有源消声技术与应用

有源消声技术与应用摘要：近十几年来，有源消声技术成为噪声控制领域一个多学科交叉、渗透、延伸的研究热点，它以其体积小、重量轻、低频消声效果好等优点获得普遍的关注。本文简述有源消声的基本原理，对有源消声理论研究、实现技术、产品应用三个方面的国内外研究现状、进展和难点进行了详细的阐述和分析，较为完整地展示了当前该研究领域的全貌，最后进一步分析了有源消声走向工程化过程中存在的一些主要问题，提出了有源消声技术的几个重点发展方向。关键词：噪声控制；有源消声；降噪；自适应控制噪声作为环境污染的第三大公害，一直困扰着人们。研究[1]表明，噪声在50~60dB范围，会使人感觉烦恼，在60~65dB，会使烦恼度大大增加，在65dB以上，则人体健康有可能受到危害。对于厂矿企业的工作人员，应保证不超过85dB。噪声影响人们的身心健康、损伤听力及相关的系统、降低工作效率，严重的甚至造成安全事故。因此，人们探索出“多管齐下”的噪声综合治理方法[2][3]：首先是从声源着手，改进结构设计，减少声源发出的噪声等级，这是最为有效的方法，但有时由于技术、成本等方面的限制，还不能从根本上杜绝噪声源；其次是隔声、吸声等被动消除噪声的方法（也称为无源法），它对高频噪声的消声效果很好，但是对低频噪声效果不明显，而且消声装置体积庞大，安装维护困难；其三是有源消声技术，它对低频噪声效果很好，相对被动消声方法而言，还具有系统小、重量轻、控制易等优点，随着现代控制技术的发展和控制芯片成本的下降，有源消声的实现也越来越容易，已成为噪声控制的一个研究热点。有源消声[3]也称有源降噪、有源噪声控制、有源噪声抵消、有源声衰减，英文名称也有多种，含义相差不大。目前学术界用得最多的还是有源消声（ANC）这一说法。就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，通过抵消声源（次级声源）产生与被抵消声源（初级声源）的声波大小相等、相位相反的声波辐射，相互抵消，从而达到降低噪声的目的[2]。有源消声的概念是由德国人PaulLueg提出，1934年申请专利，1936年撰文阐明其基本原理，但是由于电子技术等方面的限制，制造不出所需的电子控制系统，因此该技术长期得不到发展，直到60年代末，随着电子技术的发展，ANC的研究才又重新兴起。有源消声的研究主要分为有源消声的理论研究、实现技术和产品应用三部分。下面本文将就这三个方面的国内外研究现状和难点分别进行述评。一．有源消声理论研究有源消声理论研究可以大致分为四个方面：有源消声机理的研究、管道有源消声的理论研究、空间有源消声的理论研究、次级声源和传声器的最优化研究。有源消声的机理研究随着有源消声研究的发展，对有源消声机理的认识要求也越来越迫切，希望以此从声场理论方面对有源消声给予指导，另外消声效果的进一步提高，也有待于人们对有源消声机理的更为深刻的理解。一般认为存在三种消声机制：声辐射抑制机制、声能量吸收机制、抗性能量存储机制。不过除了能量吸收机制在管道有源消声中得到验证之外，其余两种机制在学术界尚未统一认识[4]。管道中的噪声控制，以往主要采用阻性和抗性消声器的方法：阻性消声器对低频噪声效果很差；随着噪声频率的降低，抗性消声器的体积变得庞大，造价随之增加。管道中安装了上述两种消声器后，会产生一定的阻力，引起压力损失，影响出力和供风，给风机增加额外的负载，反而使风机的噪声升高。有源消声在低频段性能优越，以很小的体积就可以获得很好的消声效果，而且不会造成气流的压力损失。这是ANC率先在管道中得到应用的一个重要原因，另外一个原因就是在管道中，一般均假设初级噪声频率小于管道截止频率，则初级声场就是平面波声场，因而声场分析就大大简化了。