关键听觉区域主动消减声场装置设计及性能评价

王 坤， 崔 博*， 杲修杰， 佘晓俊， 杨红莲， 马科锋， 李 超，吴礼福， 任晓飞

(1.军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所， 天津 300050； 2.南京信息工程大学电子与信息工程学院， 南京 210044； 3.北京声科测声学技术有限公司， 北京 100015)

1 引言

舱室作业环境声源多，噪声强度大，特别是各种机械振动和电磁激励产生的低频噪声控制更为困难[1]，高强度低频噪声可造成机体听觉损伤以及睡眠、认知等继发性功能障碍，并引起信息化作业效能下降[2]，对信息化作业信号识别等认知功能也有不良影响[3]。 舱室型装备平台(包括潜艇、地下阵地等密闭舱室及坦克、装甲、战斗机等半密闭舱室)是当前及未来信息化、智能化等新的战争形态作战的重要物理载体。 舱室作业环境噪声，特别是低频噪声的有效控制及作业效能的提升仍是亟待解决的难题。

传统的护耳器、被动隔声结构等依靠增加屏蔽材料的被动降噪方法，对于500 Hz 以下低频降噪效果不够理想，而且还严重影响舱室信息交流和作业效能。 利用声波干涉原理的主动降噪(Active Noise Control，ANC)，又称有源噪声控制，是低频降噪的重要手段[4]。 ANC 中最常用的算法是FxLMS 算法，其原理是噪声源经过次级通路滤波得到参考信号进行噪声主动控制，多通道FxLMS 算法原理相同，只是运算量增加[4]。 根据舱室作业模式空间有限的特点，基于声波干涉的主动降噪技术是解决个体防护、保障作业效能的有效途径[5]。

适用于舱室降噪的主动降噪技术通常有降噪耳机[6]与空间降噪装置[7]。 降噪耳机直接佩戴在人的头部，体积较大，佩戴舒适性较差，同时影响舱室内的面对面语频信息交流，不适宜舱室内长时间使用[8]，空间降噪装置往往成本较高[9]。国内外针对三维空间的主动降噪装置开展了大量研究，如早期在双螺旋桨推进器飞机机舱内的主动降噪，获得了较为理想的降噪效果[10]；姜吉光等[11]在车内应用主动降噪能够获得6.6 dB 的降噪量；章月新等[12]研究对比了多通道主动降噪与单通道主动降噪效果，对于低频窄带噪声，多通道系统降噪效果显著；李卓林等[13]设计的双通道室内主动降噪器，对机械旋转噪声降噪量达到6 dB，对鸣笛声降噪量达到9 dB，可满足一般的室内个人降噪需求。

目前军事舱室降噪应用尚未见大规模应用的报道[14]。 本文针对长时程密闭舱室作业主动降噪问题，基于前馈、反馈有源噪声控制系统，设计一种双通道区域主动消减声场装置，实现人耳附近关键听觉区域有源静音区的形成，并通过实验验证降噪效果的有效性。

2 方法

2.1 总体方案

本系统为双通道主动降噪系统，即头枕内包含2 个次级声源。 为使得误差传感器准确地反映到达人耳的实际噪声，将2 个误差传感器分别安装于人体左右耳旁，整体降噪系统结构如图1 所示。 实线框内为控制器电路，包括前馈控制器和反馈控制器。 实线框外为参考传感器、误差传感器及扬声器(次级声源)。 参考传声器获取噪声源处的参考信号，经控制器处理后产生控制信号输出到次级声源，使误差传声器处的噪声信号最小。

图1 整体降噪系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of overall noise reduction system

2.2 设计原理

目前常用的自适应前馈结构如图2 阴影部分所示，图中d(k)、e(k)、v(k)、x(k) 分别是初级噪声、误差信号、前馈结构的参考信号和不相关的噪声信号，P(z)、S(z)、S＾(z)、Wf(z) 分别为初级路径、次级路径、次级路径估计和前馈控制器。 前馈结构稳定性高，但因果性与相干性是影响其性能的主要因素，因果性条件要求参考传声器必须先于误差传声器接收到噪声信号，保证控制系统有足够的时间来计算次级信号，并经次级源作用，在误差传声器处与初级噪声相互抵消[5]。 相干性条件要求参考传声器获取的噪声信号与误差传声器处的噪声信号有高的相干系数[5]，即参考信号中有足够的误差传声器处噪声信号的信息。 为了实现最佳降噪效果，即误差传声器信号理论值为零，在Z变换域，前馈控制器Wf(z) 的理论解为式(1):

图2 目前常用自适应前反馈组合方式[15]Fig.2 Commonly used adaptive front feedback combination method[15]

实际舱室作业环境是多声源、大强度的复杂声场，难以满足前馈结构的因果性和相干性条件。因此，参考混合主动降噪的方法[15]，本文采用前馈、反馈混合结构的有源噪声控制系统，前馈结构可以控制因果性高、相干性强的部分噪声，反馈结构可以控制不满足因果性、相干性的部分噪声，因此前馈、反馈结构可以组合起来更大程度发挥彼此的互补作用，以获得更好的噪声控制效果。 图2 非阴影部分所示为反馈结构，其中Wb(z) 为反馈控制器。 在Z变换域，误差传声器信号可表示为式(2):

为了降低前馈和反馈结构之间的耦合，使前反馈混合系统便于优化求解，本文采用图3 所示的前反馈混合结构。 为区别于图2，在反馈部分变量下标由“b”改为“s”。 可以看出反馈结构的参考信号直接来自误差信号，即式(3):

图3 本系统采用的自适应前反馈组合方式Fig.3 Adaptive front feedback combination mode of this system

假设次级路径估计误差足够小，即S(z)＝(z) 且D(z)＝X(z)P(z) ， 则存在式(4)所示关系:

