鄒海山 邱小軍

1) (南京大學(xué)聲學(xué)研究所, 近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210093)

2) (悉尼科技大學(xué)工程與信息技術(shù)學(xué)院, 聲與振動(dòng)中心, 悉尼 2007, 澳大利亞)

復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中人耳附近空間降噪是有源噪聲控制研究的重要課題, 目前采用的主要方法為有源降噪頭靠(AHR)和虛擬聲屏障(VSB). 本文簡(jiǎn)述AHR與VSB的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀, 介紹其物理原理和設(shè)計(jì)方法, 評(píng)述其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn), 討論了目前存在的問(wèn)題與未來(lái)相關(guān)的研究方向. 已有理論、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)在人耳附近空間產(chǎn)生靜區(qū)的可行性. AHR系統(tǒng)需要較少控制源, 系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn), 但靜區(qū)范圍較小, 結(jié)合虛擬傳聲器技術(shù)和人頭跟蹤技術(shù)后可實(shí)現(xiàn)隨人頭移動(dòng)的靜區(qū), 降噪頻率可達(dá)中高頻; VSB產(chǎn)生的靜區(qū)范圍較大, 但控制源個(gè)數(shù)較多, 系統(tǒng)復(fù)雜和成本高, 可通過(guò)代價(jià)函數(shù)和控制源優(yōu)化, 以及主被動(dòng)混合控制技術(shù)來(lái)提高有效降噪頻率范圍和減少控制源個(gè)數(shù).

1 引 言

傳統(tǒng)降噪方法采用材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲、吸聲和消聲, 在中高頻可有效降噪, 但因應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的體積和重量限制, 在低頻時(shí)性能下降[1].有源噪聲控制技術(shù)通過(guò)引入控制聲源影響初級(jí)噪聲源的輻射和傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪, 具有體積小、重量輕和低頻降噪性能好的特點(diǎn)[2]. 有源降噪技術(shù)可針對(duì)噪聲源進(jìn)行控制以降低聲源的總輻射功率[3,4].有源降噪技術(shù)也可用于傳播路徑的控制, 如與傳統(tǒng)聲屏障結(jié)合的有源聲屏障通過(guò)在屏障頂部放置控制聲源減少入射波的衍射, 從而增大聲屏障的插入損失[5?8].

對(duì)于保護(hù)接收者, 有源降噪耳機(jī)通過(guò)電路提升耳機(jī)低頻降噪性能, 獲得較好的寬帶降噪效果[9,10],但耳機(jī)佩戴有時(shí)給人耳帶來(lái)不適或壓迫感. 因此有必要探討在人耳附近空間產(chǎn)生靜區(qū)的技術(shù)[11-23],該技術(shù)有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景, 尤其在噪聲級(jí)高、噪聲源眾多且難以定位的復(fù)雜噪聲環(huán)境. 如在艦船艙室、飛機(jī)機(jī)艙和列車車廂中降低操作人員和乘客附近的噪聲, 在生產(chǎn)車間降低操作人員附近的噪聲,甚至可在臥室人耳附近降低傳來(lái)的鼾聲[24].

鄒海山,南京大學(xué)聲學(xué)研究所副研究員,江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)理事. 1997年獲南京大學(xué)聲學(xué)學(xué) 士 學(xué) 位 , 2008年獲 南 京 大 學(xué) 聲學(xué)博士學(xué)位. 2009-2011年, 在南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院從事博士后研究工作, 之后任現(xiàn)職至今. 研究領(lǐng)域?yàn)樵肼暱刂? 特別是有源噪聲控制方向. 主持有源噪聲控制研究課題及合作項(xiàng)目近20項(xiàng), 在噪聲控制領(lǐng)域發(fā)表論文40余篇, 獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)9項(xiàng)，獲湖南省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng).

目前在人耳附近空間產(chǎn)生靜區(qū)的方法主要有兩類: 一是有源降噪頭靠 (active HeadRest, AHR),一般由2個(gè)控制聲源、2個(gè)誤差傳聲器和有源控制器組成, 通過(guò)降低誤差傳聲器處噪聲在人耳附近形成 靜 區(qū)[11-13]; 二 是 虛 擬 聲 屏 障 (virtual sound barrier, VSB), 使用控制聲源陣列與傳聲器陣列圍成封閉幾何形狀包圍目標(biāo)區(qū)域, 阻擋來(lái)自各個(gè)方向的噪聲, 在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)形成靜區(qū), 因其不影響空氣和光線的傳播, 像一個(gè)無(wú)形的屏障對(duì)噪聲起作用,故稱為 VSB[20,21].

本文針對(duì)復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中人耳附近空間降噪問(wèn)題, 分別介紹AHR系統(tǒng)和VSB系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀、原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用, 并討論目前存在的問(wèn)題和未來(lái)的研究方向.

2 有源降噪頭靠

2.1 發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

AHR系統(tǒng)如圖1所示, 揚(yáng)聲器作為控制聲源,通過(guò)控制器調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器輸出在人耳旁的誤差傳聲器附近產(chǎn)生靜區(qū). AHR的概念最早可追溯至Olson和May[25]于1953年提出的“電子吸聲器”, 他們使用模擬電路調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的輸出以抵消傳聲器處的噪聲, 在傳聲器附近產(chǎn)生靜區(qū), 并展望了在汽車和工廠的應(yīng)用前景. 由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)水平限制, 相關(guān)系統(tǒng)難以應(yīng)用于實(shí)際, 其研究也陷入沉寂. 隨電子技術(shù)水平的進(jìn)步, 直到20世紀(jì)80年代, 有源噪聲控制的研究才漸漸復(fù)蘇并最終蓬勃發(fā)展, 人耳附近空間降噪也重新受到關(guān)注.

圖1 AHR 示意圖Fig. 1. Schematic drawing of AHR.

