《Applied Acoustics》：Decoupling method for self-sensing low-frequency sound absorbers based on pulsed current
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声学阻抗控制中，音圈阻抗影响FIR滤波器控制效果。本文提出脉冲电流输出解耦方法，通过MOSFET开关实现采样与输出的物理分离，避免阻抗耦合干扰。实验采用低成本Arduino实现算法，验证了脉冲模式下阻抗预测的有效性，并展示了通过调整滤波器系数实现宽带吸声特性。
张世琪|赵晓晨|张新宇
哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市南岗区南通街145号，邮编150001
摘要
自感知阻抗控制方法结合了主动控制技术的可调性和并联扬声器的无传感器特性，在低频范围内实现了紧凑高效的声音吸收。然而，在自感知阻抗控制中，换能器的内部电阻特性可能会降低吸收性能。本文首先分析了音圈阻抗对有限脉冲响应（FIR）滤波器控制效果的影响，并提出了一种考虑音圈电阻的声学性能预测方法。为避免这一问题，本文提出了一种基于脉冲电流输出的自感知声学阻抗控制方法，该方法将采集和输出解耦，从而避免了音圈阻抗对声学性能的影响。此外，还介绍了一种适用于脉冲输出模式的FIR滤波器算法。为了在实验中实现上述控制方法，构建了相应的输出和采集电路，并将算法部署在低成本的Arduino平台上。实验结果表明，脉冲模式下的等效阻抗预测方法仍然有效，通过调整系数可以实现音调和宽带吸收效果。
引言
声音吸收作为一种重要的噪声控制方法，在工业和民用领域都有广泛的应用。与被动噪声控制技术相比，基于电声耦合的噪声控制方法在声音吸收性能上不受结构尺寸的限制，使其成为低频噪声控制的重要技术[2]、[3]、[4]。根据控制电路的类型和参考信号的来源，基于电声耦合的噪声控制技术可以分为主动阻抗控制[5]、并联扬声器技术[6]和自感知阻抗控制方法[7]。其中，后两种方法被认为是无传感器噪声控制技术，因为它们不需要外部传感器来获取参考信号。
主动阻抗控制设备通常需要压力或速度传感器作为信号源，控制器在计算后生成扬声器的驱动信号。针对不同的参考信号和传感器布置，已经开发了多种主动阻抗控制算法[8]、[9]、[10]、[11]。此外，通过将与吸音材料集成，主动-被动复合阻抗控制设备可以实现更宽频带的噪声控制效果[12]、[13]。在主动-被动复合吸音设备的算法设计中，还采用了压力释放[14]和阻抗匹配[15]策略。然而，由于主动阻抗控制设备依赖外部传感器获取参考信号，这增加了控制系统的成本。另外，当传感器受到外部干扰（如流动扰动[16]）的影响，导致测量不准确时，会对控制性能产生负面影响。
无传感器并联扬声器技术通常由扬声器和并联电路组成。与主动阻抗控制技术相比，这种设备更简单且成本更低。通过使用各种由模拟组件组成的阻抗电路（如谐振电路[17]、[18]、负阻抗电路[19]、[20]和耦合扬声器[21]、[22]），并联扬声器可以实现单频、多频和宽带的声音吸收效果。使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为开关，可以使并联电路在不同阻抗电路之间切换[23]、[24]、[25]，从而实现声音吸收的动态调节。然而，并联电路的性能受到模拟组件精度和阻抗电路规模的限制，导致并联扬声器的低频声音吸收性能受限。
对于自感知阻抗控制方法，并联电路被混合模拟-数字电路取代，自感知表面的阻抗由算法控制。这种控制技术最初出现在振动控制和执行器领域。在振动控制中，诸如压电陶瓷或电磁执行器之类的自感知设备可以通过负反馈有效抑制悬臂梁和板等结构中的振动[26]、[27]。自感知控制技术也在执行器和机器人技术领域得到广泛应用[28]，通过驱动和采集功能实现执行器的反馈调节，从而实现精确的运动输出。在噪声控制中，简单的负反馈无法满足阻抗匹配的要求。因此，提出了各种控制算法来调整吸音表面的阻抗特性[29]。自感知阻抗控制继承了并联扬声器的无传感器特性，并基于计算机控制，应用更精确和可扩展的控制算法来实现调谐和宽带声音吸收性能。
对于并联扬声器，音圈阻抗被视为并联电路的一部分。然而，在自感知阻抗控制中，换能器的内部电阻特性（如扬声器音圈的电阻和电感，或压电换能器的电容）可能会将电流输出信号叠加到采集信号上，从而形成额外的反馈环路，影响设备的声学性能和稳定性。在之前的研究中，通过控制算法设计或在采集过程中使用特定电路来消除音圈阻抗的影响。例如，在压电自感知控制中，可以通过全桥电路从采集信号中消除压电换能器的电容特性[30]。然而，这些方法依赖于对换能器内部电阻特性的准确测量，并且无法完全消除反馈环路的影响。这些方法对内部电阻测量的精度要求很高，并对换能器阻抗的一致性有严格的要求。
本文提出了一种基于脉冲输出的自感知阻抗方法，该方法将采集和输出过程解耦，从而避免了由音圈阻抗引起的额外反馈及其对控制的影响。
本文的主要内容如下。首先，在第2.1节中研究了音圈阻抗对FIR控制算法的影响，并提供了一种考虑音圈直流电阻的声学性能预测方法。第2.2节基于动量定理，研究了使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为输出开关的扬声器阻抗控制方法。第2.3节介绍了本研究中使用的输出和采集电路。然后，在第3.1节中讨论了在低成本Arduino控制器上部署控制算法的方法。最后，在第3.2节中，通过实验验证了脉冲输出模式下的阻抗控制的可行性。
章节摘录
音圈阻抗对控制效果的影响
在典型的自感知阻抗控制设备中，如图1所示，来自动圈换能器的电信号被控制器收集并处理成电压信号。然后通过Howland电流源将此电压信号转换为电流输出，控制扬声器的运动。由于音圈电阻的影响，控制器输出的电流被转换成电压信号，该电压信号叠加在下一个信号上
实验
为了验证上述控制方法的有效性，我们进行了实验来测量吸音器的实际声音吸收性能。首先，介绍了将前述FIR算法转换为整数运算的过程。随后，使用阻抗管测量了脉冲输出控制下的吸音器声学性能，验证了控制方法的有效性。
结论
本研究探讨了使用脉冲电流输出实现的自感知声学阻抗控制技术，该技术采用时分复用技术将采集和控制过程解耦。这种方法的优点在于在采集过程中直接将控制信号与采集信号解耦，从而避免了不准确的音圈阻抗估计对声学性能的影响。此外，控制器的输出不需要DAC
作者贡献声明
张世琪：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、数据管理、概念化。赵晓晨：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法论、资金获取、形式分析、数据管理。张新宇：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（NSFC）（授权号：52241101、51709058）的财政支持。
