主動降噪技術(shù)應(yīng)用于船舶艙室的可行性分析

李 鵬，高小平，陳梅清，宋 震

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

在《中國制造2025》[1]中，船舶制造業(yè)作為我國制造業(yè)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，急需向高端制造轉(zhuǎn)型，提升船舶設(shè)計建造的水平。在看待船舶建造的觀點理念上，目前仍然過于強調(diào)船舶功能性，而對船舶艙室舒適性和對使用者的人文關(guān)懷重視程度不夠。對于某些使用人員需要長期生活其中的艦船，如豪華郵輪、遠洋貨運船、大型遠洋軍艦等，住艙等生活艙室的聲環(huán)境系統(tǒng)是直接面對使用人員的一種重要船用系統(tǒng)。船舶各個艙室中集成了眾多的電氣化設(shè)備，這些設(shè)備在狹小的空間中不可避免會發(fā)生共振，造成嚴重的空氣噪聲干擾，這給船上人員的身心健康造成了不良影響。

噪聲控制可以從噪聲源、噪聲傳播途徑和噪聲接受者三方面著手。傳統(tǒng)的噪聲控制手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、阻尼減振等，這些處理手段主要是通過降低噪聲的能量來達到降低噪聲的目的，屬于被動降噪的控制方式[2]。主動降噪技術(shù)是通過對噪聲信號采集，對噪聲信息進行處理，主動發(fā)出控制信號，推動揚聲器與噪聲信號疊加，從而達到降低噪聲的目的。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，主動降噪技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展。

1 船舶艙室噪聲環(huán)境

船舶艙室噪聲環(huán)境較為復(fù)雜，通過對船舶噪聲的現(xiàn)場測試，摒除不可預(yù)測的噪聲因子，船舶艙室噪聲基本可分為船舶運行時內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，以及船舶外部噪聲。

1.1 船舶內(nèi)部噪聲分析

船舶內(nèi)部噪聲源很多，其中發(fā)動機、煙囪、空調(diào)等噪聲最為常見。對于靠近船舶機艙的值班室、底層住艙而言，發(fā)動機噪聲最為明顯，本節(jié)著重分析常見的船用柴油機噪聲。

通過現(xiàn)場測試，記錄下了某型船舶大功率柴油機聲音文件。通過Matlab 分析，可將聲音文件的振幅和頻率展開。其中，Matlab 函數(shù)庫中無對應(yīng)函數(shù)，可借用已有函數(shù)進行分析。

經(jīng)過對船用柴油機噪聲文件的分析，柴油機所發(fā)出的噪聲為單調(diào)的頻譜及諧波構(gòu)成；噪聲的頻率與柴油機的轉(zhuǎn)速成正比，詳見圖1。

圖 1 船用柴油機噪聲文件分析Fig. 1 Marine diesel engine noise file analysis

船用柴油機轉(zhuǎn)速較低，一般正常航行時轉(zhuǎn)速為80～170 r/min，其噪聲主要集中在不超過180 Hz 的低頻段。

1.2 船舶外部噪聲分析

海浪是最為常見的船舶外部噪聲源。通過對現(xiàn)場測試的海浪聲音文件，應(yīng)用Matlab 分析，采用編制的soundfft（file）程序?qū)⒄穹皖l率展開，詳見圖2。

圖 2 海浪噪聲文件分析Fig. 2 Analysis of wave noise file

海浪的聲音頻譜比較復(fù)雜，不過其噪聲也主要集中在不超過300 Hz 的低頻段。

2 主動降噪技術(shù)應(yīng)用可行性分析

船舶艙室有自身模式特征，這些特征為主動降噪技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的舞臺。

2.1 船舶艙室房間模式分析

目前，應(yīng)用主動降噪技術(shù)的耳機早已問世[3]，部分汽車中也配置了有源降噪設(shè)備，以提供舒適的駕乘環(huán)境[4]。然而，類似旅館、酒店等大空間中，尚無主動降噪技術(shù)應(yīng)用的案例。究其原因，由于大空間聲場的復(fù)雜性，主動降噪技術(shù)無法處理次級聲源的數(shù)目與聲模態(tài)的匹配關(guān)系，因此實現(xiàn)大空間的主動降噪研究鮮有人涉及[5]。

另外，主動降噪效果與噪聲頻率有關(guān)，噪聲頻率在低頻范圍內(nèi)，即f≤500 Hz 時主動降噪技術(shù)能明顯降低噪聲，實現(xiàn)降噪效果[6]。

