主動(dòng)降噪技術(shù)在航空外場中的應(yīng)用

于寶成，李海山，王春梅*，劉艦維

1.武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205；3.湖北省智能焊接裝備工程技術(shù)開發(fā)中心（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

主動(dòng)降噪技術(shù)在航空外場中的應(yīng)用

于寶成1，2,3，李海山1，2，王春梅1，2,3*，劉艦維1，2,3

1.武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205；3.湖北省智能焊接裝備工程技術(shù)開發(fā)中心（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

為了降低航空外場的環(huán)境噪聲，提出了一種將主動(dòng)降噪技術(shù)運(yùn)用在航空外場中的方案.用音頻和聲學(xué)分析儀對航空外場發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲進(jìn)行采集，得出航空外場噪聲的頻譜圖；通過主動(dòng)降噪芯片AS3502以及相關(guān)的硬件電路對頻譜圖中頻率范圍為800Hz以下的低頻噪聲進(jìn)行降噪處理，得到處理后的音頻信號，并通過Matlab仿真顯示；將仿真結(jié)果與經(jīng)過物理隔音處理后的噪音信號進(jìn)行對比和分析.結(jié)果表明主動(dòng)降噪技術(shù)在低頻范圍內(nèi)可將總體信噪比提高6dB，有效地降低航空外場的噪聲.

發(fā)動(dòng)機(jī)噪音；主動(dòng)降噪技術(shù)；噪聲過濾設(shè)備

0 引言

在航空外場工作的機(jī)務(wù)人員的環(huán)境中充斥著強(qiáng)大的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，由于缺乏有效的噪聲過濾設(shè)備，導(dǎo)致機(jī)務(wù)人員的聽力和心臟等器官都會(huì)受到了不同程度的損傷，從而不能有效的完成工作.與此同時(shí)，在強(qiáng)大的噪聲干擾下，機(jī)務(wù)人員通常只能采用打手勢的方式進(jìn)行交流，而無法通過語音有效地傳遞信息，嚴(yán)重影響了機(jī)務(wù)人員的工作效率，因此廣大機(jī)務(wù)人員迫切需要一種能夠有效消除噪聲損害和干擾的微型設(shè)備.

由于電子技術(shù)和大規(guī)模集成芯片技術(shù)在我國起步較晚，早期生產(chǎn)的無線耳機(jī)體積大、重量重、過濾效果不理想，導(dǎo)致此類設(shè)備未能得到推廣.然而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使得過去需要用龐大的電子電路才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在只需要一塊小如指甲蓋的ARM芯片就能實(shí)現(xiàn)．本文就是利用此類芯片實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪技術(shù)［1］，可以有效的解決機(jī)務(wù)人員長期以來迫切希望解決的噪音損害難題.

1 采集和分析航空外場噪聲

為分析航空外場噪聲的特性，分別在航空外場飛機(jī)周圍安裝多個(gè)音頻和聲學(xué)分析儀采集噪聲數(shù)據(jù).音頻和聲學(xué)分析儀使用NTI AUDIO公司的XL2型號儀器，麥克風(fēng)采用符合級別1技術(shù)指標(biāo)的M2210.

圖1是航空外場飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作情況下的頻譜，從圖中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的低頻噪聲是噪聲的主要成分，但是在航空外場為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的危害通長都是通過物理隔音，但是依靠一定厚度的隔音耳罩進(jìn)行物理隔音的效果有限，經(jīng)過試驗(yàn)表明，隔音耳罩對800 Hz以上的的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲表現(xiàn)出較好的抑制效果，對800 Hz以下的低頻噪聲，尤其是400 Hz以下的低頻噪聲隔聲效果卻較差.所以為了消除發(fā)動(dòng)機(jī)低頻噪聲，在對低頻信號進(jìn)行降噪時(shí)，最好的方法是采用主動(dòng)降噪技術(shù).

圖1 某航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的頻譜Fig.1 Spectrum of aviation engine noise

2 主動(dòng)降噪技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)

主動(dòng)降噪技術(shù)是從消除噪音本身出發(fā)，主動(dòng)消除干擾，具有降噪效果好、耗能少、價(jià)格低、失真低等優(yōu)點(diǎn)［2－3］.

