民機駕駛艙揚聲器嘯叫成因研究與抑制方法

陳 澤 江凱麗

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

“嘯叫”[1-3]，即是擴聲系統放出的聲波有一部分被受話器收聲串入系統內部，當聲波信號滿足自激振蕩的條件時，即使沒有外部輸入，擴聲系統也會發出尖銳的單頻音，這就是嘯叫現象。嘯叫現象在擴聲系統中非常常見，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、功放等設備很容易因信號過強而燒毀損壞。這種現象直接制約了擴聲系統的音量最大增益，是擴音技術的難點、痛點。

1 飛機嘯叫現象危害

在民用飛機上，當揚聲器打開機組成員發話同時側音(自聽音)處于激活的狀態時，駕駛艙內的麥克風、音頻放大設備、揚聲器構成一個典型的擴音系統。駕駛艙是一個封閉的小空間，揚聲器與麥克風離得近，如果設計時不做考慮，很容易產生“嘯叫”現象[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，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，減少設備使用壽命。

當駕駛艙發生嘯叫時應立即將激活的麥克風遠離揚聲器，松開麥克風按壓發話開關(PTT)，如再需要發話可調小揚聲器音量，或者關閉揚聲器并使用耳機監聽。

2 嘯叫生成條件

當聲音信號通過擴聲喇叭輸出時，經過周圍物體的反射與折射，再次進入麥克風作為信號輸入，即產生反饋信號。當產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，如此循環往復，將輸入信號不斷放大，將產生自激振蕩，即嘯叫現象[5]。

簡單來說，嘯叫產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)喇叭發出的聲音通過空間可以傳到送話器；

3)擴聲喇叭發出的聲壓足夠大，麥克風的靈敏度足夠高；

總結其產生的原因的本質，嘯叫產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，即聲反饋環路為正反饋。

Sin是音源信號，即希望被擴聲系統放大的信號；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。當滿足正反饋產生的條件時，擴聲系統將產生自激振蕩，這種現象被稱為嘯叫[6-7]。

系統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)得閉環傳遞函數：

(4)

閉環傳遞函數存在閉環極點。擴聲系統的開環傳遞函數為：

T(z)=F(z)×A(z)

(5)

如果公式(4)的極點出現在單位圓外或單位圓上時，則表示系統不穩定[8]。根據Nyquist原理，得到系統的振蕩條件為：

(6)

式中，k為整數。

公式(6)中的兩個公式分別表示擴聲系統出現自激振蕩現象的相位條件和幅度條件，只有當輸入信號頻率滿足公式(6)時，才會產生自激振蕩。如圖1所示，首先，聲源信號經過信號處理模塊，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，由于周圍環境物體的折射和反射，有一部分信號反饋到麥克風。當反饋到麥克風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，就同時滿足了系統產生自激振蕩的相位條件和幅度條件。此時，即使麥克風沒有輸入信號，反饋信號也會持續輸入，揚聲器發出尖銳的單頻音，系統就會產生嘯叫[9-10]。

圖1 正反饋框圖

3 避免嘯叫的方法

3.1 斷開環路

根據上文分析的嘯叫成因，只要在任意環節斷開正反饋環路就可以消除嘯叫。

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

3.2 從環境上來減輕

駕駛艙空間不大，聲波擴散不良，揚聲器發出的聲音被內飾表面反射甚至共振加強串入麥克風，一旦相位幅值條件滿足公式(6)，就會出現嘯叫。所以駕駛艙內飾使用吸聲材料，減小反射回麥克風的聲音是有必要的。

駕駛艙的具體形狀和實際的聲學狀況，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。考慮到駕駛艙形狀和容積不同，根據建聲原理，不同駕駛艙的共振頻率(此頻率聲音在原本基礎上得到加強)也是不盡相同。另外，針對駕駛艙內部不同的內飾吸聲材料和吸聲結構，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，駕駛艙內聲學狀態對于飛機音頻系統的聲音信號反饋起著相當重要的作用。

3.3 揚聲器布置

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

3.4 適當降低靈敏度和揚聲器音量

麥克風的靈敏度高，更容易出現嘯叫；需要注意的是，擴音系統是否出現嘯叫并不是由麥克風的靈敏度決定的。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計中是需要折衷的。

3.5 擴聲系統內部

1)使擴音系統的頻響曲線平坦

使擴音系統的頻響曲線盡量平坦，消除曲線尖峰現象。任何一套擴音系統，都做不到理想平直的幅頻響應曲線。實際的系統幅頻響應曲線會在某些頻率點出現尖峰毛刺，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生自激震蕩，出現音響系統嘯叫[3]。

2)聲反饋抑制技術

音響系統出現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這一思想設計的。反饋抑制器工作原理是：利用計算機技術快速掃描、自動尋找出發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轉換A/D變換器、窄帶數字濾波器組、數字信號處理器、反饋中心頻率檢測器以及數模轉換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轉換器轉換成數字信號后，分別送入數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字信號處理器設定這一頻率，使用一個與該頻率相同的窄帶數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，對音頻信號的音質影響小。

3)自適應聲反饋消除技術

如果能直接在音頻設備內部識別出反饋信號，并將反饋信號濾除，可以更好的保證音頻信號的音質[5]。自適應聲反饋消除技術的主要原理是使用自適應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聲反饋消除原理框圖。其中，H(z)表示參數可調濾波器，跟隨Sc信號自適應調整；Sin為整個擴聲系統真正需要放大的信號；Sfb為聲反饋信號；Ssum為麥克風信號；Sout用以驅動揚聲器并作為濾波器H(z)的輸入；Sfb′為自適應濾波器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。

圖3 自適應聲反饋消除原理框圖

4 結論

在設計之初如果未考慮周全，在飛機駕駛艙這樣的封閉小空間，很容易產生“嘯叫”現象。嘯叫的危害很大，不僅影響到音頻設備使用壽命及嚴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，在機載音頻設備內部集成聲反饋抑制算法也是避免音頻系統出現嘯叫的有效辦法。