有源噪声控制

环境学术语

一个将要被控制的噪声场被称为初级声场，其声源为初级声源，所产生的噪声为初级噪声或初级声波。人为产生的、用于抵消初级噪声的“反”噪声称为次级噪声或次级声波，形成的声场为次级声场；产生次级噪声的作动器称为次级作动器，如果该作动器为声源，则称为次级声源；如果为力源，则称为次级力源。在空间某一点，通过初级声波与次级声波的相消性干涉达到降噪目的的噪声控制方式称为有源噪声控制。

简介

有源噪声控制，简称为ANC，是指有目的地人为产生次级声信号去控制原有噪声的概念与方法；其中以降低噪声为目的的亦常称为有源降噪、有源噪声衰减或反声技术；而有源降噪中，原有噪声的能量被次级声源吸收并转化为热能的特别情况又称为有源消声或有源吸声。相应地，能够实现上述这些功能的设备或器件分别称为有源控制器、有源衰减器、有源吸收器等等。将有源控制方法用于一般的噪声防护或电声器件以提高其抗噪性能时，均在原有器件的名称前冠“有源”的字头，如有源护耳器，有源抗噪声送、受话器等。由于有源控制系统实际上是电子、电声技术在噪声控制中的应用，所以又常称之为电子抗噪器件，如电子吸声器等等。

有源噪声控制的机理

有源噪声控制有三种基本机理可以解释区域内声能量的流向：能量反射、能量吸收和能量存储。在一个特定的有源噪声控制问题中，这三种机理也可能同时存在。对于前两种机理究竟哪一种起作用，决定于次级声源的空间辐射特性，而第三种机理总是伴随着前两者之一存在着，它的影响与初级声源的距离有关。

声场中能量反射可以用干涉原理来解释，它使声能在空间重新分布，声能从相消干涉区转给相长干涉区。例如在管道有源降噪系统中，在下游区消声的条件下，将声能反射回上游形成驻波场。

能量吸收可以用JMC理论（由Jessel，Mangiante，Canevet创立的理论）来解释。在JMC理论出现以前，有源噪声控制系统中次级声源均使用点声源。这时空间内部分区域中噪声降低，必然会引起另外某些区域内的噪声升高，降噪原理是声能量从一个区域转移到另一个区域。当把点声源降噪方法用到三维空间时，就只能得到局部区域的降噪效果。JMC理论利用惠更斯原理解决了这一困难，将包围初级声源的闭合曲面作为次级声源，使初级声源变成一个具有吸收截面的能量陷阱，而令传播到一定区域内的声能变成抗性而不传播能量，并且逐渐通过吸收转变为热能。例如在管道内由两个扬声器单元组成的次级声源，在满足单指向性条件下就会吸收初级声源的能量，并以热能形式消耗在音圈上。吸收能量的过程是声波在扬声器之间作往复反射和吸收。

应该指出，多极子理论与JMC理论在概念上不完全相同。在JMC理论中，次级声源辐射不会对初级声源的辐射阻抗和初、次级声源之间的声场产生任何影响，噪声能量是单向地从初级声源流向次级声源。但是JMC理论可以用多极子声源来解释：因为惠更斯原理指出，一个声源向任意封闭曲面外辐射的声场都可以用该曲面上分布声源的辐射来替代。若把这一分布声源离散化，就可以得到许多点声源；JMC理论就相当于在这些点声源附近布置了三极子次级声源，从而在该面上形成一系列四极子声源，降低了封闭曲面以外的噪声场。

有源噪声控制系统的构成

一个有源噪声控制系统包括两部分或两个子系统：传感-作动和控制器。传感-作动中的传感器包括参考传感器和误差传感器（如果它们为传声器，则称为参考传声器和误差传声器），作动器为产生次级声场的次级声源（扬声器）或次级力源（激振器），有时简称次级源；控制器包括硬件和软件，其中软件以实现有源控制算法为目的，而硬件为软件提供物理平台。如果有源控制系统只包含一个次级源和一个误差传感器，则该系统为单通道系统；如果包含两个以上的次级源和误差传感器，则该系统为多通道系统。如果有源控制算法能够根据误差信号实时调整次级源强度，则该系统为自适应有源噪声控制系统。控制器硬件分为模拟和数字两种，模拟控制器一般只适合完成单通道、非自适应有源控制，而数字控制器的功能要强得多，可以实现多通道自适应有源控制。

有源噪声控制系统的分类

有源噪声控制系统的分类方法达数十种之多，涉及的分类因素也很复杂。例如，可以构成这样一种系统：采用近场误差传感策略、基于集中式的声控制方式的自适应前馈数字式多通道有源噪声控制系统。实际中，下列系统需要特别关注。

（1）模拟系统和数字系统

这两种系统的控制器分别由模拟电路和数字电路构成。模拟系统构造简单，成本低廉，但它只能完成传递函数简单（通常仅针对单通道有源控制系统）的控制器，系统特性不能适应环境的变化。数字系统多由数字信号处理器完成特定算法，通常是自适应的，适合完成多通道和时变环境下的有源噪声控制，可靠性好，但其价格相对较高，电路结构复杂。

（2）前馈系统和反馈系统

这两种系统的差别在于前馈系统需要获得参考信号，而反馈系统因无法得到参考信号，整个系统由误差传感器同时检测参考信号和误差信号。一般而言，只要可能人们宁愿采用前馈系统，因为它的稳定性比反馈系统要好得多。

（3）单通道系统和多通道系统

单通道系统中仅包含一个次级源和一个误差传感器，而多通道系统则包含两个以上的次级源和误差传感器。多数情况下，多通道系统对扩大消声空间、提高降噪量是必需的，但随着通道数的增多，控制器算法的复杂程度将大幅度地增加，这对保持系统的实时性和稳定性都十分不利。需要说明的是，多通道系统的实现方式又分为分散式、集中式和集群式三种。

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