抑制風(fēng)噪裝置的實驗

吳 睿 金向鋒

(惠州迪芬尼聲學(xué)科技股份有限公司 惠州516000)

0 引言

隨著主動降噪(Active noise control,ANC)技術(shù)的成熟，真無線立體聲(True wireless stereo,TWS)ANC耳機成為研究熱點[1-3]。ANC的基本原理為對系統(tǒng)中的前饋傳聲器和后饋傳聲器拾取到的噪聲進(jìn)行數(shù)字信號處理(Digital signal processing,DSP)，用處理后的信號激勵揚聲器，使其發(fā)出反相的噪聲來實現(xiàn)降噪。大多數(shù)環(huán)境噪聲會在該機理下被降低，但是在風(fēng)速較大的環(huán)境中ANC效果不佳。風(fēng)速較大時傳聲器會拾取到風(fēng)噪，由于風(fēng)噪信號不屬于線性時不變(Linear time-invariant systems,LTI)系統(tǒng)，ANC機理對其無效。因此有必要研究如何抑制傳聲器拾取風(fēng)噪信號。從膜片接收到聲波的方式，可將傳聲器分成“純粹壓力式”和“有壓差式存在”兩大類。前者可拾取全方向的聲波，后者可根據(jù)壓差成分比例設(shè)計需要的指向性。本文研究如何抑制全指向性傳聲器拾取風(fēng)噪。

傳聲器拾取風(fēng)噪的原理涉及流體力學(xué)，實際上風(fēng)噪并不是風(fēng)聲信號，而是傳聲器采集到了空氣湍流所引起的傳聲器膜片擾動。對抑制傳聲器拾取風(fēng)噪的研究，可追溯到20世紀(jì)80年代。Strasberg[4]提出利用置于傳聲器外部的聲屏障結(jié)構(gòu)來抑制風(fēng)噪。通過量綱分析討論了抑制風(fēng)噪的影響因素，包括風(fēng)速、聲屏障大小和形狀。并利用公式(1)來計算傳聲器拾取到的風(fēng)噪大小。

式(1)中，V是流速，f為頻率，D是聲屏障的直徑。

但Strasberg的研究只限于風(fēng)速較低的情況。Morgan等[5]研究了高流速下，風(fēng)噪形成的原因。根據(jù)伯努利理論，提出層流中的壓力波動與流體的動能有關(guān)。在高流速下，空氣中的總氣壓為

其中，μ是波動速度，V是平均流速，ρ是氣體密度。高流速下，波動速度為平均速度的5%～15%，所以公式(2)的值主要由第三項決定，即p=ρμV。因此Morgan等認(rèn)為高流速下，風(fēng)噪主要來源于氣流中的湍流壓力擾動；并通過實驗得出，流速較高時聲屏障并不能有效地減弱風(fēng)噪。van den Berg[6]分別對低流速和高流速條件下的風(fēng)噪進(jìn)行了研究。他提出低流速下，傳聲器拾取到的風(fēng)噪主要來源于氣流與風(fēng)屏障作用產(chǎn)生的渦流；而高流速下，風(fēng)噪來自于氣流中本身的湍流。聲屏障在低流速下，對風(fēng)噪有較好的抑制作用；但是在高流速下，它的效果并不顯著。

目前應(yīng)用的抑制傳聲器拾取風(fēng)噪的結(jié)構(gòu)，大都沒有根據(jù)上述原理進(jìn)行設(shè)計，效果欠佳。例如在傳聲器的拾聲孔前加一段管道[7-9]。單獨管道并不會抑制風(fēng)噪，反而會由于管壁的黏滯效應(yīng)增大氣流中的渦流，從而使風(fēng)噪增強。另一種設(shè)計是腔體在前管道在后的抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)[10-11]，氣流從腔體到管道，橫截面變小流速會加快，因此風(fēng)噪也會增大。此外還有小孔加腔體的設(shè)計結(jié)構(gòu)[12]，雖然在低流速會降低風(fēng)噪，但是高流速下效果不佳。同時這種設(shè)計并沒有考慮到腔體引起的聲波傳遞損失。

