建筑給排水管道噪聲控制方法研究

陳邦杰

（武漢市城市排水發展有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著我國城市高層建筑以及居住人口的大幅度增加，城市居民需水量和排水量也逐年上升，給排水管道的維修和新建逐漸成為市政工程建設的重點[1-2]。由于很多道路以及建筑物已經老化，其中的給排水管道會也出現腐蝕情況。管道處于不正常的情況下就會產生管道噪聲的問題，這不僅會給城市給排水管道維修帶來較大的影響，還會嚴重地影響城市居民的正常生活和生產。

任何聲源在傳遞聲波的時候，都有一定的特征與規律。最為顯著的特征與規律就是當聲源所釋放的聲波離開聲源后，會產生聲壓。距離聲源越近聲壓越高。當聲波在管道中傳播的時候，由于管道的限制性，就會在管道中形成波導。由于管道對聲波的限制性以及管道本身的形狀和長度，聲波可以沿著管道的內壁傳遞到很遠的地方。如果想要解決管道的噪音問題，應當先對管道內聲波的特性進行研究[3]。

相關學者對此進行了研究，取得了一定的成果。鄒世華等人提出一種建筑給排水管道噪聲控制方法[4]，通過可靠度理論分析隧道排水管道中噪音存在的原因，通過對給排水管道噪聲產生原因進行量化分析，利用層次分析法實現給排水管道噪聲的有效管控，但是排水管道噪聲控制效果不佳。陳利平研究了建筑排水管道噪聲形成原因與控制措施[5]，分析排水管道產生噪聲的原因與有效控制手段，有效緩解了居民建筑中雨水排水管以及衛生間水管的噪聲，緩解了水流與管道之間的碰撞噪音，減小了管道共振問題，此方法能夠有效降低建筑排水管道噪聲，但是噪聲控制仍然不在合理范圍內[6-7]。針對以上問題，本文對建筑給排水管道噪聲控制方法進行研究，以期有效降低排水管道噪聲。

1 建筑給排水管道噪聲控制方法

1.1 噪聲控制基本認知

噪聲控制系統可以分為電聲部分和控制器部分，這里所說的電聲部分主要包括次級源（電聲器件、振動作動器）、參考傳感器（對前饋控制方式而言）和誤差傳感器。而控制器部分指的是系統內部的控制器。

1.1.1 初級噪聲的類型

單頻噪聲、離散的線譜噪聲和窄帶噪聲的降噪控制中應當應用的是主動噪聲控制技術，因為當噪聲變為與之前相比更寬的寬帶噪聲時，會大大增加控制難度，這樣所導致的結果就是控制系統不能正常的運行，發生噪聲難以控制的情況。

1.1.2 次級聲源和誤差傳聲器的布放

通過選擇較好的次級聲源和誤差傳聲器的布放位置可以對聲場進行復制，同時也能得到更加精確的目標值，判斷出具體的噪聲來源。

1.1.3 參考傳聲器的信號

傳聲器另外的作用就是發出信號，如果這個信號越接近于初級噪聲的信號就說明控制的效果越好，如果與初級噪聲的信號相差甚遠就說明控制的效果不理想。當然在這個過程中要避免其他噪聲的干擾，避免結果出現偏差。

1.1.4 控制算法與硬件

針對不同的應用場景，使用合適的算法與硬件可以獲得更好的降噪效果。

1.2 噪聲控制方法介紹

在建筑內進行主動噪聲控制測試時，如果想要利用ANC結構來找到目標噪聲，那么反饋問題就一定會出現。為了不讓這些反饋問題出現，各種能夠消除反饋問題的方法層出不窮，在這些方法中Fx LMS算法是流傳最為久遠的，同時也是最經典的算法。

在控制系統中，P(z)、S(z)與F(z)分別表示初級通路、次級通路與聲反饋通路的傳遞函數，假設S′(z)與S′(n)分別為離線辨識的次級通路的傳遞函數及其脈沖響應；F′(z)與F′(n)分別為離線辨識的聲反饋通路的傳遞函數及其脈沖響應[8]；w(n)表示ANC控制器的權系數。設定由參考傳聲器采集的目標信號為r(n)，次級揚聲器發出抵消信號為y(n)，則參考傳聲器采集的反饋聲yf(n)可表示為：

式中y(n)為輸出信號序列且滿足y(n)=[y(n)y(n-1)...y(n-L+1)]T。由此可得中和反饋聲之后的參考信號x(n)如下：

式中：

L——濾波器的階數；

T——轉置符號。

因此，計算次級揚聲器發出的抵消信號y(n)可得：

基于最速下降法的遞推原則可得出該算法的權系數更新公式如下：

如果想要使ANC的這個系統更趨于穩定，則必須要使這個聲反饋的算法滿足如下的條件才能消除FxLMSZH中的收斂系數。

建筑施工過程中在排水管內放置了不同的傳聲器，而通過這些傳聲器所采集的噪聲信號是xR(n)，如果想要在任何時間都能采集到發動機在不同轉速條件下所產生的信號，可以通過利用轉速傳感器來實現這一設想。通過轉速傳感器不僅能實現實時采集還能配合發動機噪聲的參考信號。所構造參考信號的余弦分量xai(n)及正弦分量xbi(n)表示如下：