降噪量超過(guò)10 dB的靜區(qū)大小是評(píng)價(jià)AHR性能的重要參數(shù). 英國(guó)南安普頓大學(xué)聲與振動(dòng)研究所(ISVR)在該領(lǐng)域有一系列重要研究. Elliott等[11]應(yīng)用空間相關(guān)函數(shù)理論分析擴(kuò)散場(chǎng)中一個(gè)控制源在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的靜區(qū), 發(fā)現(xiàn)其形狀是直徑小于1/10聲波波長(zhǎng)的球. 而在控制源近場(chǎng), 用無(wú)限大障板上的活塞作為控制聲源, 其近場(chǎng)某點(diǎn)的靜區(qū)形狀在低頻是厚度不超過(guò)1/10聲波波長(zhǎng)的球殼, 在高頻則是直徑小于1/10聲波波長(zhǎng)的球[26,27]. 無(wú)論是在控制源遠(yuǎn)場(chǎng)還是近場(chǎng), 若同時(shí)控制某點(diǎn)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度, 都能獲得更大靜區(qū)[28,29].

實(shí)際應(yīng)用中, AHR周圍可能存在反射體和反射面, Garcia-Bonito和Elliott[12]將控制聲源建模為表面有振動(dòng)速度分布的球體, 同時(shí)考慮人頭衍射的影響, 研究此時(shí)的靜區(qū)分布, 發(fā)現(xiàn)人頭衍射對(duì)控制有好處. Garcia-Bonito等[30]進(jìn)一步研究在擴(kuò)散場(chǎng)中4種反射表面對(duì)靜區(qū)大小的影響, 結(jié)果表明反射表面增大了靜區(qū). Rafaely[31-32]提出了空間時(shí)間相關(guān)函數(shù), 并用于研究控制聲源在寬頻混響聲場(chǎng)中產(chǎn)生的靜區(qū), 指出靜區(qū)大小與頻率等于頻帶中心頻率的單頻情況相若.

由前述可知, AHR系統(tǒng)靜區(qū)直徑不超過(guò)1/10聲波波長(zhǎng), 因此誤差傳聲器必須靠近人耳, 有時(shí)不方便. 可在頭靠系統(tǒng)中引入虛擬傳聲器布放技術(shù) (virtual microphone arrangement), 將誤差傳聲器(此時(shí)稱物理傳聲器)移至離人頭較遠(yuǎn)的位置,在人耳處假設(shè)虛擬傳聲器, 使用物理傳聲器預(yù)測(cè)虛擬傳聲器處的噪聲, 從而使控制聲源在虛擬傳聲器處產(chǎn)生靜區(qū)[13,14,33]. 早期研究假設(shè)物理傳聲器與虛擬傳聲器的初級(jí)聲場(chǎng)相等, 故系統(tǒng)性能依賴于兩者的匹配程度, 在500 Hz以下低頻段降噪效果較好,但在500 Hz以上頻段性能下降, 甚至導(dǎo)致噪聲增大[14].

為解決這一問(wèn)題, Roure和Albarrazin[34]提出了遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù) (remote microphone technique),事先測(cè)量物理傳聲器(稱為遠(yuǎn)程傳聲器)與虛擬傳聲器(稱為近端傳聲器)的初級(jí)聲場(chǎng)間的傳遞函數(shù),系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可更準(zhǔn)確地以遠(yuǎn)程傳聲器處的聲場(chǎng)信號(hào)來(lái)估計(jì)虛擬傳聲器處的聲場(chǎng). 為進(jìn)一步降低估計(jì)誤差, 可使用多個(gè)遠(yuǎn)程傳聲器估計(jì)近端傳聲器處的聲場(chǎng). 研究表明, 在擴(kuò)散聲場(chǎng)以及遠(yuǎn)程傳聲器指向近端傳聲器方向的定向聲場(chǎng)中, 使用4個(gè)遠(yuǎn)程傳聲器可顯著提高性能[35].

虛擬傳聲器技術(shù)與遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù)均需在使用前測(cè)量控制源到物理傳聲器和虛擬傳聲器間聲場(chǎng)傳遞函數(shù), Kestell[36,37]提出使用多個(gè)物理傳聲器的信號(hào)通過(guò)插值來(lái)外推預(yù)測(cè)虛擬傳聲器的聲壓, 該方法無(wú)需預(yù)先測(cè)量與虛擬傳聲器相關(guān)的聲場(chǎng)傳遞函數(shù), 系統(tǒng)對(duì)聲場(chǎng)傳遞函數(shù)的變化具有較好的魯棒性, 然而預(yù)測(cè)精度僅在物理傳聲器和虛擬傳聲器的間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)才較高. 有源噪聲控制中的虛擬傳感問(wèn)題本質(zhì)上為預(yù)測(cè)問(wèn)題, Petersen等[38]提出使用卡爾曼濾波進(jìn)行預(yù)測(cè), 通過(guò)預(yù)先計(jì)算的參數(shù)對(duì)物理傳聲器處的信號(hào)進(jìn)行處理估計(jì)近端傳聲器的信號(hào), 濾波算法中已包含了測(cè)量誤差的影響, 但該方法適用于相對(duì)低階的系統(tǒng).

人頭移動(dòng)引起的聲場(chǎng)變化會(huì)降低虛擬誤差信號(hào)與近端誤差信號(hào)的估計(jì)精度, 進(jìn)而影響降噪效果和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16]. 針對(duì)該問(wèn)題, Petersen等[39]提出移動(dòng)虛擬傳感技術(shù), 在一維管道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 對(duì)于窄帶噪聲有效地產(chǎn)生了能跟隨指定目標(biāo)的靜區(qū). 對(duì)于三維聲場(chǎng)中的AHR, 移動(dòng)虛擬傳聲器技術(shù)需要知道目標(biāo)區(qū)域即人頭的位置信息[40], 可通過(guò)三維頭部跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[16,17,41]. 預(yù)先測(cè)量并存儲(chǔ)不同人頭位置對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)傳遞函數(shù), 使用攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤人頭移動(dòng)位置, 調(diào)用對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算并控制噪聲, Elliott等[17]對(duì) 1000 Hz 以下寬帶噪聲取得近20 dB的降噪量. 為避免使用復(fù)雜的頭部跟蹤系統(tǒng), Lei等[42]通過(guò)改進(jìn)次級(jí)路徑模型, 使之在人頭活動(dòng)范圍內(nèi)與真實(shí)次級(jí)路徑保持較高匹配度, 提高了人耳位置處降噪量, 擴(kuò)大了人頭允許移動(dòng)范圍.

