有源噪声控制技术漫谈

大脑袋瓜

　　噪声污染是现代社会的重要污染之一,传统的噪声控制方法是采用吸声、隔声、消声等材料吸收噪声或阻挡噪声的传播，这种降噪方法称为无源噪声控制或被动噪声控制。无源噪声控制技术的控制效果与噪声波长有关，只对中高频段噪声具有良好的控制效果，但在低频噪声控制中，无源噪声控制技术要求使用材料或设备的尺寸、重量都比较大，成本高昂，控制效果也比较有限。

　　图1 P. Lueg提出的有源噪声控制原理图

　　与无源噪声控制相对应的是有源噪声控制技术，该技术具有设备体积小、重量轻、可以有效控制低频噪声等特点，在近些年来受到了学术界的广泛关注，在产业界也获得了应用。该技术最早于1936年由德国的P. Lueg提出，其原理如图1所示。

　　图1所示的有源噪声控制系统中，通过在干扰声源A(也称为初级声源)之外引入一个控制声源L(也称次级声源)，使其产生与干扰噪声幅度相同、相位相反的声波，利用声波干涉原理，可以达到衰减噪声的目的。这种技术称为有源噪声控制技术，也可称为主动噪声控制或有源噪声控制。

　　20世纪50 年代，Olson 和May 提出了“电子吸声器”的概念，首次在实验中实现了有源降噪效果。然而，受到技术条件的限制，此后几十年中有源控制的研究进展缓慢。直到20 世纪80年代以后，随着数字信号处理技术的高速发展，有源噪声控制技术重新得到快速发展。

　　图2 Bose QC35耳机。图源：Bose官网。

　　如今，有源噪声控制技术最成功的应用为有源降噪耳机，继Bose，Sony等公司推出一系列高端有源降噪耳机并大获成功后，AKG，B&O，小米，华为，FILL等公司也相继推出了自己的有源降噪耳机。图2即为Bose公司的QC35系列耳机。有源降噪耳机通过发出与到达鼓膜的环境噪声幅度相同、相位相反的声波，实现在人耳鼓膜处的噪声控制。在飞机、高铁、地铁等嘈杂的空间中，乘客佩戴降噪耳机后，可以大幅提高心理舒适度。基于相同的原理，管道中的有源降噪系统也获得了成功的应用。

　　然而在更多的场景中，人们希望可以摆脱耳机的束缚，在不佩戴耳机时依然可以有效地降低双耳处的噪声。如司机在开车时，有源降噪耳机在降低自身车辆行进过程中产生的噪声同时，也会降低车外的环境声，带来危险隐患，又如在卧铺中休息的乘客，不会希望在睡觉时还要佩戴耳机。于是，三维空间有源噪声控制技术成为了研究人员和一些创业公司关注的热点。

　　空间有源噪声控制主要分为局域空间有源噪声控制和全局空间有源噪声控制，前者通常只将人的双耳作为待控制目标，后者则依据惠更斯原理将整个有限空间作为待控制目标，系统控制复杂度非常高、难度大，在不同的场景中有着各自的优势，但目前局域空间有源噪声控制受到了更多的关注。

　　局域空间有源噪声控制已经成功地用在了一些中高端汽车中的发动机噪声控制中。有源噪声控制技术通过汽车扬声器发出次级声波，从而抵消司机双耳处由汽车发动机传来的噪声，在不影响安全性的前提下，提升了司乘人员的舒适度。随着电动汽车的普及，电机替代了发动机，在汽车低速行驶时，发动机的噪声不复存在，高速情况下的路噪、胎噪成为了电动汽车内的主要噪声来源。此时，传统的针对汽车发动机噪声控制的局域空间有源降噪技术又面临着考验，Bose最近声称其针对电动汽车的局域空间有源降噪解决方案已基本成熟，并于2021年底前投入量产。

　　除了在汽车领域，局域空间有源降噪技术在产业界的其他领域也有着乐观的应用前景。国内外一些科研院所和公司都做了一些研究工作，将该技术应用于空调、抽油烟机、空气净化器的出风管道降噪。

　　图3:等响曲线图 来源：知乎

　　从理论上说，有源噪声控制也有着一定的局限性，比如：有源噪声控制只对低频噪声控制效果较好，对高频分量较多的噪声控制效果有限，但通过等响曲线图可知，人耳对频率很低的噪声又不是很敏感，因此只有当噪声的频谱结构低频占主要成分时，有源噪声控制技术带来的主观舒适度提升更为明显;另外，当噪声来源复杂、且噪声为宽带随机噪声时，该技术对噪声的控制效果有限。

　　对技术的不断探索是科研人员的追求，在科研工作者研究性能更好、稳定性更高的算法同时，也不断在与国家需求、民生需求相结合，希望能够将该技术应用到更多的实际场景中。未来，不论是在TWS耳机上，还是飞机、高铁等交通工具中，或者家用电器、工业设备，有源噪声控制会在越来越多的场景下发挥其重要的作用。