關(guān)鍵聽(tīng)覺(jué)區(qū)域主動(dòng)消減聲場(chǎng)裝置設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

王 坤， 崔 博*， 杲修杰， 佘曉俊， 楊紅蓮， 馬科鋒， 李 超，吳禮福， 任曉飛

(1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所， 天津 300050； 2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 南京 210044； 3.北京聲科測(cè)聲學(xué)技術(shù)有限公司， 北京 100015)

1 引言

艙室作業(yè)環(huán)境聲源多，噪聲強(qiáng)度大，特別是各種機(jī)械振動(dòng)和電磁激勵(lì)產(chǎn)生的低頻噪聲控制更為困難[1]，高強(qiáng)度低頻噪聲可造成機(jī)體聽(tīng)覺(jué)損傷以及睡眠、認(rèn)知等繼發(fā)性功能障礙，并引起信息化作業(yè)效能下降[2]，對(duì)信息化作業(yè)信號(hào)識(shí)別等認(rèn)知功能也有不良影響[3]。 艙室型裝備平臺(tái)(包括潛艇、地下陣地等密閉艙室及坦克、裝甲、戰(zhàn)斗機(jī)等半密閉艙室)是當(dāng)前及未來(lái)信息化、智能化等新的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)作戰(zhàn)的重要物理載體。 艙室作業(yè)環(huán)境噪聲，特別是低頻噪聲的有效控制及作業(yè)效能的提升仍是亟待解決的難題。

傳統(tǒng)的護(hù)耳器、被動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)等依靠增加屏蔽材料的被動(dòng)降噪方法，對(duì)于500 Hz 以下低頻降噪效果不夠理想，而且還嚴(yán)重影響艙室信息交流和作業(yè)效能。 利用聲波干涉原理的主動(dòng)降噪(Active Noise Control，ANC)，又稱有源噪聲控制，是低頻降噪的重要手段[4]。 ANC 中最常用的算法是FxLMS 算法，其原理是噪聲源經(jīng)過(guò)次級(jí)通路濾波得到參考信號(hào)進(jìn)行噪聲主動(dòng)控制，多通道FxLMS 算法原理相同，只是運(yùn)算量增加[4]。 根據(jù)艙室作業(yè)模式空間有限的特點(diǎn)，基于聲波干涉的主動(dòng)降噪技術(shù)是解決個(gè)體防護(hù)、保障作業(yè)效能的有效途徑[5]。

適用于艙室降噪的主動(dòng)降噪技術(shù)通常有降噪耳機(jī)[6]與空間降噪裝置[7]。 降噪耳機(jī)直接佩戴在人的頭部，體積較大，佩戴舒適性較差，同時(shí)影響艙室內(nèi)的面對(duì)面語(yǔ)頻信息交流，不適宜艙室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間使用[8]，空間降噪裝置往往成本較高[9]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)三維空間的主動(dòng)降噪裝置開(kāi)展了大量研究，如早期在雙螺旋槳推進(jìn)器飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)的主動(dòng)降噪，獲得了較為理想的降噪效果[10]；姜吉光等[11]在車內(nèi)應(yīng)用主動(dòng)降噪能夠獲得6.6 dB 的降噪量；章月新等[12]研究對(duì)比了多通道主動(dòng)降噪與單通道主動(dòng)降噪效果，對(duì)于低頻窄帶噪聲，多通道系統(tǒng)降噪效果顯著；李卓林等[13]設(shè)計(jì)的雙通道室內(nèi)主動(dòng)降噪器，對(duì)機(jī)械旋轉(zhuǎn)噪聲降噪量達(dá)到6 dB，對(duì)鳴笛聲降噪量達(dá)到9 dB，可滿足一般的室內(nèi)個(gè)人降噪需求。

目前軍事艙室降噪應(yīng)用尚未見(jiàn)大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)道[14]。 本文針對(duì)長(zhǎng)時(shí)程密閉艙室作業(yè)主動(dòng)降噪問(wèn)題，基于前饋、反饋有源噪聲控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種雙通道區(qū)域主動(dòng)消減聲場(chǎng)裝置，實(shí)現(xiàn)人耳附近關(guān)鍵聽(tīng)覺(jué)區(qū)域有源靜音區(qū)的形成，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證降噪效果的有效性。