2.2 原理、設(shè)計(jì)方法

室內(nèi)擴(kuò)散聲場(chǎng)是一種復(fù)雜的噪聲環(huán)境, 可用于分析AHR的性能. 設(shè)初級(jí)聲場(chǎng)為擴(kuò)散聲場(chǎng), 當(dāng)控制源遠(yuǎn)離誤差點(diǎn)時(shí), 次級(jí)聲場(chǎng)也為擴(kuò)散聲場(chǎng), 圍繞誤差點(diǎn)的靜區(qū)大小依賴于擴(kuò)散聲場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性. 初級(jí)聲場(chǎng)中聲壓的空間分布可視為一個(gè)高斯隨機(jī)過(guò)程, 空間相關(guān)函數(shù)反映空間中任意兩點(diǎn)間的聲壓相關(guān)性[11]. 純音擴(kuò)散聲場(chǎng)中聲壓的歸一化空間相關(guān)函數(shù)為[43]

式中pp(x)為初級(jí)場(chǎng)的聲壓. (3)式顯示控制后空間某點(diǎn)的降噪量?jī)H和該點(diǎn)與誤差點(diǎn)的空間相關(guān)函數(shù)有關(guān). 據(jù)此可算出10 dB靜區(qū)為一球形, 直徑約為1/10聲波波長(zhǎng).

當(dāng)誤差點(diǎn)位于控制源近場(chǎng)時(shí), 在該點(diǎn)附近的次級(jí)聲場(chǎng)中以直達(dá)聲為主, 經(jīng)室內(nèi)壁面反射造成的混響聲可忽略, 則近場(chǎng)的次級(jí)聲場(chǎng)聲壓分布僅與控制源輻射阻抗有關(guān). 使用位于ys的控制聲源控制位于x0的近場(chǎng)誤差點(diǎn)聲壓為零, 對(duì)于誤差點(diǎn)附近任一點(diǎn)(滿足), 有

式中pp(x0)為初級(jí)場(chǎng)誤差點(diǎn)的聲壓; Zd(x0|ys)為控制源和誤差點(diǎn)間的直達(dá)聲阻抗傳遞函數(shù)[27].可見(jiàn)控制后誤差點(diǎn)附近場(chǎng)點(diǎn)的降噪量?jī)H和控制源輻射特性及誤差點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)距離有關(guān).

使用點(diǎn)源控制源與活塞控制源進(jìn)行分析, 將其聲阻抗傳遞函數(shù)代入(4)式, 結(jié)果表明誤差點(diǎn)距離控制源很近時(shí)10 dB靜區(qū)范圍很小, 直徑不及1/10 聲波波長(zhǎng), 當(dāng)誤差點(diǎn)漸遠(yuǎn), 10 dB 靜區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大, 其直徑上限為1/10聲波波長(zhǎng)[26,27]. 在中高頻靜區(qū)形狀與控制源輻射特性相關(guān), 而在低頻靜區(qū)形狀為環(huán)繞控制源的球殼.

不論是在控制源遠(yuǎn)場(chǎng)還是近場(chǎng), 誤差點(diǎn)位于剛性反射表面或其附近時(shí), 靜區(qū)大小均有不同程度的增加[12,30]. 對(duì)于控制源遠(yuǎn)場(chǎng), 由于反射面的影響, 空間相關(guān)函數(shù)值增大, 靜區(qū)大小在反射面法向上增大, 誤差點(diǎn)越靠近反射面效果越明顯. 其物理解釋為此時(shí)反射體表面聲壓梯度為0, 等效于控制系統(tǒng)同時(shí)控制了誤差點(diǎn)處的聲壓和誤差點(diǎn)附近的聲壓梯度, 因此靜區(qū)得以增大[30]. 對(duì)于控制源近場(chǎng), 將人頭建模為一剛性球, 研究表明有人頭存在時(shí), 靜區(qū)“趨向”人頭, 使靜區(qū)大小有微小的增大, 人頭對(duì)次級(jí)聲場(chǎng)的散射是主要原因, 而初級(jí)聲場(chǎng)的散射作用可忽略不計(jì)[12].

AHR的靜區(qū)直徑較小, 故誤差傳聲器必須靠近人耳. 虛擬傳聲器技術(shù)以原誤差傳聲器位置為虛擬傳聲器位置, 物理傳聲器移至離人頭較遠(yuǎn)的位置. 圖2為單通道虛擬傳聲器的示意圖, 物理傳聲器處的聲壓和虛擬傳聲器處的聲壓分別為[14]

式中ppa和ppv分別為物理傳聲器和虛擬傳聲器處的初級(jí)聲壓; Zca和Zcv分別為控制聲源到物理傳聲器和虛擬傳聲器處的傳遞函數(shù); qs為控制聲源源強(qiáng). 假設(shè)初級(jí)聲場(chǎng)在低頻隨空間位置變化較小, 在物理傳聲器與虛擬傳聲器較近條件下, 可假設(shè)ppa≈ ppv, 則虛擬傳聲器處的聲壓可估計(jì)為[14]

已知 Zca, Zcv和 qs, 測(cè)得物理傳聲器的聲壓 pa, 便可估計(jì)出虛擬傳聲器處的聲壓并使用控制聲源進(jìn)行控制.

圖2 單通道虛擬傳聲器示意圖[14]Fig. 2. Schematic drawing of single-channel virtual microphone arrangement[14].

物理傳聲器與虛擬傳聲器的初級(jí)聲壓差別隨著頻率增大而增加, 故相關(guān)系統(tǒng)在低頻段降噪效果較好, 但在 500 Hz 以上頻段性能下降, 甚至導(dǎo)致噪聲增大[14]. 遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù)事先測(cè)量遠(yuǎn)程物理傳聲器與近端虛擬傳聲器的初級(jí)聲場(chǎng)間的傳遞函數(shù)(稱為觀測(cè)濾波器), 較準(zhǔn)確地估計(jì)近端傳聲器處的聲場(chǎng)[34]. 設(shè) ppv= Gppa, G 為觀測(cè)濾波器, 則近端傳聲器處的聲壓可估計(jì)為

已知 G, Zca, Zcv和 qs, 可通過(guò) pa估計(jì)出近端傳聲器處的聲壓. 可見(jiàn)(6)式是(7)式中G = 1的特例.