為了簡化分析，本文忽略來風(fēng)方向進(jìn)行研究?；陲L(fēng)噪原理提出一種抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)設(shè)計，來抑制TWS耳機中全指向性傳聲器拾取風(fēng)噪。然后進(jìn)行有限元仿真和風(fēng)噪實驗，驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)噪能力。最后，基于聲波的傳遞損失特性提出結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計指標(biāo)，保證傳聲器拾取的聲信號不會在高頻失真。

1 抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前TWS耳機中常用的微機電系統(tǒng)(Microelectro-mechanical Systems,MEMS)電容式全指向性傳聲器如圖1所示，其長、寬、高分別為3 mm、2 mm和1 mm左右。其拾聲孔的直徑一般為0.5 mm。由傳聲器拾取風(fēng)噪的原理可知，低流速下聲屏障對風(fēng)噪有較好的抑制作用，但是高流速下效果甚微。所以本文設(shè)計的抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)由兩部分組成，第一部分降低氣流流速，第二部分充當(dāng)聲屏障，如圖2所示。

圖1 MEMS傳聲器Fig.1 MEMS transducer

圖2 設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the designed structure

1.1 降低流速

第一部分的設(shè)計結(jié)構(gòu)為漸變管道，從氣流入口到傳聲器的方向橫截面逐漸增大?？紤]到TWS耳機的空間大小，管道的直徑在0.6～1.2 mm之間，長度在5 mm以內(nèi)。由于管道直徑較小，管壁會與大部分氣流發(fā)生強烈的黏滯反應(yīng)[5]，從而耗散氣流動能并降低氣流流速[13]。其次，根據(jù)物質(zhì)守恒原理，理想條件下管道每個截面的氣流量相同，如公式(3)所示：

其中，V和S分別代表管道某截面的流速和面積。顯然截面積越大，氣流流速越小。因此，開口逐漸增大的管道會降低氣流流速。

基于有限元仿真，驗證該設(shè)計管道對氣流流速的影響。模型使用“湍流，k-ε”接口求解漸變管道中的氣流湍流，并采用含壁函數(shù)的湍流模型與對稱面邊界條件來簡化計算。仿真模型中的漸變管道長度為3 mm，氣流入口面直徑為0.6 mm，出口面直徑為1 mm。入口面處入射氣流流速設(shè)定為10 m/s。仿真結(jié)果如圖3所示，不同顏色代表了不同的流速，氣流經(jīng)過管道后，流速衰減明顯。圖4展示了管道出口截面的流速分布圖，出口截面中流速均低于5 m/s。而且速度分布符合黏滯效應(yīng)，靠近管壁流速低，管道中部流速高。因此，仿真結(jié)果驗證了截面逐漸變大的直管能有效地降低氣流流速這一結(jié)論。考慮到實際結(jié)構(gòu)的可制作性與一致性，彎管不在本文的討論范圍中。但根據(jù)原理，截面逐漸增大的彎管也能有效地降低氣流流速。

圖4 出口橫截面的流速分布Fig.4 Velocity distribution on outlet cross section

1.2 聲屏障

第二部分結(jié)構(gòu)為腔體，腔體內(nèi)填充泡棉，充當(dāng)抑制風(fēng)噪的聲屏障。整體抗風(fēng)噪設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示，氣流先通過漸變管，從高流速轉(zhuǎn)變?yōu)榈土魉?。在低流速狀態(tài)下，氣流再經(jīng)過聲屏障，最后到達(dá)傳聲器的拾聲孔。由公式(1)可知，聲屏障的面積越大，抑制風(fēng)噪的效果越好。因此泡棉設(shè)計為尖劈形，增大與氣流的接觸面積。

圖5 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Overall structure diagram