2 方法

2.1 總體方案

本系統(tǒng)為雙通道主動(dòng)降噪系統(tǒng)，即頭枕內(nèi)包含2 個(gè)次級(jí)聲源。 為使得誤差傳感器準(zhǔn)確地反映到達(dá)人耳的實(shí)際噪聲，將2 個(gè)誤差傳感器分別安裝于人體左右耳旁，整體降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 實(shí)線框內(nèi)為控制器電路，包括前饋控制器和反饋控制器。 實(shí)線框外為參考傳感器、誤差傳感器及揚(yáng)聲器(次級(jí)聲源)。 參考傳聲器獲取噪聲源處的參考信號(hào)，經(jīng)控制器處理后產(chǎn)生控制信號(hào)輸出到次級(jí)聲源，使誤差傳聲器處的噪聲信號(hào)最小。

圖1 整體降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of overall noise reduction system

2.2 設(shè)計(jì)原理

目前常用的自適應(yīng)前饋結(jié)構(gòu)如圖2 陰影部分所示，圖中d(k)、e(k)、v(k)、x(k) 分別是初級(jí)噪聲、誤差信號(hào)、前饋結(jié)構(gòu)的參考信號(hào)和不相關(guān)的噪聲信號(hào)，P(z)、S(z)、S＾(z)、Wf(z) 分別為初級(jí)路徑、次級(jí)路徑、次級(jí)路徑估計(jì)和前饋控制器。 前饋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，但因果性與相干性是影響其性能的主要因素，因果性條件要求參考傳聲器必須先于誤差傳聲器接收到噪聲信號(hào)，保證控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間來(lái)計(jì)算次級(jí)信號(hào)，并經(jīng)次級(jí)源作用，在誤差傳聲器處與初級(jí)噪聲相互抵消[5]。 相干性條件要求參考傳聲器獲取的噪聲信號(hào)與誤差傳聲器處的噪聲信號(hào)有高的相干系數(shù)[5]，即參考信號(hào)中有足夠的誤差傳聲器處噪聲信號(hào)的信息。 為了實(shí)現(xiàn)最佳降噪效果，即誤差傳聲器信號(hào)理論值為零，在Z變換域，前饋控制器Wf(z) 的理論解為式(1):

圖2 目前常用自適應(yīng)前反饋組合方式[15]Fig.2 Commonly used adaptive front feedback combination method[15]

實(shí)際艙室作業(yè)環(huán)境是多聲源、大強(qiáng)度的復(fù)雜聲場(chǎng)，難以滿足前饋結(jié)構(gòu)的因果性和相干性條件。因此，參考混合主動(dòng)降噪的方法[15]，本文采用前饋、反饋混合結(jié)構(gòu)的有源噪聲控制系統(tǒng)，前饋結(jié)構(gòu)可以控制因果性高、相干性強(qiáng)的部分噪聲，反饋結(jié)構(gòu)可以控制不滿足因果性、相干性的部分噪聲，因此前饋、反饋結(jié)構(gòu)可以組合起來(lái)更大程度發(fā)揮彼此的互補(bǔ)作用，以獲得更好的噪聲控制效果。 圖2 非陰影部分所示為反饋結(jié)構(gòu)，其中Wb(z) 為反饋控制器。 在Z變換域，誤差傳聲器信號(hào)可表示為式(2):

為了降低前饋和反饋結(jié)構(gòu)之間的耦合，使前反饋混合系統(tǒng)便于優(yōu)化求解，本文采用圖3 所示的前反饋混合結(jié)構(gòu)。 為區(qū)別于圖2，在反饋部分變量下標(biāo)由“b”改為“s”。 可以看出反饋結(jié)構(gòu)的參考信號(hào)直接來(lái)自誤差信號(hào)，即式(3):

圖3 本系統(tǒng)采用的自適應(yīng)前反饋組合方式Fig.3 Adaptive front feedback combination mode of this system

假設(shè)次級(jí)路徑估計(jì)誤差足夠小，即S(z)＝(z) 且D(z)＝X(z)P(z) ， 則存在式(4)所示關(guān)系:

