有源噪聲控制技術及其在艦船中的應用

陳克安

西北工業大學航海學院，陜西西安710072

有源噪聲控制技術及其在艦船中的應用

陳克安

西北工業大學航海學院，陜西西安710072

有源噪聲控制技術作為與傳統噪聲控制技術互補性極強的一種新型噪聲控制技術，歷經30多年的蓬勃發展，在基礎理論、研究方法、關鍵技術及系統實現等各方面均已形成一套完整的體系，在實際應用、產業化發展和商業推廣方面也獲得了實質性進展，這為艦船領域中應用該噪聲控制技術提供了可能性。首先，綜述了開發有源噪聲控制系統所必須的聲場分析、系統組成及其關鍵技術，描述了有源控制系統工程應用的典型案例，包括艦船艙室噪聲有源控制、管道噪聲有源控制等。然后，針對有源控制技術在艦船噪聲控制中的進一步應用，論述了有源吸聲、有源隔聲及智能聲學結構等前沿技術的可行性及需要解決的問題。

有源噪聲控制；聲場分析；艦船噪聲

0 引 言

噪聲控制是眾多行業和領域必須面對的重要問題。傳統方法主要以聲學控制技術為主，包括吸聲、隔聲、使用消聲器、隔離與降低振動等，其機理是噪聲聲波與聲學材料或結構相互作用、消耗聲能從而降低噪聲，該方法屬于無源或被動式的控制方法。總體而言，無源控制方法對于降低中高頻噪聲較為有效，而對低頻噪聲的控制效果則不明顯。因此，德國發明家Leug于1933年提出有源消噪（Active noise cancellation）思想［1］，但直到上世紀70帶年代末、80年代初才引起重視。歷經30多年已發展為與傳統噪聲控制互補的新型噪聲控制技術——有源噪聲控制（Active Noise Control，ANC），即主動噪聲控制。該理念的提出與發展在噪聲控制領域具有里程碑意義，它推動了聲學基礎理論、信號處理與控制技術等學科的發展，拓展了聲場與振動控制的應用領域［2～4］。

有源噪聲控制是通過幅度和相位可調的聲源（次級聲源）聲波與需抵消的噪聲（初級噪聲）聲波發生相消性干涉來降噪。其與傳統的無源降噪措施相比，除了具備低頻降噪效果好這一固有特性外，還有系統重量輕、環境適應性強等優點。有源噪聲控制技術已形成了一套較為成熟的基礎理論、系統構成及實現方法，成為一種不可或缺的噪聲控制手段，目前已開發出具有一定市場前景和社會影響力的產品。艦船作為一種復雜的機電系統，其設計與使用中的噪聲與振動問題日漸突出，對有源控制技術的需求十分迫切。

1 典型聲場中有源控制的聲場分析

在一個特定空間中實現有源控制的本質是使人工產生的聲場（次級聲場）與需抵消的聲場（初級聲場）實現空間分布和時間歷程上的反相位匹配，其中產生兩種聲場的聲源分別稱為初級聲源和次級聲源。因此，設計有源噪聲控制系統的第一步是分析初級聲場特性，依據控制目標完成次級聲源的布放設計，即確定次級聲源的類型、數量和布放位置。

有源控制中的初級聲場分為自由聲場和有界聲場2類，后者可分為一維管道聲場和三維封閉空間聲場2種形式。按聲模態密度的大小，三維封閉空間聲場可進一步細分為駐波聲場和擴散聲場。為了實現局部空間和全空間的有源消噪，理論上次級聲源的最優布放原則應遵循惠更斯原理（Haygens principle），即要求具有三極子（位于同一位置的1個單極子和1個偶極子）特性的次級聲源連續布放在包圍初級聲源或需消聲的局部空間的閉合曲面上。此外，需要監測初、次級聲場的輻射聲功率以實現最大程度的降噪。但實際上次級聲源和監測傳感器（在自適應有源控制系統中稱為誤差傳感器）的數量和布放位置均有限，因此不同初級聲場下的次級聲源和誤差傳感器的布放呈現不同特點。