2.1 主動(dòng)降噪技術(shù)的介紹和基本工作原理

主動(dòng)降噪技術(shù)是通過在隔音耳罩內(nèi)部很接近耳機(jī)內(nèi)部的揚(yáng)聲器處放置一個(gè)麥克風(fēng)，如圖2所示，該麥克風(fēng)可對人耳聽到的噪聲進(jìn)行采樣，在經(jīng)過反向、放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生一個(gè)“反噪聲”，用來抵消外界通過耳罩傳入的噪聲，只要合理選擇放大器的增益，就可獲得良好的噪聲抵消效果.同時(shí)，為避免自激震蕩，系統(tǒng)還必須有很高的信噪比.

2.2 主動(dòng)降噪技術(shù)方案的硬件實(shí)現(xiàn)

圖2 反饋式主動(dòng)降噪的原理Fig.2 Principle of feedback active noise reduction

針對上述要求，方案選擇奧地利微電子公司最新推出的反饋式主動(dòng)降噪芯片AS3502，該芯片以純模擬方式工作，容易控制延時(shí)，無需CPU干預(yù)，避免了軟件計(jì)算所必須的延時(shí)，還具有低功耗、極高的聲音品質(zhì)和高集成度等優(yōu)點(diǎn).

圖3 AS3502的反饋式主動(dòng)降噪電路原理圖Fig.3 Circuit schematic diagram of AS3502

在該方案中，采用的是一款性能精良的麥克風(fēng)放大器，每個(gè)增益的調(diào)整都非常精準(zhǔn)，且在其內(nèi)部采用的是低功耗的運(yùn)算放大器，在配合外部濾波器的情況下，可以精準(zhǔn)地還原和補(bǔ)償外界環(huán)境造成的一些失真.有效的濾除發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，為在航空外場的工作人員營造了一個(gè)舒適的工作環(huán)境.

2.3 測試結(jié)果與分析

通過MATLAB［5］對經(jīng)過主動(dòng)降噪技術(shù)處理之后的語音信號和經(jīng)過物理隔音處理的語音信號進(jìn)行對比.

通過物理隔音處理前的信號和經(jīng)過主動(dòng)降噪技術(shù)處理后的信號都交給MATLAB進(jìn)行性能分析.在分析完數(shù)據(jù)后MATLAB將畫出相應(yīng)的曲線圖來輸出分析結(jié)果.本文是將10 000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，一組200個(gè)數(shù)據(jù)，分別對每組數(shù)據(jù)求信噪比，一共50個(gè)值，即采到的50個(gè)點(diǎn)，一個(gè)周期內(nèi)的信噪比作為此采樣點(diǎn)的值.這樣可以使圖中的信噪比曲線穩(wěn)定一些.

在圖4中經(jīng)過物理隔音處理過的信號的總體信噪比是9．5 dB，經(jīng)過主動(dòng)降噪技術(shù)處理過的信號總體的信噪比是15．5 dB.由此可知在經(jīng)過主動(dòng)降噪技術(shù)處理后，總體信噪比提高了6 dB.從圖4中還可以看出信號的信噪比最大提高15 dB.

通過對信噪比性能指標(biāo)的分析，主動(dòng)降噪技術(shù)的消噪性能是有效的，能在環(huán)境變化時(shí)平滑過渡，提高輸出信號的質(zhì)量.可以為在航空外場工作的機(jī)務(wù)人員提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境.

圖4 去除噪聲前后信噪比對比Fig.4 Comparison of SNR

3 結(jié)語

目前主動(dòng)降噪技術(shù)還沒有應(yīng)用到航空外場飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)維修通信過程中，但是已經(jīng)在汽車領(lǐng)域和其他的一些領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用.隨著航空外場機(jī)務(wù)人員對自身工作環(huán)境的舒適度逐漸增加，將主動(dòng)降噪技術(shù)運(yùn)用到航空外場發(fā)動(dòng)機(jī)維修通信過程中已成必然之勢，這將可以有效地濾除機(jī)務(wù)人員工作環(huán)境中強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，為機(jī)務(wù)人員提供舒適的工作環(huán)境.

