關鍵聽覺區(qū)域主動消減聲場裝置設計及性能評價

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.軍事科學院軍事醫(yī)學研究院環(huán)境醫(yī)學與作業(yè)醫(yī)學研究所， 天津 300050； 2.南京信息工程大學電子與信息工程學院， 南京 210044； 3.北京聲科測聲學技術有限公司， 北京 100015)

1 引言

艙室作業(yè)環(huán)境聲源多，噪聲強度大，特別是各種機械振動和電磁激勵產生的低頻噪聲控制更為困難[1]，高強度低頻噪聲可造成機體聽覺損傷以及睡眠、認知等繼發(fā)性功能障礙，并引起信息化作業(yè)效能下降[2]，對信息化作業(yè)信號識別等認知功能也有不良影響[3]。 艙室型裝備平臺(包括潛艇、地下陣地等密閉艙室及坦克、裝甲、戰(zhàn)斗機等半密閉艙室)是當前及未來信息化、智能化等新的戰(zhàn)爭形態(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)的護耳器、被動隔聲結構等依靠增加屏蔽材料的被動降噪方法，對于500 Hz 以下低頻降噪效果不夠理想，而且還嚴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，其原理是噪聲源經過次級通路濾波得到參考信號進行噪聲主動控制，多通道FxLMS 算法原理相同，只是運算量增加[4]。 根據(jù)艙室作業(yè)模式空間有限的特點，基于聲波干涉的主動降噪技術是解決個體防護、保障作業(yè)效能的有效途徑[5]。

適用于艙室降噪的主動降噪技術通常有降噪耳機[6]與空間降噪裝置[7]。 降噪耳機直接佩戴在人的頭部，體積較大，佩戴舒適性較差，同時影響艙室內的面對面語頻信息交流，不適宜艙室內長時間使用[8]，空間降噪裝置往往成本較高[9]。國內外針對三維空間的主動降噪裝置開展了大量研究，如早期在雙螺旋槳推進器飛機機艙內的主動降噪，獲得了較為理想的降噪效果[10]；姜吉光等[11]在車內應用主動降噪能夠獲得6.6 dB 的降噪量；章月新等[12]研究對比了多通道主動降噪與單通道主動降噪效果，對于低頻窄帶噪聲，多通道系統(tǒng)降噪效果顯著；李卓林等[13]設計的雙通道室內主動降噪器，對機械旋轉噪聲降噪量達到6 dB，對鳴笛聲降噪量達到9 dB，可滿足一般的室內個人降噪需求。

目前軍事艙室降噪應用尚未見大規(guī)模應用的報道[14]。 本文針對長時程密閉艙室作業(yè)主動降噪問題，基于前饋、反饋有源噪聲控制系統(tǒng)，設計一種雙通道區(qū)域主動消減聲場裝置，實現(xiàn)人耳附近關鍵聽覺區(qū)域有源靜音區(qū)的形成，并通過實驗驗證降噪效果的有效性。

2 方法

2.1 總體方案

本系統(tǒng)為雙通道主動降噪系統(tǒng)，即頭枕內包含2 個次級聲源。 為使得誤差傳感器準確地反映到達人耳的實際噪聲，將2 個誤差傳感器分別安裝于人體左右耳旁，整體降噪系統(tǒng)結構如圖1 所示。 實線框內為控制器電路，包括前饋控制器和反饋控制器。 實線框外為參考傳感器、誤差傳感器及揚聲器(次級聲源)。 參考傳聲器獲取噪聲源處的參考信號，經控制器處理后產生控制信號輸出到次級聲源，使誤差傳聲器處的噪聲信號最小。

圖1 整體降噪系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure diagram of overall noise reduction system

2.2 設計原理

目前常用的自適應前饋結構如圖2 陰影部分所示，圖中d(k)、e(k)、v(k)、x(k) 分別是初級噪聲、誤差信號、前饋結構的參考信號和不相關的噪聲信號，P(z)、S(z)、S＾(z)、Wf(z) 分別為初級路徑、次級路徑、次級路徑估計和前饋控制器。 前饋結構穩(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，保證控制系統(tǒng)有足夠的時間來計算次級信號，并經次級源作用，在誤差傳聲器處與初級噪聲相互抵消[5]。 相干性條件要求參考傳聲器獲取的噪聲信號與誤差傳聲器處的噪聲信號有高的相干系數(shù)[5]，即參考信號中有足夠的誤差傳聲器處噪聲信號的信息。 為了實現(xiàn)最佳降噪效果，即誤差傳聲器信號理論值為零，在Z變換域，前饋控制器Wf(z) 的理論解為式(1):

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

實際艙室作業(yè)環(huán)境是多聲源、大強度的復雜聲場，難以滿足前饋結構的因果性和相干性條件。因此，參考混合主動降噪的方法[15]，本文采用前饋、反饋混合結構的有源噪聲控制系統(tǒng)，前饋結構可以控制因果性高、相干性強的部分噪聲，反饋結構可以控制不滿足因果性、相干性的部分噪聲，因此前饋、反饋結構可以組合起來更大程度發(fā)揮彼此的互補作用，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構，其中Wb(z) 為反饋控制器。 在Z變換域，誤差傳聲器信號可表示為式(2):

為了降低前饋和反饋結構之間的耦合，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構。 為區(qū)別于圖2，在反饋部分變量下標由“b”改為“s”。 可以看出反饋結構的參考信號直接來自誤差信號，即式(3):