这种简化方法将前馈和反馈结构解耦，前馈结构不会直接影响反馈结构。 由式(4)可得前馈和反馈结构可以独立更新，实现解耦结构。 反馈结构旨在控制不相关干扰v(k) ，其理想解是更新控制器Ws(z) ，使其在目标频谱范围内具有较强增益，并使项1/[1-S(z)Ws(z)] 尽可能小，而前馈控制滤波器Wf(z) 近似于-P(z)/S(z) 来衰减d(k) 。

2.3 系统硬件设计

主动降噪头枕系统结构如图4 所示，其中主动降噪(ANC)控制器为系统核心，负责系统处理分析采集和输出信号，并与计算机进行交互；头枕模块内嵌有次级声源，含左、右2 个通道，分别针对人耳左、右区域的降噪实现；数据采集模块，主要针对部署在系统内的麦克风供电及信号调理，完成声场信号采集及降噪量观测。

图4 主动降噪头枕系统框图Fig. 4 Block diagram of active noise reduction headrest system

2.4 降噪性能评价及数据处理

为验证系统性能，测量单频噪声、白噪声及录制的实际舱室作业环境噪声的降噪效果。 声学测试采用声压频谱分析法，如图5 所示，误差传感器内嵌于头枕左右两侧，人工头(HCCO-s，北京奥音贝科技有限公司)放置在主动降噪头枕前，将MP40 传声器(北京声科测声学技术有限公司)放置于人工头声学测试系统双耳附件关键听觉区域，初级噪声源与前馈参考信号即参考麦克风均位于座椅下方，依次测量主动降噪系统关闭/开启时各测点处声压级的变化。

图5 主动降噪测试位点示意图Fig.5 Active noise reduction test site

模拟舱室的密闭空间长宽高为4 m×5 m×2.7 m。 测试声信号依次为:200 Hz 单频噪声、100～300 Hz 白噪声以及录制的某型军事舱室作业环境噪声。 每种噪声主动降噪系统关闭/开启前后分别测量10 次，声压级作为降噪量的指标，以均数±标准差表示，全频段总声压级比较采用t检验，P<0.05 认为差异具有统计学意义。

3 结果与讨论

降噪前后的频谱比较如图6 所示，对于200 Hz单频噪声，频谱在200 Hz 的声压级明显下降，验证了系统基本的降噪能力。 对于100 ～300 Hz白噪声及录制的某型军事舱室作业环境噪声，低频段100 ～ 400 Hz 声压级降低明显，而400 Hz以上高频段降噪效果减弱。

图6 不同噪声降噪前后的频谱Fig.6 Spectrum of different noises before and after noise reduction

进一步计算全频段总声压级，结果如图7 所示。 200 Hz 单频噪声全频段声压级降噪前为73.07±0.07 dB，降噪后为50.98±0.08 dB，降噪量达22.09 dB；100～300 Hz 白噪声全频段声压级降噪前为58.31±0.26 dB，降噪后为42.76±1.08 dB，降噪量为15.55 dB；200 Hz 单频噪声和100～300Hz 白噪声的降噪结果检验了消减声场装置的基本降噪能力，表明对于低频段噪声具有良好的降噪效果。 对于录制的实际舱室作业环境噪声，全频段声压级降噪前为61.56±0.11 dB，降噪后为55.49±0.65 dB，降噪量达6.07 dB，能够有效降低舱室环境的低频噪声。 系统响应范围决定了其对于低于100 Hz 的低频分量和高于400 Hz 高频分量降噪能力有限，对于200 Hz 的单频噪声和100～300 Hz 的白噪声能量主要分布在100～400 Hz频率段，降噪量较大。 而录制的实际舱室作业环境噪声高频成分更多，降噪效果下降。今后，增大系统响应范围可进一步增强ANC 系统的降噪性能。 相关研究通过主动降噪技术，分别对车内[11]及室内[13]噪声实现了约6 dB 的降噪量。 本文研制的主动消减声场装置针对实际舱室作业环境噪声达到了类似水平的降噪效果，进一步体现了该主动消减声场装置在舱室作业环境的应用潜力。 NASA 国际空间站技术报告[16]指出，噪声暴露影响乘员的情绪和认知作业等。 目前舱内噪声难以避免，航天员听力保护计划不仅包括个人噪声防护，也包含对区域内降噪，尤其是睡眠区噪声控制。 中国天宫一号舱内虽然进行了一系列噪声抑制，但仍存在60 dB 左右的噪声[17]，6 dB的听觉区域降噪量能够有效降低噪声的影响，可为航天员在太空工作提供舒适的声环境。

图7 不同噪声降噪前后的全频段声压级(n＝10)Fig.7 Full band sound pressure level before and after different noise reduction(n＝10)

4 结论

1)本研究采用的前反馈组合区域主动降噪结构可有效降低前反馈结构之间的耦合，前馈和反馈结构可各自单独运行与设置控制参数，便于不同场景下的军事舱室作业噪声环境的工程应用。

2)通过声压频谱分析实验，验证了主动消减声场装置对低频噪声具有良好的降噪效果，对于实际舱室作业环境噪声的全频段声压级降噪量达6.07 dB，适合于舱室密闭作业环境的低频噪声控制的技术应用。

3)目前的原理样机在小型化、轻量化方面还需进一步的工业设计优化，下一步还需对次级声源体积、传声器安装结构及系统设计进行优化，协调传声器观测点降噪量与用户实际体验的平衡。

4)本项目基于声波干涉的主动降噪机制，实现了对关键听觉区域低频噪声的有效地控制，同时保证语频信号交流及作业效能提升，对移动战斗舱室长时程作业效能的保障具有重要意义。