近端傳聲器聲壓的估計(jì)誤差是影響控制系統(tǒng)性能的重要因素, 其誤差來(lái)源包括遠(yuǎn)程傳聲器個(gè)數(shù)和位置以及初級(jí)聲場(chǎng)特性[35]. 以估計(jì)誤差的均方值為代價(jià)函數(shù), 可求出觀測(cè)濾波器的最優(yōu)解[45], 對(duì)于遠(yuǎn)程傳聲器多于近端傳聲器的超定條件, 需選擇合適的正則參數(shù)以在系統(tǒng)估算誤差和魯棒性之間取得較好的平衡[35]. 使用4個(gè)遠(yuǎn)程傳聲器對(duì)1個(gè)近端傳聲器進(jìn)行估計(jì), 相對(duì)于1個(gè)遠(yuǎn)程傳聲器而言, 在擴(kuò)散聲場(chǎng)以及初級(jí)源位于遠(yuǎn)程傳聲器后面(近端傳聲器為前面)的自由場(chǎng)中, 估計(jì)誤差小于10 dB和20 dB的近端傳聲器可選區(qū)域明顯擴(kuò)大. 若在初級(jí)源位于遠(yuǎn)程傳聲器側(cè)面的自由場(chǎng)中, 則可選區(qū)域變化較小. 遠(yuǎn)程傳聲器數(shù)量不變, 優(yōu)化其位置分布需同時(shí)考慮陣列幾何結(jié)構(gòu)與初級(jí)聲場(chǎng)的空間匹配度與觀測(cè)濾波器中可逆矩陣的條件數(shù), 空間匹配度高與較低的條件數(shù)可獲得較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)精度[35].

2.3 應(yīng) 用

有源降噪技術(shù)在汽車領(lǐng)域有部分應(yīng)用研究, 其中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)低頻降噪是小空間的全局控制問(wèn)題,已在多款車型中商用. 與此不同, 輪胎/道路噪聲包含較高頻率分量, 屬于局域空間降噪問(wèn)題. 目前大部分相關(guān)研究是在人耳附近布放誤差傳聲器, 使用車門揚(yáng)聲器進(jìn)行控制, 雖屬人頭附近局域降噪,但不完全屬于AHR[46]. AHR使用安裝于座椅兩側(cè)的揚(yáng)聲器作為控制聲源, 通過(guò)反饋、前饋以及前反饋混合控制算法在人耳處降噪, 降噪效果約3—4 dBA[47].

圖3 使用遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù)和人頭跟蹤系統(tǒng)的AHR系統(tǒng)[16]Fig. 3. AHR system integrated with remote microphone technique and head tracker system[16].

AHR系統(tǒng)應(yīng)用研究中的一個(gè)重要問(wèn)題是人頭移動(dòng)導(dǎo)致降噪性能將下降. 移動(dòng)虛擬傳聲器技術(shù)可讓靜區(qū)隨頭部移動(dòng), 但該技術(shù)需要知道目標(biāo)區(qū)域即人頭的位置信息. 最近的研究表明, 通過(guò)三維頭部跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人頭位置跟蹤[16-17,41], 調(diào)用預(yù)先測(cè)量并存儲(chǔ)的與人頭位置對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)傳遞函數(shù), 可準(zhǔn)確估計(jì)虛擬傳聲器位置處的聲壓并控制. 該AHR系統(tǒng)如圖3所示, 包含2個(gè)控制源, 4個(gè)遠(yuǎn)程傳聲器和1套人頭跟蹤系統(tǒng), 人耳處為近端傳聲器位置. 人頭活動(dòng)區(qū)域可劃分為20個(gè)位置(圖中網(wǎng)格點(diǎn)), 事先測(cè)量人頭在不同位置時(shí)的聲場(chǎng)傳遞函數(shù)并儲(chǔ)存, 人頭移動(dòng)時(shí), 跟蹤系統(tǒng)判斷其所在位置,調(diào)用相應(yīng)的傳遞函數(shù)計(jì)算虛擬傳聲器位置處的聲壓并驅(qū)動(dòng)控制源降噪. 在噪聲環(huán)境中, 測(cè)量該系統(tǒng)有源降噪和人頭跟蹤過(guò)程中人耳處的實(shí)時(shí)噪聲信號(hào), 結(jié)果表明, 當(dāng)人頭保持不動(dòng)并開啟有源降噪系統(tǒng)情況下, 雙耳獲得有效降噪; 人頭移動(dòng)到不同位置, 有源降噪系統(tǒng)保持工作但人頭跟蹤系統(tǒng)關(guān)閉時(shí), 降噪效果顯著下降; 有源降噪系統(tǒng)與人頭跟蹤系統(tǒng)同時(shí)開啟, 盡管人頭仍在移動(dòng), 降噪效果將獲得較大改善[16].

3 虛擬聲屏障

3.1 發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

在人耳附近空間產(chǎn)生靜區(qū)的另一類方法為VSB, 類似的研究包括邊界聲壓控制(boundary pressure control)[23]. VSB 一般離聲源較遠(yuǎn), 屬于聲場(chǎng)控制, 其主要機(jī)理是通過(guò)控制聲源吸收或反射初級(jí)噪聲. VSB系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是Huygens原理和 K-H( Kirchhoff-Helmholtz)積分方程, 即若某一空間內(nèi)部沒(méi)有聲源, 則該空間內(nèi)的聲場(chǎng)完全由該空間邊界上的聲壓及其梯度決定. 因此, 若在該區(qū)域外部或者邊界上放置控制聲源, 通過(guò)控制聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)調(diào)整上述邊界的聲壓及其梯度, 使其減小或者為零, 則可整體降低邊界包圍區(qū)域的聲壓[48].

利用Huygens原理來(lái)實(shí)現(xiàn)有源聲控制的思想在 20 世紀(jì) 70 年代前后出現(xiàn), Jessel, Malyuzhinets和Canevet提出了JMC理論, 指出在封閉曲面使用連續(xù)分布的單極子源和偶極子源的組合可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射聲波的完美吸收[49-52]. Mangiante[53]在三維空間應(yīng)用揚(yáng)聲器近距離包圍初級(jí)噪聲源實(shí)現(xiàn)低頻噪聲輻射控制, 但該實(shí)驗(yàn)的控制原理是降低初級(jí)噪聲源的聲輻射功率, 而不全是基于Huygens原理的聲場(chǎng)控制. Ise[19]應(yīng)用K-H方程進(jìn)行“邊界控制”研究, 在二維平面上布置一圈誤差傳聲器, 通過(guò)控制外圈控制聲源陣列的輸出, 使誤差傳聲器處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度為0, 達(dá)到控制誤差傳聲器圈內(nèi)的聲場(chǎng)的目的, 然而研究只限于二維上的理論分析和數(shù)值仿真.

