[科普中国]-有源噪声控制技术

在空间某一点，通过初级声波与次级声波的相消性干涉达到降噪目的的噪声控制方式称为有源噪声控制技术。一个有源噪声控制系统包括两部分：控制器和电声部分（包括参考传感器、次级声源和误差传感器）。控制器部分有模拟和数字之分，模拟电路一般只适合完成单通道、非自适应控制器。目前最成熟的有源控制技术有三种：① 有源护耳器；② 螺旋桨飞机舱内噪声有源控制；③ 轿车车厢内噪声有源控制。

一个将要被控制的噪声场被称为初级声场，其声源为初级声源，所产生的噪声为初级噪声或初级声波。人为产生的、用于抵消初级噪声的“反”噪声称为次级噪声或次级声波，形成的声场为次级声场；产生次级噪声的作动器称为次级作动器，如果该作动器为声源，则称为次级声源；如果为力源，则称为次级力源。

概述传统的噪声控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主，主要技术途径包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、振动的隔离、阻尼减振等等。这些噪声控制方法的机理在于，通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，从而达到降低噪声的目的，属于无源或被动式的控制方法，可称为“无源”噪声控制。一般说来，无源噪声控制方法对控制中高频噪声较为有效，而对低频噪声的控制效果不大。为此，需要采用一项新技术——有源噪声控制技术。

开发有源噪声控制技术的尝试始于20世纪70年代初。在管道中，如果声源频率低于管道截止频率，则可产生均匀平面波，对其进行有源噪声控制，不管是理论研究还是技术实现将相对容易，因而人们寄希望于管道有源消声器的开发和研制。然而，管道有源消声中通常不易获得参考信号，使得系统不得不成为反馈系统，从而导致系统稳定性差，使得管道有源消声器的结构相对复杂。此外，由于在管道有源消声系统中误差传感器下游会再次产生噪声（称为再生噪声），使得长管道中需要多个有源消声器，使得整个系统的价格相对昂贵，维修和维护更加麻烦，使得管道有源噪声控制技术的发展受到阻碍。不过在同一时期，有源护耳器研究逐渐取得成果，刚开始时利用模拟器件构造的有源控制器被证明可应用于有源耳罩，之后由于数字技术及自适应信号处理技术的发展，有源送话器或受话器的实现成为可能。至今，有源耳机（包括有源耳罩、有源送话器或受话器）已形成商品，这成为有源噪声控制技术应用的标志性案例。

随着研究力量的不断投入，更大规模地应用有源噪声控制技术的努力也取得了成效，典型的例子就是螺旋桨飞机舱室噪声有源控制。据报道，至今已有1200多架螺旋桨飞机安装了有源噪声控制系统，成为降低舱内低频噪声的有效手段。与此同时，有源噪声控制技术在高档轿车车厢内成功应用的例子也有报道1。

控制系统一个有源噪声控制系统包括两部分：控制器和电声部分（包括参考传感器、次级声源和误差传感器）。控制器部分有模拟和数字之分，模拟电路一般只适合完成单通道、非自适应控制器。而数字电路的功能要强得多，可以实现多通道、自适应控制器，它包括信号处理器（内含自适应算法）及其外围电路。电声部分主要包括次级源（电声器件、振动作动器）、参考传感器（对前馈控制方式而言）和误差传感器。

应用从技术成熟度和商业推广价值的角度看，目前最成熟的有源控制技术有三种：① 有源护耳器；② 螺旋桨飞机舱内噪声有源控制；③ 轿车车厢内噪声有源控制。

按系统的实现形式和功能，有源护耳器可以分为三种类型：有源耳罩、有源受话器和有源头靠。有源耳罩和有源受话器是采用有源控制技术的头戴式耳罩，前者纯粹是为了隔声，后者在隔声的同时还需保持语音的不失真传输，两者可统称为有源头戴式耳机（Active headset，有源耳机）；有源头靠是指在座位上方人耳位置处安装次级声源的有源噪声控制系统，目的在于降低进入人耳的噪声。有源耳机是有源噪声控制技术发展中最早进入市场的产品，也是当前最成熟的应用技术。目前，有源耳机已成为常见的电声产品在销售，在互联网上可以搜索到10余家知名的有源耳机生产厂家，如美国的博士（Bose）公司、NCT公司、森海塞尔公司等。目前，采用有源控制技术的头戴式耳机已成为高端耳机的标志。有源头靠由于对人的坐姿有严格要求，不太受欢迎，进展有限。