圖6 整體結(jié)構(gòu)實物圖Fig.6 Overall real structure

2 抑制風(fēng)噪的實驗

2.1 對比實驗

基于該設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)噪測試實驗。實驗時傳聲器正對風(fēng)管，采集傳聲器所拾取到的風(fēng)噪信號。實驗采用的MEMS傳聲器尺寸為2.7 mm×1.8 mm×1 mm，靈敏度-38 dBV/Pa，信噪比64 dB(A)。傳聲器和設(shè)計結(jié)構(gòu)按圖6方式固定。風(fēng)管提供流速為10 m/s的氣流，實驗時結(jié)構(gòu)固定在支架上，與風(fēng)管出口距離30 cm，如圖7所示。采用Audio Precision 5.0聲頻測量設(shè)備，錄取傳聲器拾取到的信號并進(jìn)行分析。

圖7 實驗示意圖Fig.7 Wind noise experiment setup

進(jìn)行對比實驗，抗風(fēng)噪測試的對象如下：(1)單獨傳聲器；(2)傳聲器前加一段直管；(3)傳聲器前加抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)。同一對象錄聲5次，對頻譜結(jié)果進(jìn)行平均處理來減少實驗誤差。實驗結(jié)果如圖8所示。和單獨傳聲器相比，抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)能明顯減弱傳聲器拾取到的風(fēng)噪，而且頻率越高效果越好。在人聽感最明顯的頻率點1000 Hz，能抑制10 dB左右的風(fēng)噪。

圖8 對比實驗結(jié)果Fig.8 Results of the comparison experiments

直管結(jié)構(gòu)不僅不會抑制風(fēng)噪，反而會增大風(fēng)噪。雖然直管由于管壁的黏滯效應(yīng)降低了氣流的流速，但是在其出口處截面存在明顯的速度梯度，如圖4仿真模型中管道出口的速度分布。速度梯度是形成湍流的重要原因。因此直管出口處湍流劇烈，傳聲器采集到的風(fēng)噪信號不降反增。

2.2 影響因素

對該抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的幾個關(guān)鍵因素進(jìn)行實驗分析。包括腔體大小、管道等效直徑和泡棉材質(zhì)。首先保持其他條件相同，采用大小分別為3.6 mm×2.4 mm×3.1 mm和8.33 mm×7.7 mm×4.5 mm的兩種腔體組裝成抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)，進(jìn)行對比實驗。圖9實驗結(jié)果表明了大腔體有更好的抑制風(fēng)噪能力，尤其在中高頻效果更明顯。其本質(zhì)是因為大腔體增大了聲屏障與氣流的接觸面積。

圖9 不同大小腔體的抗風(fēng)噪實驗結(jié)果Fig.9 Experiment results of different cavities

圖10展示了不同等效直徑的漸變管所構(gòu)成的抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的效果對比。等效直徑定義為d=L/π，其中L為管道中心(距離入口為管道總長度一半的位置)的截面周長。等效直徑越小，抗風(fēng)噪性能越好。管道越小，管壁黏滯效應(yīng)會和更多的氣流發(fā)生反應(yīng)，亦會更有效地消耗能量降低流速。圖11展示了3種不同密度的泡棉，將其裝入腔體組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗。對比結(jié)果如圖12所示。泡棉密度越大，抗風(fēng)噪效果越好。從原理上分析，泡棉密度越大，泡棉孔隙率越小，聲屏障和氣流的接觸面積越大。

圖10 不同管道直徑的抗風(fēng)噪實驗結(jié)果Fig.10 Experiment results of different tube diameters

圖11 3種不同密度的泡棉Fig.11 Three different kinds of foams

圖12 不同密度泡棉的抗風(fēng)噪實驗結(jié)果Fig.12 Experiments results of different foams

3 聲波傳遞損失分析

抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)幫助傳聲器抑制風(fēng)噪的同時，也要保證其他有用聲信號通過，例如人聲。根據(jù)聲傳輸線以及等效電路理論[14]，該傳播路徑可以等效為圖13所示電路。由聲質(zhì)量Ma和聲容Ca組成一個低通濾波器。其截止頻率和相關(guān)參數(shù)如公式(4)和公式(5)所示：

