有源噪聲控制技術

在空間某一點，通過初級聲波與次級聲波的相消性干涉達到降噪目的的噪聲控制方式稱為有源噪聲控制技術。一個有源噪聲控制系統包括兩部分：控制器和電聲部分（包括參考感測器、次級聲源和誤差感測器）。控制器部分有模擬和數字之分，模擬電路一般只適合完成單通道、非自適應控制器。最成熟的有源控制技術有三種：① 有源護耳器；② 螺旋槳飛機艙內噪聲有源控制；③ 轎車車廂內噪聲有源控制。

一個將要被控制的噪聲場被稱為初級聲場，其聲源為初級聲源，所產生的噪聲為初級噪聲或初級聲波。人為產生的、用於抵消初級噪聲的“反”噪聲稱為次級噪聲或次級聲波，形成的聲場為次級聲場；產生次級噪聲的作動器稱為次級作動器，如果該作動器為聲源，則稱為次級聲源；如果為力源，則稱為次級力源。

基本介紹

• 中文名：有源噪聲控制技術
• 外文名：Active noise control technology
• 適用領域：環境生態
• 系統組成：控制器和電聲
• 套用：護耳器、飛機艙內噪聲有源控制等
• 實質：初級聲波與次級聲波的相消降噪

定理簡介

傳統的噪聲控制技術主要以研究噪聲的聲學控制方法為主，主要技術途徑包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、振動的隔離、阻尼減振等等。這些噪聲控制方法的機理在於，通過噪聲聲波與聲學材料或聲學結構的相互作用消耗聲能，從而達到降低噪聲的目的，屬於無源或被動式的控制方法，可稱為“無源”噪聲控制。一般說來，無源噪聲控制方法對控制中高頻噪聲較為有效，而對低頻噪聲的控制效果不大。為此，需要採用一項新技術——有源噪聲控制技術。

開發有源噪聲控制技術的嘗試始於20世紀70年代初。在管道中，如果聲源頻率低於管道截止頻率，則可產生均勻平面波，對其進行有源噪聲控制，不管是理論研究還是技術實現將相對容易，因而人們寄希望於管道有源消聲器的開發和研製。然而，管道有源消聲中通常不易獲得參考信號，使得系統不得不成為反饋系統，從而導致系統穩定性差，使得管道有源消聲器的結構相對複雜。此外，由於在管道有源消聲系統中誤差感測器下游會再次產生噪聲（稱為再生噪聲），使得長管道中需要多個有源消聲器，使得整個系統的價格相對昂貴，維修和維護更加麻煩，使得管道有源噪聲控制技術的發展受到阻礙。不過在同一時期，有源護耳器研究逐漸取得成果，剛開始時利用模擬器件構造的有源控制器被證明可套用於有源耳罩，之後由於數位技術及自適應信號處理技術的發展，有源送話器或受話器的實現成為可能。至今，有源耳機（包括有源耳罩、有源送話器或受話器）已形成商品，這成為有源噪聲控制技術套用的標誌性案例。

隨著研究力量的不斷投入，更大規模地套用有源噪聲控制技術的努力也取得了成效，典型的例子就是螺旋槳飛機艙室噪聲有源控制。據報導，至今已有1200多架螺旋槳飛機安裝了有源噪聲控制系統，成為降低艙內低頻噪聲的有效手段。與此同時，有源噪聲控制技術在高檔轎車車廂內成功套用的例子也有報導。

控制系統

一個有源噪聲控制系統包括兩部分：控制器和電聲部分（包括參考感測器、次級聲源和誤差感測器）。控制器部分有模擬和數字之分，模擬電路一般只適合完成單通道、非自適應控制器。而數字電路的功能要強得多，可以實現多通道、自適應控制器，它包括信號處理器（內含自適應算法）及其外圍電路。電聲部分主要包括次級源（電聲器件、振動作動器）、參考感測器（對前饋控制方式而言）和誤差感測器。