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

假設次級路徑估計誤差足夠小，即S(z)＝(z) 且D(z)＝X(z)P(z) ， 則存在式(4)所示關系:

這種簡化方法將前饋和反饋結構解耦，前饋結構不會直接影響反饋結構。 由式(4)可得前饋和反饋結構可以獨立更新，實現(xiàn)解耦結構。 反饋結構旨在控制不相關干擾v(k) ，其理想解是更新控制器Ws(z) ，使其在目標頻譜范圍內具有較強增益，并使項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) 來衰減d(k) 。

2.3 系統(tǒng)硬件設計

主動降噪頭枕系統(tǒng)結構如圖4 所示，其中主動降噪(ANC)控制器為系統(tǒng)核心，負責系統(tǒng)處理分析采集和輸出信號，并與計算機進行交互；頭枕模塊內嵌有次級聲源，含左、右2 個通道，分別針對人耳左、右區(qū)域的降噪實現(xiàn)；數(shù)據(jù)采集模塊，主要針對部署在系統(tǒng)內的麥克風供電及信號調理，完成聲場信號采集及降噪量觀測。

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

2.4 降噪性能評價及數(shù)據(jù)處理

為驗證系統(tǒng)性能，測量單頻噪聲、白噪聲及錄制的實際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲的降噪效果。 聲學測試采用聲壓頻譜分析法，如圖5 所示，誤差傳感器內嵌于頭枕左右兩側，人工頭(HCCO-s，北京奧音貝科技有限公司)放置在主動降噪頭枕前，將MP40 傳聲器(北京聲科測聲學技術有限公司)放置于人工頭聲學測試系統(tǒng)雙耳附件關鍵聽覺區(qū)域，初級噪聲源與前饋參考信號即參考麥克風均位于座椅下方，依次測量主動降噪系統(tǒng)關閉/開啟時各測點處聲壓級的變化。

圖5 主動降噪測試位點示意圖Fig.5 Active noise reduction test site

模擬艙室的密閉空間長寬高為4 m×5 m×2.7 m。 測試聲信號依次為: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。 每種噪聲主動降噪系統(tǒng)關閉/開啟前后分別測量10 次，聲壓級作為降噪量的指標，以均數(shù)±標準差表示，全頻段總聲壓級比較采用t檢驗，P<0.05 認為差異具有統(tǒng)計學意義。

3 結果與討論

降噪前后的頻譜比較如圖6 所示，對于200 Hz單頻噪聲，頻譜在200 Hz 的聲壓級明顯下降，驗證了系統(tǒng)基本的降噪能力。 對于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

進一步計算全頻段總聲壓級，結果如圖7 所示。 200 Hz 單頻噪聲全頻段聲壓級降噪前為73.07±0.07 dB，降噪后為50.98±0.08 dB，降噪量達22.09 dB；100～300 Hz 白噪聲全頻段聲壓級降噪前為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 白噪聲的降噪結果檢驗了消減聲場裝置的基本降噪能力，表明對于低頻段噪聲具有良好的降噪效果。 對于錄制的實際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲，全頻段聲壓級降噪前為61.56±0.11 dB，降噪后為55.49±0.65 dB，降噪量達6.07 dB，能夠有效降低艙室環(huán)境的低頻噪聲。 系統(tǒng)響應范圍決定了其對于低于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)響應范圍可進一步增強ANC 系統(tǒng)的降噪性能。 相關研究通過主動降噪技術，分別對車內[11]及室內[13]噪聲實現(xiàn)了約6 dB 的降噪量。 本文研制的主動消減聲場裝置針對實際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲達到了類似水平的降噪效果，進一步體現(xiàn)了該主動消減聲場裝置在艙室作業(yè)環(huán)境的應用潛力。 NASA 國際空間站技術報告[16]指出，噪聲暴露影響乘員的情緒和認知作業(yè)等。 目前艙內噪聲難以避免，航天員聽力保護計劃不僅包括個人噪聲防護，也包含對區(qū)域內降噪，尤其是睡眠區(qū)噪聲控制。 中國天宮一號艙內雖然進行了一系列噪聲抑制，但仍存在60 dB 左右的噪聲[17]，6 dB的聽覺區(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(n＝10)Fig.7 Full band sound pressure level before and after different noise reduction(n＝10)

4 結論

1)本研究采用的前反饋組合區(qū)域主動降噪結構可有效降低前反饋結構之間的耦合，前饋和反饋結構可各自單獨運行與設置控制參數(shù)，便于不同場景下的軍事艙室作業(yè)噪聲環(huán)境的工程應用。

2)通過聲壓頻譜分析實驗，驗證了主動消減聲場裝置對低頻噪聲具有良好的降噪效果，對于實際艙室作業(yè)環(huán)境噪聲的全頻段聲壓級降噪量達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應用。

3)目前的原理樣機在小型化、輕量化方面還需進一步的工業(yè)設計優(yōu)化，下一步還需對次級聲源體積、傳聲器安裝結構及系統(tǒng)設計進行優(yōu)化，協(xié)調傳聲器觀測點降噪量與用戶實際體驗的平衡。

4)本項目基于聲波干涉的主動降噪機制，實現(xiàn)了對關鍵聽覺區(qū)域低頻噪聲的有效地控制，同時保證語頻信號交流及作業(yè)效能提升，對移動戰(zhàn)斗艙室長時程作業(yè)效能的保障具有重要意義。