圖13 等效電路圖Fig.13 The equivalent circuit

其中，Ra為管道的聲阻，簡化模型忽略腔體和泡棉的阻抗；V是結(jié)構(gòu)中腔體的體積，d為管道的等效直徑，ρ0是空氣密度，c0是空氣中的聲速，L是設(shè)計管道的長度，S為管道的橫截面積。

基于不同尺寸的抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)，進(jìn)行聲波傳遞損失實驗。以截止頻率評價其效果，顯然截止頻率越低，傳遞損失越大。傳聲器和不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)耦合，如圖7固定在支架上，兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。內(nèi)部均填充密度為18 kg/m3的相同泡棉。同時根據(jù)公式(4)和公式(5)計算出兩種結(jié)構(gòu)下的理論截止頻率，見表1。在消聲室中音箱發(fā)出50～10000 Hz的掃頻信號，Audio Precision 5.0聲頻測量設(shè)備錄取并分析傳聲器拾取到的信號。

表1 實驗結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The parameters of two different structures

圖14展示了實驗結(jié)果。和單獨傳聲器曲線相比，可得兩種結(jié)構(gòu)的實測截止頻率分別在5000 Hz和1000 Hz左右，基本和表1中的理論截止頻率吻合。因此該等效電路模型能較準(zhǔn)確地計算抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的聲波傳遞截止頻率。

圖14 傳遞損失實驗結(jié)果Fig.14 Results of the transmission loss experiment

對于該設(shè)計結(jié)構(gòu)，存在本征固有頻率。系統(tǒng)的Q值大于時結(jié)構(gòu)會強烈的共振，從而產(chǎn)生“哨聲”。為了避免該現(xiàn)象，系統(tǒng)的Q值應(yīng)小于，如公式(6)所示。進(jìn)一步化簡得到公式(7)，抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的設(shè)計需滿足該式。

為了保證耳機有良好的通話功能，傳聲器至少需要在8000 Hz以內(nèi)拾取到不失真的聲音，所以低通截止頻率應(yīng)大于8000 Hz，如公式(8)所示。結(jié)合公式(4)和公式(5)，可得公式(9)：

其中，d和L分別為漸變管的等效直徑和長度，V為腔體的體積。對于抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)，大的腔體體積、小的管道等效直徑和長的管道長度L都利于抗風(fēng)噪性能，但是三者間的關(guān)系需要滿足式(9)，才能保證傳聲器拾取到的高頻信號不失真。因此，公式(7)和公式(9)為抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文首先介紹了傳聲器拾取風(fēng)噪的原理，并分析了目前應(yīng)用的抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺陷。然后基于風(fēng)噪原理，提出了一種新型抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)設(shè)計，來抑制傳聲器拾取風(fēng)噪。

該設(shè)計由漸變管道和填充泡棉的腔體兩部分組成。漸變管道用來降低氣流的流速，填充泡棉的腔體用來充當(dāng)聲屏障?；谟邢拊抡?，驗證了漸變管道降低流速的能力。風(fēng)噪實驗結(jié)果證明了該設(shè)計能有效地抑制風(fēng)噪。但是單獨直管結(jié)構(gòu)對傳聲器拾取到的風(fēng)噪不增反降。

討論了幾個關(guān)鍵因素對該結(jié)構(gòu)抗風(fēng)噪能力的影響。大的腔體、小的漸變管等效直徑和高的泡棉密度，都有利于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)噪效果。最后，基于聲傳輸線和等效電路理論，建立了聲波經(jīng)過該抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的傳遞損失模型，并通過實驗驗證了其準(zhǔn)確性?；谠撃Ｐ秃透哳l不失真條件，提出了抗風(fēng)噪結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計指標(biāo)。