致謝

感謝武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目和湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目提供的資金支持.

［1］鄧峰，任冬，劉浩，等．主動(dòng)降噪技術(shù)在改善車內(nèi)噪聲上的應(yīng)用［C］//2013中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：北京理工大學(xué)出版社，2013:1373－1379．

DENG Feng，REN Dong，LIU Hao，et al．ANC is Applied on Improving the Vehicle Interior Noise［C］//2013 annual meeting of the China Automotive Engineering Society．2013：1373－1379（in Chinese）

［2］韓國民，李世杰．淺談主動(dòng)降噪耳機(jī)技術(shù)［J］．學(xué)術(shù)論壇，2014（1）：215．

HANG Guo－min，LI Shi－jie．Discussion on the Technology of Active Noise Canceling Earphone［J］．Academic Forum，2014（1）：215．（in Chinese）

［3］趙揚(yáng)，虞和濟(jì)．評述主動(dòng)噪聲控制技術(shù)［J］．噪聲與震動(dòng)控制，1997（4）：6－9．

ZHAO Yang，YU He－ji．Review Active Noise Control te－chnology［J］．Noise and Vibration Control，1997（4）：6－9．（in Chinese）

［4］于俊鵬，郝奕，孫玉剛．主動(dòng)降噪技術(shù)在降低商用車車內(nèi)噪聲中的應(yīng)用［C］//湖北省內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009：92－94．

YU Jun－peng，HAO Yi，SUN Yu－gang．Application of Active Noise Reduction Technology In Reducing the Noise of Commercial Vehicle［C］//2009 academic annual meeting of the internal combustion engine society of Hubei Province.Wuhan:Huazhong University of Science Press，2009：92－94．（in Chinese）

［5］于海寧，李慧艷，王雙維．MATLAB聲音信號處理中的技術(shù)難點(diǎn)分析［J］．電子制作，201（22）：23．

YU Hai－ning，LI Hui－yan，WANG Shuang－wei．Analysis of technical difficulties in MATLAB sound signal processing［J］．Practical Electronics，2013（22）：23．（inChinese）

［6］韓善靈，朱平，林忠欽．主動(dòng)噪聲控制技術(shù)及其在車內(nèi)噪聲控制中的應(yīng)用［J］．機(jī)械，2004（6）：55－58．

HAN Shan－ling，ZHU Ping，LIN Zhong－qin．Active noise control technology and application on automobile cabin noise［J］．Machinery，2004（6）：55－58．（in Chinese）

Application of active noise reduction technology in field of aircraft

YU Bao-cheng1，2，3,LI Hai-shan1，2,WANG Chun-mei1，2，3*,LIU Jian-wei1，2，3
（1．School of Computer Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205；2．Hubei key laboratory of intelligent Robot（wuhan institute of Technology），wuhan 430205，china；3．Hubei Province intelligent welding equipment technology research center，wuhan 430205，china）

To reduce the ambient noise outside the field of aviation,applying a active noise reduction technology in the field of aviation was proposed.We used the audio and acoustic analyzer to collect the engine noise of aviation field and got the spectrogram.We deposed the low frequency noise below 800 Hz by active noise reduction chip AS3502 and hardware circuit,and obtained the audio signals which were simulated by Matlab, Compared the simulated results with the noise signals by the physical insulation,the results show that the active noise reduction technology improves signal-to-noise ratio of the low frequency by 6 dB,effectively reducing the noise outside the field of aviation.

engine noise;active noise reduction technology;noise filtering equipment

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.07.010

1674－2869（2015）07－0045－04

本文編輯：陳小平

2015－05－25

武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2013099）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（D20141502）．

于寶成（1974－），男，河南新鄉(xiāng)人，副教授，博士．研究方向：智能機(jī)器人，機(jī)電系統(tǒng)智能監(jiān)測與控制．*通信聯(lián)系人.