陳 澤 江凱麗

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

“嘯叫”[1-3]，即是擴(kuò)聲系統(tǒng)放出的聲波有一部分被受話器收聲串入系統(tǒng)內(nèi)部，當(dāng)聲波信號(hào)滿足自激振蕩的條件時(shí)，即使沒(méi)有外部輸入，擴(kuò)聲系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出尖銳的單頻音，這就是嘯叫現(xiàn)象。嘯叫現(xiàn)象在擴(kuò)聲系統(tǒng)中非常常見(jiàn)，嘯叫會(huì)破壞音響的效果，影響在場(chǎng)人員的聽(tīng)覺(jué)感受；而且嘯叫時(shí)間長(zhǎng)了，音響、功放等設(shè)備很容易因信號(hào)過(guò)強(qiáng)而燒毀損壞。這種現(xiàn)象直接制約了擴(kuò)聲系統(tǒng)的音量最大增益，是擴(kuò)音技術(shù)的難點(diǎn)、痛點(diǎn)。

1 飛機(jī)嘯叫現(xiàn)象危害

在民用飛機(jī)上，當(dāng)揚(yáng)聲器打開(kāi)機(jī)組成員發(fā)話同時(shí)側(cè)音(自聽(tīng)音)處于激活的狀態(tài)時(shí)，駕駛艙內(nèi)的麥克風(fēng)、音頻放大設(shè)備、揚(yáng)聲器構(gòu)成一個(gè)典型的擴(kuò)音系統(tǒng)。駕駛艙是一個(gè)封閉的小空間，揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)離得近，如果設(shè)計(jì)時(shí)不做考慮，很容易產(chǎn)生“嘯叫”現(xiàn)象[4-5]。嘯叫的危害很大：

1)駕駛艙被尖銳刺耳的嘯叫聲淹沒(méi)，會(huì)使飛行機(jī)組難以忍受且聽(tīng)不到其他聲音，甚至無(wú)法使用語(yǔ)音通信和音響告警系統(tǒng)，影響飛行安全；

2)嘯叫時(shí)輸入信號(hào)過(guò)強(qiáng)，時(shí)間一長(zhǎng)容易燒毀音頻功放及揚(yáng)聲器，減少設(shè)備使用壽命。

當(dāng)駕駛艙發(fā)生嘯叫時(shí)應(yīng)立即將激活的麥克風(fēng)遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器，松開(kāi)麥克風(fēng)按壓發(fā)話開(kāi)關(guān)(PTT)，如再需要發(fā)話可調(diào)小揚(yáng)聲器音量，或者關(guān)閉揚(yáng)聲器并使用耳機(jī)監(jiān)聽(tīng)。

2 嘯叫生成條件

當(dāng)聲音信號(hào)通過(guò)擴(kuò)聲喇叭輸出時(shí)，經(jīng)過(guò)周圍物體的反射與折射，再次進(jìn)入麥克風(fēng)作為信號(hào)輸入，即產(chǎn)生反饋信號(hào)。當(dāng)產(chǎn)生的反饋信號(hào)相位與原有信號(hào)相位相同時(shí)，輸入信號(hào)將被放大，反饋信號(hào)幅度大于原有信號(hào)幅度，如此循環(huán)往復(fù)，將輸入信號(hào)不斷放大，將產(chǎn)生自激振蕩，即嘯叫現(xiàn)象[5]。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，嘯叫產(chǎn)生的條件需要滿足以下三點(diǎn)：

1)擴(kuò)聲喇叭與送話器同時(shí)工作；

2)喇叭發(fā)出的聲音通過(guò)空間可以傳到送話器；

3)擴(kuò)聲喇叭發(fā)出的聲壓足夠大，麥克風(fēng)的靈敏度足夠高；

總結(jié)其產(chǎn)生的原因的本質(zhì)，嘯叫產(chǎn)生必須同時(shí)滿足以下兩點(diǎn)：

1)相位條件：反饋到傳聲器的聲波信號(hào)與傳聲器原聲輸入的聲波信號(hào)同相位；

2)振幅條件：反饋增益大于1，即聲反饋環(huán)路為正反饋。

Sin是音源信號(hào)，即希望被擴(kuò)聲系統(tǒng)放大的信號(hào)；Sfb是反饋信號(hào)，是不希望被放大的信號(hào)；Ssum是反饋信號(hào)和音源信號(hào)之和；F(z)是反饋路徑。當(dāng)滿足正反饋產(chǎn)生的條件時(shí)，擴(kuò)聲系統(tǒng)將產(chǎn)生自激振蕩，這種現(xiàn)象被稱為嘯叫[6-7]。

系統(tǒng)輸出至揚(yáng)聲器的信號(hào)見(jiàn)式(1)：

Sout=Ssum×A(z)=(Sin+Sfb)×A(z)

(1)

反饋信號(hào)見(jiàn)式(2)：

Sfb=Sout×F(z)

(2)

將式(2)帶入式(1)得：

Sout=Sin×A(z)+Sout×F(z)×A(z)

(3)