1.1 自由聲場中的有源控制

如果聲波僅從聲源向四周輻射，不受邊界和其他物體的阻礙，也無其他聲波的干擾，這種聲場即為自由聲場。有源噪聲控制研究中常將下列聲場近似為自由聲場：曠野中變壓器輻射的噪聲聲場、天空中飛機向外輻射的噪聲聲場、深海中水面艦船及水下航行器向外輻射的噪聲聲場（忽略地面反射造成的影響）等。因自由聲場中的聲波傳播形式和聲場分析方法相對簡單，有源噪聲控制的作用機理相對容易，故研究歷史最為悠久。

任意復雜結構的聲輻射均可等效為單極子源或者多個單極子源的組合，因此研究的重點是初、次級聲源為單極子或單極子陣列的有源噪聲控制。如果初級聲源陣列由N個點聲源組成，次級聲源陣列由M個點聲源組成，其聲源強度矢量可分別記為qp和qs。為了實現初、次級聲源輻射總聲功率最小的控制目標，最優次級聲源強度矢量qso和有源控制后的最小聲功率Wo可分別表示為［5］

式中：Zp和Zs分別為初級聲源和次級聲源的對稱聲傳輸阻抗矩陣；rp和rs分別為初級聲源和次級聲源的位置向量；H為對復數矩陣求共軛轉置。

式（1）和式（2）是有源噪聲控制理論研究的基礎公式，適用于任意形式的聲場，只是不同聲場中的聲傳輸阻抗矩陣有所差別。

依據以上公式的計算和仿真［4］結果，自由聲場中，初、次級聲源的相對距離必須小于聲波半波長，單極子次級聲源才能達到1 dB以上的降噪效果，同時增加次級聲源數量也可以改善控制效果。此外，理論上采用多極子及高階極子形式的次級聲源，亦可增強降噪效果。

由于自由聲場形式簡單，可以利用最優化方法進行次級聲源和誤差傳感器布放方案的解析與優化研究。為了降低有源控制系統復雜度，可通過有源控制進行局部空間降噪，即制造局部有源靜區［6］，有源耳罩和有源聲屏障就是2個典型案例。

1.2 管道聲場中的有源控制

管道聲場是指無限長或半無限長管道內部或外部聲源在管道內部產生的聲場，主要針對次級聲源頻率小于管道截止頻率的工況進行有源控制研究，此時管道中僅傳播平面波。平面波聲場有源控制的理論分析較簡單，主要需解決次級聲源“聲反饋”問題。因次級聲源會同時向管道下游和管道上游輻射聲波，使參考傳感器拾取初級信號受到干擾，從而嚴重影響有源控制過程的穩定性。為了消除次級聲反饋，主要有2種解決方案：一是將聲反饋作為整個控制對象的一部分，綜合考慮控制器的設計方案；二是采用或設計單指向性次級聲源，最大程度地減少聲反饋對參考傳感器的影響。

1.3 駐波聲場中的有源控制

駐波聲場中的聲波呈現出明顯的空間分布，每一個具有駐波形式的聲場分布又稱為聲模態。理論上，為有效降低全空間中的聲能或聲勢能，次級聲源的布放原則包括［7］：

1）如果次級聲源置于聲模態節線上，則無論聲源強度多大都不能激發這階聲模態，從而無法控制初級聲場；如果次級聲源距離聲模態節線太近，則其聲源強度必須非常大才能控制初級聲場，從而不能有效控制空間總聲勢能。

2）低頻條件下，即使初、次級聲源的距離大于聲波半波長，也能取得明顯的降噪效果。

3）一個次級聲源置于幾個主導聲模態的最大幅值處時，可以抵消這幾個聲模態而不會激發其他聲模態。

4）幾個次級聲源單獨作用不能抵消的聲模態，聯合作用則可抵消。

一般應盡量增加誤差傳感器的布放數量，其布放原則包括［8］：

1）誤差傳感器和次級聲源的布放原則總體上類似，但不相同。

2）誤差傳感器最好置于聲模態反節面處。

3）誤差傳感器置于聲模態節面處時無法工作，而且將導致有源控制后的空間總平均聲勢能比控制前大。

1.4 擴散聲場中的有源控制

在擴散聲場中通過有源控制不能降低全空間聲勢能，但可以降低局部空間噪聲。研究表明，通過有源控制可降低以觀察點或誤差傳感器為中心的空間區域初級聲場聲壓，形成有源靜區。有源靜區的范圍和降噪量與初級聲源頻率直接相關，與擴散聲場的形成機制也有一定關系［9］。