這種簡(jiǎn)化方法將前饋和反饋結(jié)構(gòu)解耦，前饋結(jié)構(gòu)不會(huì)直接影響反饋結(jié)構(gòu)。 由式(4)可得前饋和反饋結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立更新，實(shí)現(xiàn)解耦結(jié)構(gòu)。 反饋結(jié)構(gòu)旨在控制不相關(guān)干擾v(k) ，其理想解是更新控制器Ws(z) ，使其在目標(biāo)頻譜范圍內(nèi)具有較強(qiáng)增益，并使項(xiàng)1/[1-S(z)Ws(z)] 盡可能小，而前饋控制濾波器Wf(z) 近似于-P(z)/S(z) 來(lái)衰減d(k) 。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主動(dòng)降噪頭枕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其中主動(dòng)降噪(ANC)控制器為系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)處理分析采集和輸出信號(hào)，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互；頭枕模塊內(nèi)嵌有次級(jí)聲源，含左、右2 個(gè)通道，分別針對(duì)人耳左、右區(qū)域的降噪實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)采集模塊，主要針對(duì)部署在系統(tǒng)內(nèi)的麥克風(fēng)供電及信號(hào)調(diào)理，完成聲場(chǎng)信號(hào)采集及降噪量觀測(cè)。

圖4 主動(dòng)降噪頭枕系統(tǒng)框圖Fig. 4 Block diagram of active noise reduction headrest system

2.4 降噪性能評(píng)價(jià)及數(shù)據(jù)處理

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，測(cè)量單頻噪聲、白噪聲及錄制的實(shí)際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲的降噪效果。 聲學(xué)測(cè)試采用聲壓頻譜分析法，如圖5 所示，誤差傳感器內(nèi)嵌于頭枕左右兩側(cè)，人工頭(HCCO-s，北京奧音貝科技有限公司)放置在主動(dòng)降噪頭枕前，將MP40 傳聲器(北京聲科測(cè)聲學(xué)技術(shù)有限公司)放置于人工頭聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)雙耳附件關(guān)鍵聽(tīng)覺(jué)區(qū)域，初級(jí)噪聲源與前饋參考信號(hào)即參考麥克風(fēng)均位于座椅下方，依次測(cè)量主動(dòng)降噪系統(tǒng)關(guān)閉/開(kāi)啟時(shí)各測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)的變化。

圖5 主動(dòng)降噪測(cè)試位點(diǎn)示意圖Fig.5 Active noise reduction test site

模擬艙室的密閉空間長(zhǎng)寬高為4 m×5 m×2.7 m。 測(cè)試聲信號(hào)依次為:200 Hz 單頻噪聲、100～300 Hz 白噪聲以及錄制的某型軍事艙室作業(yè)環(huán)境噪聲。 每種噪聲主動(dòng)降噪系統(tǒng)關(guān)閉/開(kāi)啟前后分別測(cè)量10 次，聲壓級(jí)作為降噪量的指標(biāo)，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，全頻段總聲壓級(jí)比較采用t檢驗(yàn)，P<0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果與討論

降噪前后的頻譜比較如圖6 所示，對(duì)于200 Hz單頻噪聲，頻譜在200 Hz 的聲壓級(jí)明顯下降，驗(yàn)證了系統(tǒng)基本的降噪能力。 對(duì)于100 ～300 Hz白噪聲及錄制的某型軍事艙室作業(yè)環(huán)境噪聲，低頻段100 ～ 400 Hz 聲壓級(jí)降低明顯，而400 Hz以上高頻段降噪效果減弱。

圖6 不同噪聲降噪前后的頻譜Fig.6 Spectrum of different noises before and after noise reduction