由式(3)得閉環(huán)傳遞函數(shù)：

(4)

閉環(huán)傳遞函數(shù)存在閉環(huán)極點(diǎn)。擴(kuò)聲系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

T(z)=F(z)×A(z)

(5)

如果公式(4)的極點(diǎn)出現(xiàn)在單位圓外或單位圓上時(shí)，則表示系統(tǒng)不穩(wěn)定[8]。根據(jù)Nyquist原理，得到系統(tǒng)的振蕩條件為：

(6)

式中，k為整數(shù)。

公式(6)中的兩個(gè)公式分別表示擴(kuò)聲系統(tǒng)出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象的相位條件和幅度條件，只有當(dāng)輸入信號(hào)頻率滿足公式(6)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。如圖1所示，首先，聲源信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并放大后，再通過(guò)揚(yáng)聲器輸出，由于周圍環(huán)境物體的折射和反射，有一部分信號(hào)反饋到麥克風(fēng)。當(dāng)反饋到麥克風(fēng)的信號(hào)中有部分頻率分量相位剛好移動(dòng)2kπ，且幅度保持不變，就同時(shí)滿足了系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩的相位條件和幅度條件。此時(shí)，即使麥克風(fēng)沒(méi)有輸入信號(hào)，反饋信號(hào)也會(huì)持續(xù)輸入，揚(yáng)聲器發(fā)出尖銳的單頻音，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生嘯叫[9-10]。

圖1 正反饋框圖

3 避免嘯叫的方法

3.1 斷開(kāi)環(huán)路

根據(jù)上文分析的嘯叫成因，只要在任意環(huán)節(jié)斷開(kāi)正反饋環(huán)路就可以消除嘯叫。

空客A319和A320系列飛機(jī)的處理方法是，當(dāng)駕駛艙機(jī)組成員使用手持話筒發(fā)話時(shí)，揚(yáng)聲器會(huì)自動(dòng)靜默側(cè)音(即機(jī)組成員的手持話筒PTT(按壓發(fā)話)信號(hào)會(huì)抑制揚(yáng)聲器側(cè)音發(fā)聲)。針對(duì)側(cè)音，這種措施使駕駛內(nèi)的揚(yáng)聲器及手持話筒不同時(shí)工作，建立不了擴(kuò)音系統(tǒng)，揚(yáng)聲器不出聲，自然不會(huì)產(chǎn)生嘯叫。

3.2 從環(huán)境上來(lái)減輕

駕駛艙空間不大，聲波擴(kuò)散不良，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音被內(nèi)飾表面反射甚至共振加強(qiáng)串入麥克風(fēng)，一旦相位幅值條件滿足公式(6)，就會(huì)出現(xiàn)嘯叫。所以駕駛艙內(nèi)飾使用吸聲材料，減小反射回麥克風(fēng)的聲音是有必要的。

駕駛艙的具體形狀和實(shí)際的聲學(xué)狀況，都有可能是嘯叫的形成原因。分析時(shí)，可將駕駛艙視為一個(gè)聲學(xué)共振腔體，部分聲音信號(hào)會(huì)在腔體共振的作用下有一定程度的加強(qiáng)。考慮到駕駛艙形狀和容積不同，根據(jù)建聲原理，不同駕駛艙的共振頻率(此頻率聲音在原本基礎(chǔ)上得到加強(qiáng))也是不盡相同。另外，針對(duì)駕駛艙內(nèi)部不同的內(nèi)飾吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)，對(duì)不同頻率聲音的反射能力和吸收能力也不同，且不同材料之間的差別往往很大。由此可以看出，駕駛艙內(nèi)聲學(xué)狀態(tài)對(duì)于飛機(jī)音頻系統(tǒng)的聲音信號(hào)反饋起著相當(dāng)重要的作用。

3.3 揚(yáng)聲器布置

使麥克風(fēng)遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器，顯然能避免嘯叫現(xiàn)象產(chǎn)生。這就對(duì)揚(yáng)聲器的布置提出了要求，需要結(jié)合駕駛艙實(shí)際的聲學(xué)環(huán)境進(jìn)行布置，揚(yáng)聲器指向角度避開(kāi)發(fā)聲源，即避免直接指向飛行員正常坐姿發(fā)話時(shí)使用的麥克風(fēng)；同時(shí)要保證揚(yáng)聲器不能太遠(yuǎn)離飛行機(jī)組的耳朵，過(guò)遠(yuǎn)導(dǎo)致飛行員聽(tīng)到揚(yáng)聲器的音量變小。

3.4 適當(dāng)降低靈敏度和揚(yáng)聲器音量

麥克風(fēng)的靈敏度高，更容易出現(xiàn)嘯叫；需要注意的是，擴(kuò)音系統(tǒng)是否出現(xiàn)嘯叫并不是由麥克風(fēng)的靈敏度決定的。雖然降低揚(yáng)聲器音量也是避免嘯叫的一種手段，但這樣會(huì)直接降低了駕駛艙音量，可能導(dǎo)致飛行員無(wú)法聽(tīng)清。這也說(shuō)明大音量增益和防嘯叫在工程設(shè)計(jì)中是需要折衷的。