2 有源控制器設計

一個有源噪聲控制系統分為作動—傳感結構和控制器2大部分，前者指次級源（次級聲源和次級力源）、誤差傳感器和參考傳感器（對前饋系統而言），后者指控制次級源輸出聲波或激勵力強度（含幅度和相位）的裝置。從硬件實現方式而言，控制器可分為模擬控制器和數字控制器2種。模擬控制器完全由模擬器件組成，具有成本低、結構簡單等優點，但只能應用于管道消聲和有源耳罩等極少數對控制器要求較低的場合。數字控制器包含硬件和軟件兩部分，硬件主要由數字信號處理器件組成，軟件用于實現控制器結構和算法，其算法依附在結構上。

數字式有源控制器可以實現多種形式的結構。首先，可應用于前饋系統和反饋系統，前者可獲取參考信號，穩定性好，結構簡單；后者無法獲取參考信號，穩定性差。其次，數字式有源控制器不僅可應用于只有1個次級聲源和1個誤差傳感器的單通道系統，還可應用于有多個次級聲源和多個誤差傳感器的多通道系統。在理論上通常以單通道前饋系統為分析重點。

有源控制器的設計方法一般基于維納濾波（Wiener filtering）原理和現代控制理論，前者為目前的主流理論，后者則適合解決聲反饋及初級噪聲的時變性問題。前饋有源控制器的設計思路源于自適應濾波器設計，目前自適應有源控制器的基本框架為：控制器為橫向結構的FIR濾波器，算法為濾波-x LMS（Filtered-x Least Mean Square，FXLMS）算法。FXLMS算法源于Widrow針對電噪聲抵消所提出的LMS算法，目前已成為有源控制的基準算法［10］，具有操作簡單、運算量小等優點。基于橫向濾波器和FXLMS算法，已提出了多達數十種的控制器結構與算法。需注意的是，有源控制器的結構和算法既各自獨立又相互依存，有時算法與結構無關，可在任意結構上實現，而有時算法必須與特定的結構聯系起來才能實現。

完成有源控制算法的關鍵步驟是利用次級通路建模，來獲取次級通路傳遞函數（或脈沖響應）。具體而言，次級通路是指從作動器到誤差傳感器之間的物理通路，包括聲場、作動—傳感裝置（以電聲器件為主）和電子線路，其中聲通路特性是需考慮的主要因素。在有源控制中主要利用自適應建模方法獲取次級通路傳遞函數，可分為離線建模和在線建模2種方法。如果次級通路特性基本不變，則可在有源控制之前進行次級通路建模，獲得次級通路傳遞函數的估計值，并在有源控制過程中保持不變，實現離線建模。離線建模方法分為時延估計法、雙傳聲器法和附加隨機噪聲法3種。若在有源控制過程中次級通路特性是時變的，則需在有源控制時對次級通路進行實時建模，實現在線建模。

3 有源控制技術開發與應用

有源噪聲控制技術于上世紀70年代初開始發展。管道中的聲源頻率低于管道截止頻率時可產生均勻平面波，在理論上和技術上均較易實現有源噪聲控制，因而管道有源消聲器有一定的研發價值。但是管道有源消聲系統一般為反饋系統，不易獲取參考信號，穩定性差，其有源消聲器的結構也相對復雜。此外，在管道有源消聲系統中，誤差傳感器下游會再次產生噪聲（即再生噪聲），因此需在長管道中布放多個有源消聲器，導致整個系統的價格相對昂貴，維修和維護作業相對繁瑣，進而阻礙了管道有源噪聲控制技術的發展。但在同一時期，有源護耳器的研究逐漸取得了成果，最初利用模擬器件構造的有源控制器被證明可應用于有源耳罩，后期隨著數字技術及自適應信號處理技術的發展，出現了有源送話器或受話器。如今，有源耳機（包括有源耳罩、有源送話器或受話器）已形成商品，成為有源噪聲控制技術應用的標志性案例［11］。隨著研究力量的不斷投入，有源噪聲控制技術拓展了應用領域，螺旋槳飛機艙內有源噪聲控制就是一個典型案例。與此同時，有源噪聲控制技術在高檔轎車車廂內也得以應用。