Qiu等[20]提出的VSB系統(tǒng)將K-H方程的研究擴(kuò)展到三維空間, 使用圓柱狀結(jié)構(gòu)的控制聲源陣列和誤差傳聲器陣列, 通過(guò)控制誤差傳聲器處的聲壓, 在傳聲器陣列包圍的空間內(nèi)部產(chǎn)生靜區(qū), 仿真結(jié)果驗(yàn)證了VSB系統(tǒng)降噪的可行性, 然而缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證且靜區(qū)范圍僅與人頭大小相若, 人頭不便活動(dòng). Zou等[21]完成了16通道圓柱狀VSB系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究, 在半徑為 0.2 m, 高為 0.2 m 的柱狀區(qū)域, 對(duì) 550 Hz 以下的噪聲, 獲得 10 dB 以上的全空間降噪, 與此同時(shí), 系統(tǒng)對(duì)周圍聲場(chǎng)的影響有限. 研究還表明系統(tǒng)性能與控制源和傳感器的位置和數(shù)量有關(guān), 降噪量隨著頻率升高而近似線性降低.

Zou和Qiu[22]進(jìn)一步研究了引入人頭后, 人頭散射對(duì)VSB系統(tǒng)性能的影響, 發(fā)現(xiàn)此時(shí)VSB系統(tǒng)性能隨著物理配置的變化趨勢(shì)與未引入人頭時(shí)是一致的, 但人頭散射使系統(tǒng)性能略有提高, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明, 系統(tǒng)對(duì)人頭移動(dòng)有較好的魯棒性.Epain和Friot[23]使用邊界聲壓控制方法控制球形體積內(nèi)的聲壓, 原理與VSB系統(tǒng)相同, 30個(gè)誤差傳聲器分布于半徑為0.3 m的球殼上, 30個(gè)控制聲源分布于半徑為0.6 m的球殼, 在整個(gè)球形區(qū)間內(nèi)均獲得有效降噪, 其中區(qū)間內(nèi)的2個(gè)典型測(cè)點(diǎn)在100—500 Hz的寬帶噪聲的降噪量約20 dB.

VSB系統(tǒng)控制不同的物理量會(huì)有不同的控制效果. 以誤差傳感器的聲勢(shì)能密度和為代價(jià)函數(shù),在低頻可取得較好的降噪效果, 但聲壓降低量不很均勻, 且由于內(nèi)部空間特征值問(wèn)題, 降低了有效降噪的上限頻率; 以聲動(dòng)能密度和為代價(jià)函數(shù), 聲壓降低量最為均勻, 但低頻的降噪效果不好; 以聲能量密度和為代價(jià)函數(shù), 降噪效果最好且具有較均勻的聲壓降低量分布[54]. VSB系統(tǒng)中也可使用虛擬傳感器技術(shù), 將物理傳感器布放于目標(biāo)區(qū)域邊界,虛擬傳感器布放于目標(biāo)區(qū)域中的優(yōu)化位置可提升降噪效果, 且避免傳感器在目標(biāo)區(qū)域中與人頭形成沖突, 系統(tǒng)的性能和控制聲源與物理傳感器的距離有關(guān), 也和初級(jí)聲場(chǎng)的復(fù)雜程度及虛擬傳感器位置聲場(chǎng)預(yù)測(cè)方法有關(guān)[55].

Rao[56]研究控制源的指向性對(duì)VSB系統(tǒng)性能的影響, 指出對(duì)于最小均方優(yōu)化法的VSB系統(tǒng),指向性控制源相比單極子聲源可獲得更大的降噪量, 此外, 指向性控制源可降低VSB系統(tǒng)對(duì)外部聲場(chǎng)的影響. 實(shí)際應(yīng)用中, VSB系統(tǒng)周圍可能存在反射面. 初步研究表明, 墻面附近的VSB降噪性能隨頻率變化的曲線在自由場(chǎng)環(huán)境的降噪曲線上下波動(dòng), 降噪量隨反射面的距離呈周期性變化. 此外, 墻面反射導(dǎo)致VSB系統(tǒng)的性能對(duì)初級(jí)聲場(chǎng)的入射角度變得敏感[56,57].

3.2 原理和設(shè)計(jì)方法

VSB的理論依據(jù)是形如式(8)的K-H積分方程:

式中邊界S包圍體積V; p(s)為邊界S上點(diǎn)s處的聲壓; p(r)為體積V內(nèi)點(diǎn)r處的聲壓; n為邊界S的外法向單位矢量; G(r|s)為自由空間的格林函數(shù)[48], 表達(dá)式為

(8)式給出了某一內(nèi)部沒(méi)有聲源的空間, 其內(nèi)部聲壓和邊界上聲壓及其梯度的關(guān)系[48], 描述了聲場(chǎng)的內(nèi)在性質(zhì), 是Huygens原理的一種數(shù)學(xué)表達(dá), 即某一空間內(nèi)的聲場(chǎng)完全可用其邊界上的聲壓及其梯度決定. 因此, 可通過(guò)控制空間外部或者邊界上的控制聲源調(diào)節(jié)該聲場(chǎng)邊界上的聲壓及其梯度控制該空間內(nèi)聲場(chǎng), 這是VSB系統(tǒng)的基本原理.

圖4是VSB系統(tǒng)的示意圖, 由立體結(jié)構(gòu)的揚(yáng)聲器陣列和傳聲器陣列構(gòu)成, 在傳聲器陣列圍成的封閉空間內(nèi)部產(chǎn)生靜區(qū). 對(duì)于初級(jí)噪聲源位置和輻射聲場(chǎng)隨時(shí)間變化的場(chǎng)合, VSB系統(tǒng)通過(guò)誤差傳聲器和自適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制揚(yáng)聲器的輸出來(lái)控制噪聲. 對(duì)于穩(wěn)定的初級(jí)噪聲場(chǎng), 可以省去監(jiān)測(cè)用的誤差傳聲器, 控制揚(yáng)聲器的輸出可根據(jù)初級(jí)聲場(chǎng)的分布和靜區(qū)的位置事先設(shè)計(jì).