2.2 主動降噪技術(shù)原理

在主動降噪技術(shù)領(lǐng)域的研究中，通常將有待控制的聲場稱為初級聲場（primary sound field），其聲源稱為初級聲源，所產(chǎn)生的噪聲為初級噪聲。而用于抵消該初級噪聲的反相噪聲稱為次級噪聲，次級噪聲形成的聲場稱為次級聲場（secondary sound field），產(chǎn)生次級噪聲的聲源則稱為次級聲源。在空間中的某一點，通過初級噪聲與次級噪聲的相消性干涉達到降噪目的的噪聲控制方式即為主動降噪（active noise control）[7]。

主動降噪系統(tǒng)包括兩部分：傳感—作動系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)。傳感—作動系統(tǒng)中的傳感器包括參考傳聲器和誤差傳聲器（均為麥克風(fēng)陣列）；作動器為產(chǎn)生次級聲場的次級聲源（揚聲器系統(tǒng)）?？刂破飨到y(tǒng)包括硬件（平臺）和軟件（算法）?？刂破飨到y(tǒng)硬件一般可分為模擬和數(shù)字2 種，其中，數(shù)字信號處理器的功能要明顯強于模擬信號處理器，可以實現(xiàn)多通道自適應(yīng)的主動降噪系統(tǒng)運算。

2.3 主動降噪技術(shù)應(yīng)用分析

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過合理布置揚聲器陣列與麥克風(fēng)位置，可在一定的區(qū)域內(nèi)有效實現(xiàn)主動降噪效果[8]。

很多船舶艙室靠近機艙，值班人員的休息會受到發(fā)動機噪聲的很大影響；而靠近窗戶的客艙或值班艙室，人員的休息也容易受到海浪噪聲的影響，對存在睡眠障礙的人造成了困擾。這些位置距離噪聲源很近，采用被動降噪方法無法達到滿意效果，而采用主動降噪技術(shù)則提供了解決這些噪聲困擾的方法。該方法是在這些人員休息的位置，即床頭位置設(shè)置為主動降噪?yún)^(qū)域。一方面，這些位置面對的噪聲環(huán)境皆為低頻噪聲，存在主動降噪的可能性；另一方面，封閉空間的一定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)主動降噪，在技術(shù)上是可行的。

3 主動降噪技術(shù)應(yīng)用路線

船舶艙室應(yīng)用主動降噪技術(shù)，一方面是對系統(tǒng)硬件搭建的考慮，另一方面是對控制算法的探討[9]。下面以硬件系統(tǒng)為例，討論船舶艙室用主動降噪技術(shù)路線。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

主動降噪硬件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括原始噪音的采集、降噪?yún)^(qū)域剩余噪音的采集、數(shù)字信號處理器、主動降噪揚聲器及其驅(qū)動模塊、調(diào)試用ENET 接口等部分。主動降噪系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖 3 主動降噪硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 Structure diagram of active noise reduction hardware system

3.2 數(shù)字信號處理器

高速微信號處理器用于處理降噪算法，具備六級、順序、雙發(fā)射超標(biāo)量流水線、指令和數(shù)據(jù)高速緩存、分支預(yù)測、SIMD 支持、緊耦合內(nèi)存（TCM）等特點。另外其內(nèi)部集成了DSP 指令集，支持硬件級別的單精度、雙精度浮點運算。高速的數(shù)據(jù)處理能力、較低的成本和功耗、高可靠性使其很適合作為船舶用主動降噪系統(tǒng)的主處理器。

3.3 麥克風(fēng)陣列

麥克風(fēng)主要用于收集環(huán)境中的噪聲，并通過音頻ADC 轉(zhuǎn)化成數(shù)字序列送入數(shù)字信號處理器進行處理。麥克風(fēng)陣列的布置需要經(jīng)過大量仿真與實驗。

3.4 揚聲器系統(tǒng)

揚聲器系統(tǒng)包括音頻DAC、低噪聲大功率功放電路和揚聲器，用于將數(shù)字信號處理器計算出的信息通過揚聲器執(zhí)行。執(zhí)行過程通過產(chǎn)生與噪聲信號反相位、同幅度的信號以抵消空間中的噪聲信號。

4 結(jié) 語

目前，主動降噪技術(shù)在部分領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，但在許多領(lǐng)域仍存在空白。一方面，其應(yīng)用受到需消除的噪聲對象的影響較大，很多受到噪聲影響的空間處在中高頻段，或無法確定頻率范圍，應(yīng)用主動降噪技術(shù)效果并不明顯；另一方面，主動降噪技術(shù)應(yīng)用門檻較高，針對不同應(yīng)用場合均要有相應(yīng)的技術(shù)方案，可應(yīng)用的場合也不一定適合開發(fā)針對性產(chǎn)品。船舶艙室屬于既適合應(yīng)用該技術(shù)，也具備大規(guī)模開發(fā)針對性產(chǎn)品的領(lǐng)域。