縱觀有源噪聲控制技術近幾十年的發展歷程及現狀，按技術成熟度可將有源噪聲控制技術分為4大類：成熟技術、半成熟技術、開發中的技術、處于實驗研究中的技術。從技術成熟度和商業推廣價值的角度而言，目前最成熟的有源控制技術有3種［12］，分別是有源護耳器、螺旋槳飛機艙內有源噪聲控制和轎車車廂內有源噪聲控制。

有源護耳器分為有源耳罩、有源受話器和有源頭靠3種類型。有源耳罩和有源受話器是采用有源控制技術的頭戴式耳罩，兩者可統稱為有源頭戴式耳機（有源耳機）。有源耳機是有源噪聲控制技術發展歷程中最早進入市場的產品，也是當前最成熟的應用技術。有源耳機已成為常見的電聲產品在銷售，已有10余家知名生產廠家，如美國的博士（Bose）公司、NCT公司、森海塞爾（Sennhaiser）公司等。螺旋槳飛機艙內有源噪聲控制技術也已發展成熟，據報道目前已有1 500多架軍用和民用飛機安裝了有源控制系統。至于轎車車廂內有源噪聲控制技術，由于成本限制僅有極少數品牌的高端轎車安裝此類系統，市場對該系統的接受程度仍較低。

另外還有一類趨于成熟的有源噪聲控制技術具備技術可行性，但尚未解決一系列涉及應用的關鍵問題，其典型代表為管道有源消聲器、變壓器噪聲有源控制和聲場有源控制。管道有源消聲器的初級聲場簡單，但管道聲場中存在固有的再生噪聲，且管道消聲器的應用環境大都十分惡劣，同時對成本和維修性的要求較為嚴格，這些因素限制了實際產品的開發。變壓器有源噪聲控制的優勢在于初級噪聲屬于低頻線譜噪聲，對有源控制算法的要求較低，但難點在于降噪空間大，導致控制系統極其復雜，如采用目前的集中式多通道有源控制方式，將使整個系統的成本過高。聲場有源控制基于有源控制原理，針對不同的應用目的和應用場合也相應地存在技術難度大、成本過高等問題。

目前一些民用或軍用領域的有源噪聲控制技術已引起了廣泛關注，例如下一節所述的艦船噪聲有源控制，但該領域的新技術均處于從實驗室技術向現場試驗技術過渡的研發階段。還有一些處于理論研究或實驗室研究階段的有源控制技術前景可觀，不過距離實際應用還有相當長的路要走［13］。

4 有源控制技術在艦船中的應用

民用船舶和軍用艦艇對噪聲控制的需求十分迫切，但側重點不同。艦船噪聲控制分為外部輻射噪聲控制和艙內噪聲控制兩部分。民用船舶的外部噪聲控制源于海洋環境保護的需求，以避免對水下生物造成災難性的影響，艙內噪聲控制源于乘員對聲環境舒適性的要求，這一點與軍用艦艇相同。軍用艦艇尤其是水下航行器的外部噪聲關乎其聲隱身能力，影響戰技指標，是目前的關注焦點。

4.1 水下航行器外部聲學性能的有源控制

水下航行器外部聲學性能指標分為輻射噪聲水平和聲目標強度2種。向外的輻射噪聲主要分為螺旋槳噪聲、通海管道輻射噪聲、艇體結構振動聲輻射3類。螺旋槳噪聲屬于低頻線譜噪聲，宜采用有源控制技術，實驗室研究已證實了理論可行性，但存在次級聲源研制、布放及安裝等問題。通海管道輻射噪聲控制本質上屬于管道聲場的有源控制，理論上和技術上均可行，但工程應用還需投入大量、深入細致的工作。