圖4 VSB 系統(tǒng)示意圖Fig. 4. Schematic drawing of a VSB system.

VSB系統(tǒng)的降噪機(jī)理可能有多種. 若VSB系統(tǒng)距離初級(jí)聲源很近, 導(dǎo)致控制聲源與初級(jí)聲源相互作用降低噪聲, 其機(jī)理為降低噪聲源的輻射阻抗; 若VSB系統(tǒng)在低模態(tài)的封閉空間中, 可通過(guò)控制源產(chǎn)生的模態(tài)耦合初級(jí)聲源產(chǎn)生的模態(tài)來(lái)降噪, 其機(jī)理是控制源降低了初級(jí)聲源的負(fù)載. 以上兩種屬于自由場(chǎng)的全局控制與封閉空間的全局控制范疇[58], 并非一般意義的VSB系統(tǒng). 用于局部區(qū)域控制的VSB系統(tǒng)一般遠(yuǎn)離初級(jí)噪聲源, 其降噪機(jī)理為對(duì)初級(jí)聲場(chǎng)的聲能量進(jìn)行吸收或反射. 在邊界上使用連續(xù)分布的單極子源和偶極子源的組合可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射聲波的完美吸收, 若單獨(dú)使用單極子源或偶極子源, 其機(jī)理為對(duì)入射聲波的反射[48].例如使用單極子源控制位于區(qū)域邊界的傳聲器處的聲壓為零形成聲學(xué)軟邊界, 將入射到靜區(qū)的初級(jí)聲反射回去, 其機(jī)理為聲反射, 會(huì)導(dǎo)致控制后總聲場(chǎng)的能量增大.

VSB系統(tǒng)主要有2種設(shè)計(jì)方法: 針對(duì)穩(wěn)定初級(jí)聲場(chǎng)的展開法, 適合時(shí)變初級(jí)聲場(chǎng)和自適應(yīng)系統(tǒng)的最小均方優(yōu)化法. 下面以在某一噪聲場(chǎng)中產(chǎn)生半徑為rv的球形VSB靜區(qū)為例進(jìn)行說(shuō)明. 設(shè)系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)定在球形靜區(qū)的中心, 控制源布放在球面上, 靜區(qū)內(nèi)沒(méi)有任何聲源和散射體.

1) 初級(jí)聲場(chǎng)展開法

在球形區(qū)域邊界布放連續(xù)控制聲源構(gòu)建VSB系統(tǒng)產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng), 根據(jù)(8)式的K-H方程, 空間內(nèi)聲壓由邊界上聲壓及其梯度決定, 即

其中對(duì)偶極子源引入頻率歸一化系數(shù)jk可使偶極子源的指向性與頻率無(wú)關(guān). VSB系統(tǒng)控制目標(biāo)是使空間內(nèi)總聲場(chǎng)為零, 即

實(shí)際應(yīng)用中, 需要將球面上的連續(xù)聲源離散化. 若采用 Nc個(gè)位于的控制源, 則控制聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)為[56]

2) 最小均方優(yōu)化法

Nc個(gè)一階控制聲源均勻分布在半徑為rv的球形 VSB 的球面上, 其坐標(biāo)為, 產(chǎn)生的次級(jí)聲場(chǎng)表示為[56]

式中ql為第l個(gè)控制聲源的源強(qiáng),;等式右邊ql[·]為理想一階聲源的一般表達(dá)式[56]; 指向性權(quán)重取值在 0 和 1 之間,= 1 聲源為單極子,= 0 為偶極子,= 0.5 為三極子, 即心形單指向性聲源;為矢量 r – rl與聲源軸的夾角.

控制后的總聲場(chǎng)為

擬優(yōu)化的代價(jià)函數(shù)可為與誤差點(diǎn)的聲勢(shì)能密度和、聲動(dòng)能密度和、總聲能量密度和相關(guān)的量[58],三者可分別表示為

將(20)式和(21)式代入(22)—(24)式之一,代價(jià)函數(shù)可寫成矩陣二次型的形式[58], 即

式中矩陣A與控制聲源到場(chǎng)點(diǎn)的聲阻抗傳遞函數(shù)有關(guān); 矩陣b與控制聲源到場(chǎng)點(diǎn)的聲阻抗傳遞函數(shù)和初級(jí)聲場(chǎng)有關(guān); 常數(shù)c僅和初級(jí)聲場(chǎng)有關(guān),I為單位矩陣. 以聲勢(shì)能代價(jià)函數(shù)為例, 表達(dá)式分別為[56,58]:

其中(27)式為誤差點(diǎn)處的初級(jí)聲場(chǎng)向量, (28)式為控制源到誤差點(diǎn)處的傳遞函數(shù)矩陣, (29)式為位于點(diǎn)的控制源到位于點(diǎn)的誤差點(diǎn)的傳遞函數(shù).

令代價(jià)函數(shù)最小化, 可求得VSB系統(tǒng)的控制源的源強(qiáng)[58], 即

兩種方法得到控制源最優(yōu)源強(qiáng)后, 可代入(21)式中得到控制后的總聲場(chǎng). VSB系統(tǒng)的性能定義為VSB內(nèi)部區(qū)域降噪前后的聲勢(shì)能差, 即

式中Nv為評(píng)價(jià)點(diǎn)的個(gè)數(shù), 取值與噪聲頻率有關(guān),通常每波長(zhǎng)至少取6個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn). VSB系統(tǒng)性能和所優(yōu)化的代價(jià)函數(shù)有關(guān), 可采用上述步驟研究不同代價(jià)函數(shù), 不同物理系統(tǒng)配置的VSB系統(tǒng)的性能.

3.3 應(yīng) 用

VSB系統(tǒng)在大型電力變壓器的低頻噪聲控制的有相對(duì)成熟的應(yīng)用. 在室內(nèi)變壓器的大門或窗戶開口布放平面型的VSB系統(tǒng), 可阻擋噪聲而不影響通風(fēng)散熱. Xue等[60]在某110 kV室內(nèi)變壓器的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 在約23.2 m的開口上布放44通道的VSB系統(tǒng)控制變壓器通過(guò)開口向外輻射的噪聲, 在開口外 8.3 m × 5 m 寬的區(qū)域內(nèi), 絕大部分區(qū)域均得到有效降噪, 100 Hz 最大降噪量達(dá) 23.8 dB,200 Hz 最大降噪量達(dá) 18.8 dB. 該應(yīng)用體現(xiàn)了復(fù)雜噪聲環(huán)境中VSB系統(tǒng)產(chǎn)生靜區(qū)的有效性.