套用

從技術成熟度和商業推廣價值的角度看，最成熟的有源控制技術有三種：① 有源護耳器；② 螺旋槳飛機艙內噪聲有源控制；③ 轎車車廂內噪聲有源控制。

按系統的實現形式和功能，有源護耳器可以分為三種類型：有源耳罩、有源受話器和有源頭靠。有源耳罩和有源受話器是採用有源控制技術的頭戴式耳罩，前者純粹是為了隔聲，後者在隔聲的同時還需保持語音的不失真傳輸，兩者可統稱為有源頭戴式耳機（Active headset，有源耳機）；有源頭靠是指在座位上方人耳位置處安裝次級聲源的有源噪聲控制系統，目的在於降低進入人耳的噪聲。有源耳機是有源噪聲控制技術發展中最早進入市場的產品，也是當前最成熟的套用技術。有源耳機已成為常見的電聲產品在銷售，在網際網路上可以搜尋到10餘家知名的有源耳機生產廠家，如美國的博士（Bose）公司、NCT公司、森海塞爾公司等。採用有源控制技術的頭戴式耳機已成為高端耳機的標誌。有源頭靠由於對人的坐姿有嚴格要求，不太受歡迎，進展有限。

螺旋槳飛機艙內噪聲有源控制技術也已發展成熟。據報導，已有1200多架裝有有源控制系統的軍用和民用飛機投入運營。至於轎車車廂內噪聲有源控制，主要是由於成本的限制，僅有極少數品牌的高端轎車安裝此類系統，市場對該系統的接受程度仍然較低。

以上所述的幾種有源控制技術，均屬於封閉空間內聲場有源控制問題，從物理尺度上看，這三者分別為小空間、大空間和中度空間，不過與欲控制的初級噪聲波長相比，它們所形成的初級聲場基本上都屬於駐波聲場。有源護耳器是套用有源控制技術最為成功的案例，主要原因在於降噪空間狹小，需要的次級聲源個數少（通常一隻耳罩只配備一個揚聲器），採用的模擬式控制器的構造簡單、成本低廉；對於飛機艙室，雖然要求的降噪空間大，但由於螺旋槳飛機艙內噪聲屬於低頻線譜噪聲（主要包括螺旋槳噪聲基波和頭幾階諧波），艙內聲場本質上是由低階聲模態主導的駐波聲場，僅需有限個數的次級聲源就可以實現全空間降噪。與有源護耳器相比，飛機艙內噪聲有源控制系統屬於多通道系統，控制器的軟體和硬體要複雜得多，系統的自身成本和維護成本也要高得多，但與飛機的總造價相比，這種系統的成本就在可以承受的範圍內了。轎車車廂內的有源噪聲控制，其降噪空間、技術難度、系統的複雜度和可接受的成本均介於前兩者之間，這使得人們在選擇是否要採用有源控制技術上陷於兩難，因而市場上安裝有源控制系統的汽車並不多。

另外還有一類趨於成熟的有源噪聲控制技術。這類技術存在技術上的可行性，但仍有一系列與套用有關的關鍵技術尚未解決，管道有源消聲器、變壓器噪聲有源控制和聲場主動控制是其中的典型代表。管道有源消聲器的初級聲場簡單，但管道聲場中存在獨特的再生噪聲問題，且由於管道消聲器的套用環境大都十分惡劣，同時對成本和維修性的要求都較為嚴格，這些因素限制了實際產品的開發。對於變壓器噪聲有源控制問題，優勢在於初級噪聲屬於低頻線譜噪聲，對有源控制算法的要求較低，但難點在於需要的降噪空間大，從而導致控制系統極其複雜，如採用集中式多通道有源控制系統，將使整個系統的成本不可承受。至於基於有源控制原理的聲場主動控制問題，由於套用目的和場合多樣，不同程度地存在技術難度大、成本過高等現象。

決定控制效果的因素

決定最終降噪量的因素來自4個方面：① 系統可能取得的最大降噪量由次級聲源的布放（位置及個數）確定，這種降噪量稱為理論降噪量。對簡單初級聲源和規則聲學空間，可以通過解析計算獲得；② 對實際系統來說，需要確定一個可以實現的控制目標。理論上的控制目標通常是聲功率最小，由於聲功率通常無法用感測器實際檢測，實際中常用有限點的聲壓平方和代替，由此得到的降噪量稱為基於控制函式的降噪量，顯然它比理論降噪量要低；③ 假定自適應控制算法能夠收斂到穩定狀態，但所得到的降噪量並不等於基於控制函式的降噪量，它與算法的穩態性能有關，依賴於控制器結構、算法類型及控制器參數，如收斂係數、濾波器長度、信號處理器字長等；④ 對於前饋系統來說，參考信號質量對實際降噪量將產生重要影響。具體地說，參考信號與初級噪聲信號的相關性越高，自適應算法就越接近於它的理想狀態。於是，實際降噪量就越接近由控制目標和算法穩態性能共同決定的降噪量。