民機駕駛艙揚聲器嘯叫成因研究與抑制方法

陳 澤 江凱麗

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

“嘯叫”[1-3]，即是擴聲系統(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)聲波信號滿足自激振蕩的條件時，即使沒有外部輸入，擴聲系統(tǒng)也會發(fā)出尖銳的單頻音，這就是嘯叫現(xiàn)象。嘯叫現(xiàn)象在擴聲系統(tǒng)中非常常見，嘯叫會破壞音響的效果，影響在場人員的聽覺感受；而且嘯叫時間長了，音響、功放等設(shè)備很容易因信號過強而燒毀損壞。這種現(xiàn)象直接制約了擴聲系統(tǒng)的音量最大增益，是擴音技術(shù)的難點、痛點。

1 飛機嘯叫現(xiàn)象危害

在民用飛機上，當(dāng)揚聲器打開機組成員發(fā)話同時側(cè)音(自聽音)處于激活的狀態(tài)時，駕駛艙內(nèi)的麥克風(fēng)、音頻放大設(shè)備、揚聲器構(gòu)成一個典型的擴音系統(tǒng)。駕駛艙是一個封閉的小空間，揚聲器與麥克風(fēng)離得近，如果設(shè)計時不做考慮，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，會使飛行機組難以忍受且聽不到其他聲音，甚至無法使用語音通信和音響告警系統(tǒng)，影響飛行安全；

2)嘯叫時輸入信號過強，時間一長容易燒毀音頻功放及揚聲器，減少設(shè)備使用壽命。

當(dāng)駕駛艙發(fā)生嘯叫時應(yīng)立即將激活的麥克風(fēng)遠離揚聲器，松開麥克風(fēng)按壓發(fā)話開關(guān)(PTT)，如再需要發(fā)話可調(diào)小揚聲器音量，或者關(guān)閉揚聲器并使用耳機監(jiān)聽。

2 嘯叫生成條件

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

簡單來說，嘯叫產(chǎn)生的條件需要滿足以下三點：

1)擴聲喇叭與送話器同時工作；

2)喇叭發(fā)出的聲音通過空間可以傳到送話器；

3)擴聲喇叭發(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)生必須同時滿足以下兩點：

1)相位條件：反饋到傳聲器的聲波信號與傳聲器原聲輸入的聲波信號同相位；

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

系統(tǒng)輸出至揚聲器的信號見式(1)：

Sout=Ssum×A(z)=(Sin+Sfb)×A(z)

(1)

反饋信號見式(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。擴聲系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

T(z)=F(z)×A(z)

(5)

如果公式(4)的極點出現(xiàn)在單位圓外或單位圓上時，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)中的兩個公式分別表示擴聲系統(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)輸入信號頻率滿足公式(6)時，才會產(chǎn)生自激振蕩。如圖1所示，首先，聲源信號經(jīng)過信號處理模塊，信號處理模塊對信號進行處理并放大后，再通過揚聲器輸出，由于周圍環(huán)境物體的折射和反射，有一部分信號反饋到麥克風(fēng)。當(dāng)反饋到麥克風(fēng)的信號中有部分頻率分量相位剛好移動2kπ，且幅度保持不變，就同時滿足了系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩的相位條件和幅度條件。此時，即使麥克風(fēng)沒有輸入信號，反饋信號也會持續(xù)輸入，揚聲器發(fā)出尖銳的單頻音，系統(tǒng)就會產(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)斷開正反饋環(huán)路就可以消除嘯叫。

空客A319和A320系列飛機的處理方法是，當(dāng)駕駛艙機組成員使用手持話筒發(fā)話時，揚聲器會自動靜默側(cè)音(即機組成員的手持話筒PTT(按壓發(fā)話)信號會抑制揚聲器側(cè)音發(fā)聲)。針對側(cè)音，這種措施使駕駛內(nèi)的揚聲器及手持話筒不同時工作，建立不了擴音系統(tǒng)，揚聲器不出聲，自然不會產(chǎn)生嘯叫。

