................................................................................................................................... ii 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及其意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及评述 .............................................................................................. 2 1.2.1 主动降噪技术国内外研究现状 ...................................................................... 2 1.2.2 风机降噪技术国内外现状 .............................................................................. 5 1.2.3 国内外文献综述简析 ...................................................................................... 6 1.3 主要研究内容及技术路线 .......................................................................................... 6 1.3.1 主要研究内容 .................................................................................................. 6 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................... 7 1.4 本章小结 ..................................................................................................................... 7 第二章 主动噪声控制理论与算法及分析 .............................................................................. 8 2.1 主动噪声控制基本原理和其系统构成 ...................................................................... 8 2.1.1 主动噪声控制基本原理 .................................................................................. 8 2.1.2 主动噪声控制系统的构成及分类 .................................................................. 8 2.2 矿用通风机主动噪声控制系统的数学模型 ........................................................... 10 2.3 声场相关理论 ............................................................................................................ 10 2.3.1 干涉相消原理 ................................................................................................ 10 2.3.2 管道截止频率 ................................................................................................ 11 2.4 自适应控制系统原理 ................................................................................................ 12 2.4.1 FIR 自适应滤波器 ......................................................................................... 13 2.4.2 LMS 算法 ....................................................................................................... 14 2.4.3 NLMS 算法 .................................................................................................... 15 2.4.4 RLS 算法 ........................................................................................................ 15 2.5 本章小结 ................................................................................................................... 16 第三章 主动降噪系统硬件设计 ............................................................................................ 17 3.1 主动降噪硬件系统 .................................................................................................... 17 3.2 信号处理模块 ............................................................................................................ 17 3.3 前置噪声处理模块 .................................................................................................... 18 3.3.1 前置放大电路 ................................................................................................ 19 3.3.2 抗混叠滤波电路 ............................................................................................ 19 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.3.3 A/D 转换电路 ................................................................................................ 20 3.4 后置噪声处理模块 .................................................................................................... 21 3.4.1 D/A 转换电路 ................................................................................................ 21 3.4.2 平滑滤波电路 ................................................................................................ 22 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 23 第四章 噪声模拟理论与模拟方法 ........................................................................................ 24 4.1 噪声模拟有限元法和边界元法理论 ........................................................................ 24 4.1.1 有限元法及其基本理论 ................................................................................ 24 4.1.2 边界元法及其基本理论 ................................................................................ 26 4.2 LMS Virtual Lab 简介 ............................................................................................... 28 4.3 声学计算的基本流程 ............................................................................................... 29 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 29 第五章 风机进气口噪声主动控制仿真研究 ........................................................................ 31 5.1 通风机主要噪声特性 ................................................................................................ 31 5.2 通风机进气口噪声控制单元设计 ............................................................................ 31 5.2.1 主动降噪模型的建立 .................................................................................... 32 5.2.2 主动降噪模型的网格划分 ............................................................................ 33 5.2.3 测量场点位置设置 ........................................................................................ 34 5.3 噪声数值模拟与结果 ................................................................................................ 35 5.3.1 主动降噪单元初级声场声压计算 ................................................................. 36 5.3.2 导入次级声源的主动降噪单元声场声压计算 ............................................ 42 5.3.3 主动降噪组初级声场声压计算 .................................................................... 48 5.3.4 导入次级声源的主动降噪组声场声压计算 ................................................ 55 5.4 通风机进风降噪段流场数值模拟与结果分析 ........................................................ 62 5.4.1 物理模型 ........................................................................................................ 62 5.4.2 边界条件及控制方程 .................................................................................... 62 5.4.3 结果与讨论 .................................................................................................... 63 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 66 第六章 结论与展望 ................................................................................................................ 67 6.1 结论 ............................................................................................................................ 67 6.2 创新点 ........................................................................................................................ 67 6.3 展望 ............................................................................................................................ 68 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 69 附录 A 攻读学位期间发表的论文与科研成果清单 ............................................................ 71 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 致 谢 ...................................................................................................................................... 72 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1选题背景及其意义选题背景及其意义 我国社会的快速进步，使得现代工业发展迅速，由此带来的环境问题日益严重，因 此对环境的影响的比重也随之增大。随着我国的经济大幅提升，现在人们对高品质的生 活需求增大，环境污染问题引起了人们的高度重视。噪声污染作为世界范围内四大污染 之一，也渐渐得到人们的关注。在日常的生产、生活中，噪声污染逐渐成为了第三大污 染，仅次于大气污染和水污染。在平时的生产生活中，风扇、空调、发动机等各种机械 设备经常使用于各种公共场所中，它们使用过程中产生的噪声会导致环境受到污染，如 果人长时间处在这种环境下，会损伤人的耳膜，从而引起噪声神经性耳鸣等症状，严重 可致失聪 [1-3]。 噪声强度的大小决定对人体健康的危害程度， 噪声强度越大对人造成的伤 害就越大， 两者关系成正比， 不同强度的噪声可对人的身心健康造成相应危害， 50dB 以 上的噪声强度会影响人们的日常休息；70dB 以上强度的噪声即可对信号获取产生影响， 干扰人们的正常交流，使人感到暴躁易怒，精神不集中，导致工作的效率大大下降 [4]； 人的耳朵所能承受噪声强度的极限是 80dB；如果所处的环境噪声强度在 90dB 以上，随 着时间的增长，人的听觉系统便会受到伤害，严重可使人患上神经衰弱综合征，主要表 现有记忆力下降、头痛乏力等，更严重可导致耳聋。科学研究证实，高强度的噪声不仅 会对人的听觉系统造成伤害，对人的眼睛也有一定的危害，会引起眼睛疲劳、视觉模糊 等不良症状。除此以外，生物科学家通过对海洋生物的研究得出，噪声污染对海洋生物 也会产生消极的影响，从而影响生物多样性[5-7]。噪声污染主要来源于交通噪声、工业噪 声、建筑噪声、社会噪声[8]，由此可知噪声污染广泛存在于我们生活的方方面面，在这 四种噪声中，无论是家中的排风扇噪声、工地的降尘器噪声、煤矿的通风机噪声等都存 在着风机的噪声，因此本文以通风机产生的噪声为重点研究对象，寻求降低其噪声的方 法，来改善风机噪声给环境带来的危害。 通风机作为一种机械设备经常使用在我国煤矿矿井的生产中， 其产生的噪声不仅提 高了井下安全事故的发生率，还会使工人置于这种高噪声的环境下，对他们的身心健康 极为不利。同时，国家相关单位对煤矿的生产考察中增加了一个项目，即通风机噪声指 标。因此对通风机的噪声进行有效的控制，有着举足轻重的意义。 目前，通风机以其风压高、效率高等优点成为我国煤矿井下进行生产作业必不可少 的机械设备，噪声问题和风机效率一直以来都是衡量风机