進(jìn)一步計(jì)算全頻段總聲壓級(jí)，結(jié)果如圖7 所示。 200 Hz 單頻噪聲全頻段聲壓級(jí)降噪前為73.07±0.07 dB，降噪后為50.98±0.08 dB，降噪量達(dá)22.09 dB；100～300 Hz 白噪聲全頻段聲壓級(jí)降噪前為58.31±0.26 dB，降噪后為42.76±1.08 dB，降噪量為15.55 dB；200 Hz 單頻噪聲和100～300Hz 白噪聲的降噪結(jié)果檢驗(yàn)了消減聲場(chǎng)裝置的基本降噪能力，表明對(duì)于低頻段噪聲具有良好的降噪效果。 對(duì)于錄制的實(shí)際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲，全頻段聲壓級(jí)降噪前為61.56±0.11 dB，降噪后為55.49±0.65 dB，降噪量達(dá)6.07 dB，能夠有效降低艙室環(huán)境的低頻噪聲。 系統(tǒng)響應(yīng)范圍決定了其對(duì)于低于100 Hz 的低頻分量和高于400 Hz 高頻分量降噪能力有限，對(duì)于200 Hz 的單頻噪聲和100～300 Hz 的白噪聲能量主要分布在100～400 Hz頻率段，降噪量較大。 而錄制的實(shí)際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲高頻成分更多，降噪效果下降。今后，增大系統(tǒng)響應(yīng)范圍可進(jìn)一步增強(qiáng)ANC 系統(tǒng)的降噪性能。 相關(guān)研究通過(guò)主動(dòng)降噪技術(shù)，分別對(duì)車內(nèi)[11]及室內(nèi)[13]噪聲實(shí)現(xiàn)了約6 dB 的降噪量。 本文研制的主動(dòng)消減聲場(chǎng)裝置針對(duì)實(shí)際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲達(dá)到了類似水平的降噪效果，進(jìn)一步體現(xiàn)了該主動(dòng)消減聲場(chǎng)裝置在艙室作業(yè)環(huán)境的應(yīng)用潛力。 NASA 國(guó)際空間站技術(shù)報(bào)告[16]指出，噪聲暴露影響乘員的情緒和認(rèn)知作業(yè)等。 目前艙內(nèi)噪聲難以避免，航天員聽(tīng)力保護(hù)計(jì)劃不僅包括個(gè)人噪聲防護(hù)，也包含對(duì)區(qū)域內(nèi)降噪，尤其是睡眠區(qū)噪聲控制。 中國(guó)天宮一號(hào)艙內(nèi)雖然進(jìn)行了一系列噪聲抑制，但仍存在60 dB 左右的噪聲[17]，6 dB的聽(tīng)覺(jué)區(qū)域降噪量能夠有效降低噪聲的影響，可為航天員在太空工作提供舒適的聲環(huán)境。

圖7 不同噪聲降噪前后的全頻段聲壓級(jí)(n＝10)Fig.7 Full band sound pressure level before and after different noise reduction(n＝10)

4 結(jié)論

1)本研究采用的前反饋組合區(qū)域主動(dòng)降噪結(jié)構(gòu)可有效降低前反饋結(jié)構(gòu)之間的耦合，前饋和反饋結(jié)構(gòu)可各自單獨(dú)運(yùn)行與設(shè)置控制參數(shù)，便于不同場(chǎng)景下的軍事艙室作業(yè)噪聲環(huán)境的工程應(yīng)用。

2)通過(guò)聲壓頻譜分析實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了主動(dòng)消減聲場(chǎng)裝置對(duì)低頻噪聲具有良好的降噪效果，對(duì)于實(shí)際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲的全頻段聲壓級(jí)降噪量達(dá)6.07 dB，適合于艙室密閉作業(yè)環(huán)境的低頻噪聲控制的技術(shù)應(yīng)用。

3)目前的原理樣機(jī)在小型化、輕量化方面還需進(jìn)一步的工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化，下一步還需對(duì)次級(jí)聲源體積、傳聲器安裝結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，協(xié)調(diào)傳聲器觀測(cè)點(diǎn)降噪量與用戶實(shí)際體驗(yàn)的平衡。

4)本項(xiàng)目基于聲波干涉的主動(dòng)降噪機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵聽(tīng)覺(jué)區(qū)域低頻噪聲的有效地控制，同時(shí)保證語(yǔ)頻信號(hào)交流及作業(yè)效能提升，對(duì)移動(dòng)戰(zhàn)斗艙室長(zhǎng)時(shí)程作業(yè)效能的保障具有重要意義。