3.2 從環(huán)境上來減輕

駕駛艙空間不大，聲波擴散不良，揚聲器發(fā)出的聲音被內(nèi)飾表面反射甚至共振加強串入麥克風(fēng)，一旦相位幅值條件滿足公式(6)，就會出現(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際的聲學(xué)狀況，都有可能是嘯叫的形成原因。分析時，可將駕駛艙視為一個聲學(xué)共振腔體，部分聲音信號會在腔體共振的作用下有一定程度的加強?？紤]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)也是不盡相同。另外，針對駕駛艙內(nèi)部不同的內(nèi)飾吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)，對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)對于飛機音頻系統(tǒng)的聲音信號反饋起著相當(dāng)重要的作用。

3.3 揚聲器布置

使麥克風(fēng)遠離揚聲器，顯然能避免嘯叫現(xiàn)象產(chǎn)生。這就對揚聲器的布置提出了要求，需要結(jié)合駕駛艙實際的聲學(xué)環(huán)境進行布置，揚聲器指向角度避開發(fā)聲源，即避免直接指向飛行員正常坐姿發(fā)話時使用的麥克風(fēng)；同時要保證揚聲器不能太遠離飛行機組的耳朵，過遠導(dǎo)致飛行員聽到揚聲器的音量變小。

3.4 適當(dāng)降低靈敏度和揚聲器音量

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。雖然降低揚聲器音量也是避免嘯叫的一種手段，但這樣會直接降低了駕駛艙音量，可能導(dǎo)致飛行員無法聽清。這也說明大音量增益和防嘯叫在工程設(shè)計中是需要折衷的。

3.5 擴聲系統(tǒng)內(nèi)部

1)使擴音系統(tǒng)的頻響曲線平坦

使擴音系統(tǒng)的頻響曲線盡量平坦，消除曲線尖峰現(xiàn)象。任何一套擴音系統(tǒng)，都做不到理想平直的幅頻響應(yīng)曲線。實際的系統(tǒng)幅頻響應(yīng)曲線會在某些頻率點出現(xiàn)尖峰毛刺，音頻信號在這些尖峰處的頻率點過度放大，所以擴聲時在這些信號過度放大的頻率點就容易產(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中的某些頻點不斷被加強而造成的，如果把這些頻點分量濾除或進行大幅度衰減，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)計的。反饋抑制器工作原理是：利用計算機技術(shù)快速掃描、自動尋找出發(fā)生嘯叫的音頻信號頻率，并自動生成一組與這些嘯叫頻率相同的窄帶濾波器來濾除嘯叫頻率信號，從而達到自動抑制嘯叫、消除聲反饋的目的。

如圖2所示，一個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)字信號處理器、反饋中心頻率檢測器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A變換器等組成。

圖2 反饋抑制器原理框圖

音頻信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，分別送入數(shù)字信號處理器和反饋中心頻率檢測器；反饋中心頻率檢測器不斷地對輸入的數(shù)字音頻信號進行快速掃描，自動搜尋嘯叫頻率；一旦找到嘯叫頻率，反饋中心頻率檢測器就會立即控制數(shù)字信號處理器設(shè)定這一頻率，使用一個與該頻率相同的窄帶數(shù)字濾波器來濾除或衰減這個頻率信號，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，音頻信號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程對音頻信號的頻譜影響小，對音頻信號的音質(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)部識別出反饋信號，并將反饋信號濾除，可以更好的保證音頻信號的音質(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)濾波器對反饋聲音信號進行近似逼近，最后在輸入端得到的混合信號(混合信號包含了反饋信號)中減去濾波器生成的近似反饋聲音，以此達到抑制聲反饋的目的。如圖3所示，是一個典型的自適應(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信號自適應(yīng)調(diào)整；Sin為整個擴聲系統(tǒng)真正需要放大的信號；Sfb為聲反饋信號；Ssum為麥克風(fēng)信號；Sout用以驅(qū)動揚聲器并作為濾波器H(z)的輸入；Sfb′為自適應(yīng)濾波器H(z)對聲反饋信號Sfb的估計。Sfb′近似等于Sfb，從而保證送入A(z)進行放大的信號Sc近似等于需要放大的有用信號Sin。這種方法對音頻信號的頻譜影響很小，所以幾乎不影響音頻信號的音質(zhì)。

圖3 自適應(yīng)聲反饋消除原理框圖

4 結(jié)論

在設(shè)計之初如果未考慮周全，在飛機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)重時還會影響到飛行安全。

除了使用吸音材料、揚聲器布置等物理方法，在機載音頻設(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。