相比AHR系統(tǒng), 用于人耳附近空間局部降噪的VSB系統(tǒng)可在一個(gè)較大區(qū)間內(nèi)形成靜區(qū), 但所需控制源個(gè)數(shù)多, 系統(tǒng)復(fù)雜, 目前尚處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段. 一個(gè)圓柱狀分布的16通道的VSB系統(tǒng)如圖5所示, 16個(gè)誤差傳感器分為兩層, 每層各為圓內(nèi)接正八邊形, 兩層的距離he等于圓半徑re, 為0.2 m. 16 個(gè)控制源采用同樣的結(jié)構(gòu), 層間距 hc等于圓半徑 rc, 為 1.22 m. 半徑為a的剛性圓球模擬人頭在誤差傳感器包圍的空間內(nèi), 球心與VSB系統(tǒng)的中心重合, a = 0.09 m[58], 使用最小均方優(yōu)化算法設(shè)計(jì)自適應(yīng)的VSB系統(tǒng).

實(shí)驗(yàn)在普通不規(guī)則房間進(jìn)行, 使用3個(gè)位于不同方向的揚(yáng)聲器產(chǎn)生初級(jí)聲場(chǎng), VSB系統(tǒng)所在空間聲場(chǎng)較為均勻, 近似擴(kuò)散. 由16個(gè)駐極體傳聲器和16個(gè)普通音箱構(gòu)成圖5形式的VSB系統(tǒng)放置在房間中間, 采用16通道FxLMS算法的自適應(yīng)控制器. 初級(jí)源距離VSB系統(tǒng)中心約4 m, 與控制源距離始終保持大于0.5波長(zhǎng), 以保證實(shí)驗(yàn)所得控制效果不是通過(guò)降低初級(jí)源的輻射阻抗得到的.圖6為實(shí)驗(yàn)環(huán)境照片.

圖5 圓柱狀分布內(nèi)含人頭的16通道VSB系統(tǒng)[58]Fig. 5. Setup of the 16-channel cylindrical VSB system with a rigid sphere[58].

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境照片[58]Fig. 6. Photo of experimental setup[58].

為考察人耳移動(dòng)的影響, 選擇在人頭表面繞兩耳的水平圓周上的所有點(diǎn)的平均聲壓降噪量NR來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能. 圖7為NR隨頻率變化的曲線,信號(hào)頻率取值為 200—600 Hz, 間距 50 Hz. 可見(jiàn)在有無(wú)人頭情況下, 該VSB系統(tǒng)在所研究的頻段都能得到10 dB以上的降噪效果, 但兩者略有不同, NR 的差值在–0.8—2.6 dB 之間, 隨頻率升高有微小的增加. 在圖7曲線前段, 頻率小于300 Hz 時(shí), 由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境限制, 無(wú)法測(cè)得更大的降噪值, 都在 31 dB左右. 圖 8為頻率為500 Hz 時(shí), NR 隨人頭移動(dòng)的曲線, 其中 xy 平面為水平面, z軸為垂直于水平面方向. 控制器為自適應(yīng)的, 跟蹤時(shí)間在秒量級(jí), 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)跟蹤收斂后測(cè)得的. 人頭偏離中心的距離取值為0—0.1 m, 間距 0.02 m, 偏離 0.1 m 時(shí), 人頭已接近誤差傳感器包圍區(qū)間的邊緣. 圖8顯示當(dāng)頻率為500 Hz,隨著人頭偏離系統(tǒng)中心, 降噪效果下降, 最大值為6.2 dB, 但最差的降噪效果仍超過(guò) 13.3 dB[58].

圖7 實(shí)測(cè)VSB系統(tǒng)平均降噪量NR隨頻率變化的曲線[58]Fig. 7. Experimental results of control performance with respect to the frequency of noise signal[58].

圖8 實(shí)測(cè)人頭移動(dòng)對(duì)降噪效果的影響[58]Fig. 8. Experimental results of control performance with respect to the movements of rigid sphere[58].

4 討論與展望

綜上所述, 復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中人耳附近空間降噪的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究目前已取得一定進(jìn)展, 無(wú)論是AHR還是VSB方法, 理論、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)均已驗(yàn)證了其可行性, 即在噪聲來(lái)自于多個(gè)方向的復(fù)雜噪聲場(chǎng)中, 在低頻段產(chǎn)生一定大小的靜區(qū)是可行的. 這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn), 目前距實(shí)際應(yīng)用均存在一定距離.

AHR系統(tǒng)所需控制源數(shù)少, 物理系統(tǒng)簡(jiǎn)單, 但其靜區(qū)范圍較小, 誤差傳聲器需靠近人耳才有較好的降噪效果. 虛擬傳聲器與遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù)可解決誤差傳聲器與人頭沖突的問(wèn)題, 但并沒(méi)有解決靜區(qū)范圍小的問(wèn)題. 此外, 人頭移動(dòng)還引起聲場(chǎng)傳遞函數(shù)變化, 虛擬傳聲器或近端傳聲器的估計(jì)誤差增大也導(dǎo)致性能下降. 使用頭部定位系統(tǒng)跟蹤人頭移動(dòng)位置, 降低估計(jì)誤差可提升效果, 但需要存儲(chǔ)傳遞函數(shù)數(shù)據(jù), 且使系統(tǒng)變得復(fù)雜和昂貴.

VSB系統(tǒng)靜區(qū)范圍較大, 局限性在于降噪有效頻率不夠高, 所需控制源個(gè)數(shù)多, 系統(tǒng)復(fù)雜度和成本較高. 以文獻(xiàn)[21]所述16通道VSB系統(tǒng)為例, 在半徑0.2 m高為0.2 m的圓柱形區(qū)間獲得10 dB降噪的有效頻率上限大約為550 Hz, 若尺寸不變,擬將有效頻率提高一倍, 則控制通道數(shù)需要增加到64個(gè), 較難實(shí)際應(yīng)用.