螺旋桨飞机舱内噪声有源控制技术也已发展成熟。据报道，目前已有1200多架装有有源控制系统的军用和民用飞机投入运营。至于轿车车厢内噪声有源控制，主要是由于成本的限制，仅有极少数品牌的高端轿车安装此类系统，市场对该系统的接受程度仍然较低。

以上所述的几种有源控制技术，均属于封闭空间内声场有源控制问题，从物理尺度上看，这三者分别为小空间、大空间和中度空间，不过与欲控制的初级噪声波长相比，它们所形成的初级声场基本上都属于驻波声场。有源护耳器是应用有源控制技术最为成功的案例，主要原因在于降噪空间狭小，需要的次级声源个数少（通常一只耳罩只配备一个扬声器），目前采用的模拟式控制器的构造简单、成本低廉；对于飞机舱室，虽然要求的降噪空间大，但由于螺旋桨飞机舱内噪声属于低频线谱噪声（主要包括螺旋桨噪声基波和头几阶谐波），舱内声场本质上是由低阶声模态主导的驻波声场，仅需有限个数的次级声源就可以实现全空间降噪。与有源护耳器相比，飞机舱内噪声有源控制系统属于多通道系统，控制器的软件和硬件要复杂得多，系统的自身成本和维护成本也要高得多，但与飞机的总造价相比，这种系统的成本就在可以承受的范围内了。轿车车厢内的有源噪声控制，其降噪空间、技术难度、系统的复杂度和可接受的成本均介于前两者之间，这使得人们在选择是否要采用有源控制技术上陷于两难，因而市场上安装有源控制系统的汽车并不多。

另外还有一类趋于成熟的有源噪声控制技术。这类技术存在技术上的可行性，但仍有一系列与应用有关的关键技术尚未解决，管道有源消声器、变压器噪声有源控制和声场主动控制是其中的典型代表。管道有源消声器的初级声场简单，但管道声场中存在独特的再生噪声问题，且由于管道消声器的应用环境大都十分恶劣，同时对成本和维修性的要求都较为严格，这些因素限制了实际产品的开发。对于变压器噪声有源控制问题，优势在于初级噪声属于低频线谱噪声，对有源控制算法的要求较低，但难点在于需要的降噪空间大，从而导致控制系统极其复杂，如采用目前的集中式多通道有源控制系统，将使整个系统的成本不可承受。至于基于有源控制原理的声场主动控制问题，由于应用目的和场合多样，不同程度地存在技术难度大、成本过高等现象。

决定控制效果的因素决定最终降噪量的因素来自4个方面：① 系统可能取得的最大降噪量由次级声源的布放（位置及个数）确定，这种降噪量称为理论降噪量。对简单初级声源和规则声学空间，可以通过解析计算获得；② 对实际系统来说，需要确定一个可以实现的控制目标。理论上的控制目标通常是声功率最小，由于声功率通常无法用传感器实际检测，实际中常用有限点的声压平方和代替，由此得到的降噪量称为基于控制函数的降噪量，显然它比理论降噪量要低；③ 假定自适应控制算法能够收敛到稳定状态，但所得到的降噪量并不等于基于控制函数的降噪量，它与算法的稳态性能有关，依赖于控制器结构、算法类型及控制器参数，如收敛系数、滤波器长度、信号处理器字长等；④ 对于前馈系统来说，参考信号质量对实际降噪量将产生重要影响。具体地说，参考信号与初级噪声信号的相关性越高，自适应算法就越接近于它的理想状态。于是，实际降噪量就越接近由控制目标和算法稳态性能共同决定的降噪量2。

本词条内容贡献者为:

吴俊文 - 博士 - 厦门大学