3.5 擴(kuò)聲系統(tǒng)內(nèi)部

1)使擴(kuò)音系統(tǒng)的頻響曲線平坦

使擴(kuò)音系統(tǒng)的頻響曲線盡量平坦，消除曲線尖峰現(xiàn)象。任何一套擴(kuò)音系統(tǒng)，都做不到理想平直的幅頻響應(yīng)曲線。實(shí)際的系統(tǒng)幅頻響應(yīng)曲線會(huì)在某些頻率點(diǎn)出現(xiàn)尖峰毛刺，音頻信號(hào)在這些尖峰處的頻率點(diǎn)過(guò)度放大，所以擴(kuò)聲時(shí)在這些信號(hào)過(guò)度放大的頻率點(diǎn)就容易產(chǎn)生自激震蕩，出現(xiàn)音響系統(tǒng)嘯叫[3]。

2)聲反饋抑制技術(shù)

音響系統(tǒng)出現(xiàn)嘯叫是由于正反饋使音頻信號(hào)中的某些頻點(diǎn)不斷被加強(qiáng)而造成的，如果把這些頻點(diǎn)分量濾除或進(jìn)行大幅度衰減，就可以有效抑制聲反饋。反饋抑制器正是根據(jù)這一思想設(shè)計(jì)的。反饋抑制器工作原理是：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)快速掃描、自動(dòng)尋找出發(fā)生嘯叫的音頻信號(hào)頻率，并自動(dòng)生成一組與這些嘯叫頻率相同的窄帶濾波器來(lái)濾除嘯叫頻率信號(hào)，從而達(dá)到自動(dòng)抑制嘯叫、消除聲反饋的目的。

如圖2所示，一個(gè)典型的反饋抑制器是由模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D變換器、窄帶數(shù)字濾波器組、數(shù)字信號(hào)處理器、反饋中心頻率檢測(cè)器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A變換器等組成。

圖2 反饋抑制器原理框圖

音頻信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，分別送入數(shù)字信號(hào)處理器和反饋中心頻率檢測(cè)器；反饋中心頻率檢測(cè)器不斷地對(duì)輸入的數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行快速掃描，自動(dòng)搜尋嘯叫頻率；一旦找到嘯叫頻率，反饋中心頻率檢測(cè)器就會(huì)立即控制數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)定這一頻率，使用一個(gè)與該頻率相同的窄帶數(shù)字濾波器來(lái)濾除或衰減這個(gè)頻率信號(hào)，從而抑制聲反饋嘯叫[5]。

雖然在窄帶數(shù)字濾波器濾除嘯叫頻率的同時(shí)，音頻信號(hào)中的這一頻率也被濾除掉了，但由于窄帶數(shù)字濾波器的頻帶非常窄，濾除嘯叫頻率這一過(guò)程對(duì)音頻信號(hào)的頻譜影響小，對(duì)音頻信號(hào)的音質(zhì)影響小。

3)自適應(yīng)聲反饋消除技術(shù)

如果能直接在音頻設(shè)備內(nèi)部識(shí)別出反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)濾除，可以更好的保證音頻信號(hào)的音質(zhì)[5]。自適應(yīng)聲反饋消除技術(shù)的主要原理是使用自適應(yīng)濾波器對(duì)反饋聲音信號(hào)進(jìn)行近似逼近，最后在輸入端得到的混合信號(hào)(混合信號(hào)包含了反饋信號(hào))中減去濾波器生成的近似反饋聲音，以此達(dá)到抑制聲反饋的目的。如圖3所示，是一個(gè)典型的自適應(yīng)聲反饋消除原理框圖。其中，H(z)表示參數(shù)可調(diào)濾波器，跟隨Sc信號(hào)自適應(yīng)調(diào)整；Sin為整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)真正需要放大的信號(hào)；Sfb為聲反饋信號(hào)；Ssum為麥克風(fēng)信號(hào)；Sout用以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器并作為濾波器H(z)的輸入；Sfb′為自適應(yīng)濾波器H(z)對(duì)聲反饋信號(hào)Sfb的估計(jì)。Sfb′近似等于Sfb，從而保證送入A(z)進(jìn)行放大的信號(hào)Sc近似等于需要放大的有用信號(hào)Sin。這種方法對(duì)音頻信號(hào)的頻譜影響很小，所以幾乎不影響音頻信號(hào)的音質(zhì)。

圖3 自適應(yīng)聲反饋消除原理框圖

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)之初如果未考慮周全，在飛機(jī)駕駛艙這樣的封閉小空間，很容易產(chǎn)生“嘯叫”現(xiàn)象。嘯叫的危害很大，不僅影響到音頻設(shè)備使用壽命及嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響到飛行安全。

除了使用吸音材料、揚(yáng)聲器布置等物理方法，在機(jī)載音頻設(shè)備內(nèi)部集成聲反饋抑制算法也是避免音頻系統(tǒng)出現(xiàn)嘯叫的有效辦法。