靜區(qū)大小與控制源個(gè)數(shù)是一對(duì)矛盾. 為增大有AHR的靜區(qū), 可嘗試的方法包括: 同時(shí)控制誤差點(diǎn)的聲壓與質(zhì)點(diǎn)速度[29]; 增加控制聲源使用同一輸出形成優(yōu)化的指向性[28], 以及增加控制源個(gè)數(shù)[61].對(duì)于遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù), 可研究在復(fù)雜聲場(chǎng)中如何提高預(yù)測(cè)精度, 例如嘗試使用圓環(huán)狀的遠(yuǎn)程傳聲器分布; 還可研究高性價(jià)比的人頭位置跟蹤技術(shù). 對(duì)于VSB系統(tǒng)而言, 需要考慮如何增加系統(tǒng)的有效頻率和作用空間, 或在同樣降噪效果情況下減少通道數(shù), 可嘗試的研究方向包括:

1) 采用聲能量密度作為代價(jià)函數(shù), 通過(guò)同時(shí)獲得聲場(chǎng)某點(diǎn)的聲壓和三個(gè)正交方向的質(zhì)點(diǎn)速度來(lái)獲得聲能量密度[54].

2) 對(duì)VSB系統(tǒng)聲源的指向性特性進(jìn)行優(yōu)化,或采用雙層聲源陣列和雙層傳聲器陣列設(shè)計(jì)VSB系統(tǒng)[62,63].

3) 采用主被動(dòng)混合控制的VSB系統(tǒng), 例如通過(guò)將有源噪聲控制系統(tǒng)的控制聲源和若干無(wú)源聲學(xué)隔板間隔布放, 或者將控制聲源放置在類似墻角的專門設(shè)計(jì)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)中, 通過(guò)主被動(dòng)結(jié)合來(lái)達(dá)到減少控制通道的目的[64]. VSB系統(tǒng)完全采用揚(yáng)聲器陣列和信號(hào)處理的方法來(lái)進(jìn)行聲場(chǎng)控制, 而主被動(dòng)混合VSB系統(tǒng)則通過(guò)在聲學(xué)邊界上引入具有不同阻抗的被動(dòng)聲學(xué)隔板和能自適應(yīng)調(diào)整的主動(dòng)聲源共同作用, 達(dá)到聲場(chǎng)控制的目的.

早期有源聲屏障研究的應(yīng)用場(chǎng)景通常為戶外噪聲環(huán)境, 靜區(qū)范圍很大[5-8]. 近年來(lái)針對(duì)開放式辦公空間的隔斷也展開了研究, 靜區(qū)為人耳附近空間[65,66]. 噪聲源位于隔斷一側(cè), 將控制源布放于隔斷頂部形成有源聲屏障, 以降低隔斷另一側(cè)的座椅頂部 40 cm邊長(zhǎng)區(qū)域的噪聲, Huang等[65]的研究表明可在 500 Hz以下頻段可獲得 10 dB 降噪, 相比于側(cè)墻, 房頂?shù)姆瓷鋵?duì)降噪效果的負(fù)面影響更大. Wang等[66]在隔斷上應(yīng)用前反饋結(jié)合的有源降噪系統(tǒng), 相比僅使用反饋或前饋系統(tǒng)性能更優(yōu), 仿真結(jié)果表明對(duì)于60 cm邊長(zhǎng)的平面測(cè)量區(qū)域, 在250 Hz 和 500 Hz 的倍頻程分別獲得 5 dB 與 3 dB左右的降噪量. 這表明噪聲來(lái)自某一特定方向特定場(chǎng)合, 利用有源聲屏障在人耳附近產(chǎn)生靜區(qū)是可行的, 目前研究?jī)H限于仿真, 且誤差傳感器布放于遠(yuǎn)場(chǎng), 可進(jìn)一步結(jié)合遠(yuǎn)程傳聲器技術(shù)并展開實(shí)驗(yàn)研究.

以上分析與討論針對(duì)的是相關(guān)物理系統(tǒng), 而具體降噪系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還涉及到系統(tǒng)和算法的研究. 如討論適用于復(fù)雜環(huán)境的具強(qiáng)魯棒性的非自適應(yīng)算法[67], 在自適應(yīng)算法上, 除常規(guī)地針對(duì)算法的收斂速度、穩(wěn)定性、降噪效果、計(jì)算效率等因素進(jìn)行分析外, 還可研究算法對(duì)非理想抵消路徑模型的魯棒性和穩(wěn)定性條件以及濾波器階數(shù)不足對(duì)算法性能的影響, 研究無(wú)次級(jí)通道建模的自適應(yīng)算法. 另外針對(duì)VSB系統(tǒng)的高復(fù)雜度和高成本, 還可從前饋、反饋、前反饋混合控制結(jié)構(gòu)以及集中和非集中控制策略等方面進(jìn)行探索.

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中人耳附近空間降噪問(wèn)題,介紹了AHR和VSB技術(shù)的發(fā)展歷史、原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用. AHR系統(tǒng)需要較少控制源, 系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn), 但靜區(qū)范圍較小, 結(jié)合虛擬傳聲器技術(shù)和人頭跟蹤技術(shù)后可實(shí)現(xiàn)隨人頭移動(dòng)的靜區(qū), 降噪頻率可達(dá)中高頻; VSB產(chǎn)生的靜區(qū)范圍較大, 但控制源個(gè)數(shù)較多, 系統(tǒng)復(fù)雜和成本高, 可通過(guò)代價(jià)函數(shù)和控制源優(yōu)化, 以及主被動(dòng)混合控制技術(shù)來(lái)提高有效頻率范圍和減少控制源個(gè)數(shù). 無(wú)論是AHR還是VSB方法, 理論、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)均已驗(yàn)證了其可行性, 即在噪聲來(lái)自于多個(gè)方向的復(fù)雜噪聲場(chǎng)中, 在低頻段產(chǎn)生一定大小的靜區(qū)是可行的. 這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn), 目前距實(shí)際應(yīng)用均有一定距離. 未來(lái)最有可能實(shí)用的方法是針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景, 將這兩種方法綜合應(yīng)用, 結(jié)合虛擬傳聲器和聲場(chǎng)預(yù)測(cè)技術(shù), 采用主被動(dòng)混合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中人耳附近空間的有效降噪.