文献［3］从理论上研究了管道有源消声的原理，得出结论：当初级声源和次级声源由无限远处逐步靠近时，能量机制逐渐以空间转移的形式向多极子场过渡，对于单次级声源管道有源消声，当次级声源为单指向性声源时，消声机制主要表现为对次级声源能量的吸收。文献［5］、［6］对管道有源消声的理论分析模型作了详细的探讨，建立了气流管道有源消声器声学性能分析的理论模型，该理论模型对气流管道的有源消声器的设计具有指导作用。二．有源消声实现技术有源消声研究的最终落脚点在应用，因此ANC实现技术的研究是ANC研究领域的重点，其中的核心内容是有源消声控制器的自适应控制算法。目前ANC系统实现结构主要分为基于模拟电路的简易ANC系统、基于微机的通用ANC系统。这二种结构形式各有特点。2.1基于模拟电路的有源消声控制器早期的有源消声控制器是由模拟电路来完成信号处理任务，它通过求取声学通道传递函数，建立数学模型，然后依据经典控制理论，采用低阶模拟电路进行控制［8］。模拟电路有源消声控制器的优点是成本低、体积较小，但是模拟电路系统的不足很明显：消声效果和性能受限制，系统运行不稳定，易受多种环境因素干扰而产生自激啸叫，控制算法和参数较为固定，不易灵活更改，控制性能受电路阶数限制，提高阶数会导致系统体积增大；另外系统缺乏跟踪能力，自适应系统由于稳定性问题阻碍了它的进一步实用。2.2基于微机的有源消声控制器通用微机有源消声是一种既经济又有效的途径。微机控制技术的优点在于可以方便、灵活地实现初步的自适应功能，对参数不断地进行动态调整，维持系统的最佳消声状态，适用于有源消声的实验研究和实际应用中对便携性要求不高的场合。文献［9］、［10］在空间有源消声中取得了较好的效果，运用LMS算法、模糊控制算法、神经网络算法进行消声控制，取得的单频噪声消声量最高达40dB窄带噪声最高消声量可达25dB；文献［6］运用PID算法进行控制，分别采用单次级声源和双次级声源系统在消声室中进行实验，取得了单频噪声30dB左右、1/3倍频程噪声20dB左右的消声效果。三．有源消声应用及产品有源消声经过近20年的发展，在有源消声耳机、管道有源消声、局部空间有源消声等领域成功应用，国内外陆续有相应的专利和产品问世。3.1有源消声耳机与耳罩有源消声耳机与耳罩可以应用于很多场合，如发动机实验室和生产车间、飞机驾驶舱和客舱、火车驾驶室和乘客车厢、坦克驾驶舱、工厂厂矿、高噪声环境中的无线对讲通讯系统及其他存在连续低频噪声的场合。有源消声耳罩可以看作是有源消声技术在空间一个点上的应用，是空间有源消声的一种简单化模型，目前最有可能产品化。国外对有源消声耳罩的研究已经比较完善，目前已有较为成熟的产品出售[11]，国内在该领域虽取得了一定的研究成果、申请了发明专利，但还没有真正进行产品的实用化推广。有源消声耳机控制器有模拟式和数字式两大类型，其中模拟式控制器具有体积小、成本低、实现易等特点，但是同时也存在稳定性欠佳、不易调节、适应性较差等不足。目前国内有源消声耳罩控制器主要采用模拟电路。清华大学张耿等人［8］以频率特性函数和传递函数为基础，采用二阶模拟电路实现前馈加反馈的有源消声复合控制器，该结构已获国家专利。3.2管道有源消声实例管道有源消声可以应用于建筑物供热管道、通风管道、空调管道、烟囱或其它大型管网中的消声，也可以应用于汽车、摩托车排气管道的消声。许多汽车制造厂家正在研究车用排气管道的有源消声器，虽然目前造价高于传统消声器，但是它不会增加排气阻力，可省油5%，还能减少废气的排放量。这对于今后新型汽车的环保要求无疑是非常有吸引力的。另外，空气压缩机、泵中管道的有源消声研究已经较为成熟，正在陆续投入使用。国内关于该领域的研究起于80年代初，采用基于数字信号处理系统的自适应滤波器，可以在很宽的频率范围实现较为复杂的相频和幅频特性，而且即使管道系统的一些物理参数发生变化，滤波器的参数会自适应调整，以保证管道下游的消声效果最好。