艇體結構振動聲輻射控制則寄希望于智能聲學結構或有源聲學結構的研究取得突破。對于有源聲學結構，它包括產生次級聲場的作動材料或元件、檢測振動與聲場信息的傳感材料（誤差傳感器）和嵌入式的微控制器［14］。有源控制目標為總輻射聲功率和反射聲功率，相應的有源聲學結構分別為有源隔聲結構和有源吸聲結構。這2種結構均可位于雙層耐壓殼之間而單獨存在，也可與現有結構（如艇體或聲學覆蓋層）復合在一起。有源隔聲結構可用于降低艇體結構振動產生的低頻聲輻射［15］，而有源吸聲結構可降低敵方主動聲吶發射聲波的反射強度，從而降低本艇聲目標強度［16］。有源聲學結構的研究仍處于初級階段，目前正致力于解決3個方面的問題：近場誤差傳感策略、可工程應用的分布式作動—傳感結構（層）、微型化的有源控制器。

4.2 艦船艙內噪聲的有源控制

從有源控制的視角看，艦船艙內噪聲分為艙內集中聲源發出的噪聲、艙內或艙外機械振動（分布式聲源）引起的艙內噪聲、穿越艙室的管道輻射噪聲。前2種噪聲可采用艙內布設的次級聲源實現有源控制，或對集中聲源進行有源隔聲，而管道輻射噪聲則可通過加裝管道有源消聲系統來降低。

根據已有的研究結果，基于次級聲源的艙內噪聲控制的可行性最高。但前提是初級噪聲低頻成分的能量與噪聲總能量相比占主導地位，其中，低頻的含義是此頻率下的艙室聲場為駐波聲場。若初級噪聲僅為數個線譜組成的低頻聲源，其有源控制的效果將更好。

5 結 語

目前有源噪聲控制技術已被確立為一種有效的低頻噪聲控制技術，工程應用已取得實質性進展，部分應用的產業化也指日可待，總體而言，它仍然處于不斷向前發展的階段。艦船領域可采用的有源控制技術大部分處于研發階段，部分還處于概念或實驗室研究階段。

目前有源控制技術的發展方向如下：

1）有源控制系統或產品工程化，尤其是有源控制專用誤差傳感器和次級聲源的研制與生產。

2）特種用途有源控制系統的開發，如有源隔聲罩、有源消聲器、沖擊聲有源控制器等。

3）基于有源控制原理的智能聲學結構研究。

4）有源—無源復合式噪聲控制系統的開發。

5）有源控制原理在聲場主動控制、振動主動控制、聲品質控制等方面的應用。

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Active noise control technique and its application on ships

CHEN Kean
School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China

Due to the rapid development during past three decades,Active Noise Control（ANC） has become a highly complementary noise control approach in comparison with traditional approaches,and has formed a complete system including basic theory,investigation approach,key techniques and system implementation.Meanwhile,substantial progress has been achieved in such fields as the practical application,industrialization development and commercial popularization of ANC,and this developed technique provides a practical and feasible choice for the active control of ship noise.In this review paper,its sound field analysis,system setup and key techniques are summarized,typical examples of ANC-based engineering applications including control of cabin noise and duct noise are briefly described,and a variety of forefronts and problems associated with the applications of ANC in ship noise control,such as active sound absorption,active sound insulation and smart acoustic structure,are subsequently discussed.

Active Noise Control（ANC）；sound field analysis；ship noise

TB535

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.003

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1011.006.html期刊網址：www.ship-research.com

陳克安.有源噪聲控制技術及其在艦船中的應用［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：17-21，34.

CHEN K A.Active noise control technique and its application on ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：17-21，34.

2017-01-06< class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間：2017-7-27 10:11

航空科學基金資助項目（20141553022）

陳克安，男，1965年生，博士，教授。研究方向：噪聲與振動控制，環境聲的聽覺感知與應用。E-mail：kachen@nwpu.edu.cn