式中，win表示第i個頻率分量的頻率，可通過式(3)、（5）計算所得。

想要實現寬窄混合噪聲的信號分離可以采用LMS算法，因為在此算法中有離散傅里葉分析器，通過這個就可以達成這一目的。將寬窄信號分離的原因是可以只剩下寬頻帶信號，那么分離后的SNC子系統的輸出信號ys(n)為：

式中，μs表示離散傅里葉系數更新過程的收斂系數；μs是SNC子系統的分離誤差，對于寬窄帶混合算法而言；es也表示寬窄帶噪聲分離后所保留的寬帶噪聲x B(n)，表示如下：

BANC子系統主要用于抵消由SNC子系統分離出的寬帶噪聲成分，采用經典Fx LMS算法來實現。BANC系統的FIR濾波器權系數可表示為該系統的輸出信號y B(n)可表示為：

式中，xB(n)=[xB(n)x B(n-1)...x B(n-L+1)]T為寬帶噪聲信號序列。

BANC子系統中權系數的更新公式表示如下：

式中，μb表示BANC子系統中權系數更新的收斂系數；e(n)是這個算法可能存在的誤差。其中x′B(n)滿足x′B(n)=[x′B(n)x′B(n-1)...x′B(n-L+1)]T的參考信號序列。

由此可得到，該寬窄帶混合ANC算法中次級聲源發出的抵消噪聲為BANC子系統與NANC子系統的輸出信號之和，即：

進一步可得到，在主動噪聲消除后，建筑給排水管道的殘余誤差為：

式中，d(n)是目標噪聲xR(n)經過初級通路P(z)傳至誤差傳聲器處的期望噪聲信號。ys(n)是經過次級通路S(z)之后的濾波輸出信號，可由下式計算所得：

式中，y(n)=[y(n)y(n-1)...y(n-L+1)]T為次級聲源輸出抵消信號序列。自此實現建筑給排水的噪聲控制。

2 建筑給排水管道噪聲控制方法的實驗驗證

2.1 實驗設備簡介

針對ANC硬件系統中傳聲器的選型需結合目標噪聲的頻譜特性綜合考慮。排水管道中的噪音主要是低頻段，因此所選用的傳聲器應當是低頻的，并且傳聲器的頻響應應當相對穩定。本次實驗選擇的傳聲器是自主組裝式傳聲器，此傳聲器所選用的咪頭均來自Panasonic，具體參數如表1所示。

表1 Panasonic WM-61A型咪頭參數

根據以上設備參數進行實驗噪聲采集及噪聲控制效果檢測。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 噪聲數據的時頻分析

為了驗證噪聲控制方法的有效性，需要對該方法的降噪效果進行時頻分析，選取0.5～4.5s內的噪聲數據進行時頻分析，結果如圖1所示。

圖1 降噪效果對比

根據以上試驗結果可看出，該方法能夠大幅度降低建筑空間內噪聲，降噪效果較好。

2.2.2 降噪前后聲壓級對比

為了驗證該方法的建筑給排水管道噪聲控制效果，采用文獻[4]方法、文獻[5]方法作為本方法的對比，進行建筑給排水管道噪聲控制效果驗證，得到結果如表2所示。

表2 降噪前后聲壓級對比

分析表2可知，對于實驗序號為1的建筑給排水管道來說，降噪前噪聲達到79.88dB，經過文獻[4]方法處理后建筑給排水管道噪聲為69.83dB，經過文獻[5]方法處理后建筑給排水管道噪聲為54.75dB，經過本方法處理后建筑給排水管道噪聲為39.66dB；對于實驗序號為6的建筑給排水管道來說，降噪前噪聲達到78.36dB，經過文獻[4]方法處理后建筑給排水管道噪聲為62.78dB，經過文獻[5]方法處理后建筑給排水管道噪聲為53.18dB，經過本方法處理后建筑給排水管道噪聲為46.26dB。以上實驗結果均表明，本方法能夠有效對建筑給排水管道噪聲進行控制，降噪效果較好。

3 建筑給排水管道噪聲控制的其他方法

如果想要降低噪聲也可以從傳播的途徑方面來下手，這其中包含吸聲降噪、隔聲降噪這兩種主要的方式。因為這兩種方式比較常見，并且操作起來也十分的容易。但是這兩種方法都只能降低噪音，并不能從根源上消除噪音。

（1）吸聲降噪。

所謂的吸聲降噪是指利用一些吸聲的材料或者是采用一些吸聲的結構來吸收聲音，以此來達到降低噪音的目的。

（2）隔聲降噪。

所謂的隔聲降噪指的是利用一些隔音的材料將管道內的噪音與外部的其他空間隔開。這種方式并不能從能量的角度降低噪音，只能是將噪音源與受到干擾的人或者空間分開，使部分環境降噪。

4 結束語

總之，為了提升建筑給排水管道噪聲的控制效果，減小管道共振，應從影響噪聲控制效果的因素出發進行研究。本文選用基于最速下降法遞推原則提出建筑給排水管道降噪的方法，進行了噪聲控制效果驗證。實驗表明，經過該方法處理后的建筑給排水管道噪聲下降明顯，降噪效果較好。另外，如果想要降低噪聲也可以從傳播的途徑方面來下手，比如吸聲降噪、隔聲降噪等。