四．有源消声技术存在的问题和发展方向有源消声技术虽然在声学理论、实现技术和方法等方面取得了长足进步，并且随着数字信号处理器和现代控制算法的进步，其研究与应用在深度和广度上日益发展，但仍存在诸多难点有待解决：（1）空间有源消声：从总的情况来看，三维空间有源消声的研究仍处于实验室阶段，几乎没有成功的实际应用实例，这主要是由于以下一些问题尚待解决：（a）空间有源消声的机理研究不够深入彻底，例如消声过程的能量转化机理等；（b）空间消声的基本单元及其消声的空间特性，尚缺乏满足实际应用要求的简单、有效的消声结构；（c）复杂的外界环境条件对消声效果的影响，这些外界条件包括声学环境、物理条件、声学器件特性等，而且目前的自适应控制算法尚未在实际应用中很好地解决该问题。（2）时变噪声信号的控制：现在空间有源消声的实验报道大多数是针对单频或窄带噪声信号，一旦初级声源是非线性、时变信号，其自适应控制算法就不能保证消声系统的稳定性和较好的消声量，往往造成控制系统不能收敛，引起啸叫，所以针对实际应用中常常出现的时变噪声信号，如何有效地进行控制是空间有源消声走向实用的一个重要问题。（3）产品实用工程化中的稳定性问题：目前有源消声实用化程度较高的产品是有源消声耳机和管道有源消声设备，但是都在不同程度上存在稳定性问题，在受到一些意外的环境干扰时，产品常常不能正常工作，影响了产品的进一步推广。例如国外的开放式有源消声耳机，当声级过高时有可能造成信号过载；而且在高声级的低频噪声环境中会出现明显的“挤压”现象。五．结语虽然有源消声技术还存在上述问题和困难，但是有理由相信，人们对高品质生活的不懈追求和日益进步的科技水平最终会克服这些技术障碍，带给人们一个更加宁静、舒适的新世纪。参考文献：［1］EropeanCommission.Greenpaper—FutureNoisePoIicy［J］，NII，1997，5（2）：77-98.［2］Eriksson.LJ.RecenttrendsinthedevoIopmentofactivesoundandvibrationcontroIsystems［A］，Proc.Noise-Con’1994：271-278.［3］陈克安，马远良.噪声源有源噪声控制—原理、算法及实现［M］.西安：西北工业大学出版社，1993.［4］冯津伟，沙家正.空间有源消声的声能量流研究［J］.声学学报，1996，21（5）.［5］MunjaIML，ErikssonLJ.AnanaIyticaI，one-dimensionaI，standing-wavemodeIofaIinearactivenoisecontroIsysteminaduct［J］.JournaIofAcousticaISocietyofAmerica，1988，84.［6］季振林，沙家正.气流管道有源消声器声学性能分析［J］.南京大学学报，1995，31（4）.［7］冯津伟，杜学超等.空间有源消声的微机控制［J］.应用声学，1997，16（2）.徐永成等：有源消声技术与应用述评123［8］朱彦武，连小珉等.复合式新型有源消声耳罩［P］.中国专利94204976.4.［9］徐永成，陈循等.基于微机控制实现的自适应有源消声［J］.国防科技大学学报，1996，18（2）.［10］温熙森，陈循，徐永成等.基于模糊策略的有源消声技术研究［J］.振动工程学报，1997，10（1）.［11］GMMT.Activenoise-reductionheadsetsforfightingvehicles［J］.Noise&VibrationWorldwide，1994，（2）.