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比翱研究院丨抗噪新先锋：主动声音控制的基础和未来（1）

Prosynx · 公众号 · · 2024-08-06 08:00

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当前，主动声音控制已被应用于许多实际的噪声控制挑战与项目实践中，商业应用包括汽车发动机和道路噪声控制、螺旋桨飞机降噪，当然还有降噪耳机。进一步利用该技术的研究和开发也在各个领域继续进行，特别是包括海事应用、消费品和建筑环境等。然而，通往这一生产力的历史道路是漫长的，在科学认识、技术发展和吸收利用方面都有一些有趣的转折。

声音的主动控制基于两个或多个声源产生的波如何相互干扰以产生所需声场分布的基本物理原理。 Young （ 1804 ）在光的背景下建立了波之间干涉的物理发生，我们可能都经历过相关的双缝实验（ double-slit experiment ）。瑞利勋爵（ Strutt ， 1878 ）将这一理解扩展到声波，他报告说在两个电磁激励音叉产生的声场中观察到了“寂静之地”。然而，瑞利一再指出，由于需要仔细同步多个源，实验实现这种干扰模式存在实际挑战。这在一定程度上解释了为什么近一个世纪过去了，主动声音控制系统才变得切实可行，该系统依靠精心调谐的破坏性和建设性声场干扰来实现从空间音频再现到声学隐身的各种目标（ Cheer ， 2016 ）。

本文首先简要介绍主动声音控制的物理基础，然后回顾其历史发展和关键里程碑。最后，讨论可能影响我们日常生活的主动声音控制的未来潜力。

主动声音控制的物理基础

主动声音控制技术的基本基础是基于叠加原理，这是线性系统的一个基本性质，即当两个或多个波同时穿过同一空间时，净响应是各个波的总和。许多涉及声学的日常情况都可以很好地近似为线性系统，因此遵循叠加原理。例如，在使用两个扬声器的经典高保真立体声设置中，我们听到的声音是由每个扬声器在每只耳朵上产生的两个压力的总和或叠加给出的。在声学中，声压是相对于静止的环境压力测量的。这意味着，大于环境压力的压力对应于正声压，小于环境压力的压强对应于负声压。因此，考虑到立体声高保真应用，我们耳朵上产生的两个正压会叠加在一起，产生增强的总声压，而正压叠加负压会降低总声压级。

图 1 ：使用正弦波信号说明两种基本叠加效应。使用相消干涉进行声音消除（上图）；使用相长干涉增强声音（底图）

叠加的概念如图 1 所示，其中显示了两个正弦信号的叠加示例。图 1 （上）被广泛用于说明主动噪声控制的原理。它显示了两个振幅相等但相位相反的正弦信号。叠加这两个信号会导致主信号被次信号完全抵消，从而产生一个值为零的组合信号。这个过程通常被称为“噪声消除”，术语“抗噪声”（ anti-noise ）用于将次级声音信号描述为初级信号的“对立面”，尽管这种观点忽略了实际主动噪声控制系统设计的许多细节。值得注意的是，这个概念不限于正弦信号，原则上可以扩展到任意的主信号（例如语音），只要可以生成次级信号来精确地抵消主信号。

图 1 底图说明了叠加原理的另一个基本结果，该原理在主动噪声控制的背景下不太常被讨论，但与主动声音控制有更广泛的关系。在这种情况下，两个正弦信号彼此同相，这导致两个信号之间的相长干涉，并使组合信号的幅度加倍。该原理用于各种主动声音控制应用，包括主动声音均衡（ Kuo 和 Ji ， 1995 ），其中主动控制不仅可以用来衰减不想要的噪声，还可以用来增强想要的噪声。例如，这些技术可用于主动修改内燃机的声学特性，使低功率发动机听起来更具运动性（ Samarasinghe 等人， 2016 ）。

图 1 所示的示例适用于时间和空间中的干扰机制。因此，在主动声音控制中，在时间和空间上控制次级信号至关重要。这意味着在大空间内主动控制声音变得具有挑战性。

图 2 说明了单极源（如扬声器）向自由空间辐射球形声波的这一挑战。图 2 上图显示了主声源（ P ）在两个不同频率下辐射的声压场分布，深红色对应较高的压力振幅，浅黄色代表较低的声压级。在图 2 中图，在距离主源一定距离处添加了一个次级源（ S ），并与主源同相驱动。这导致了复杂的干涉图案，其中由于相消干涉而具有低声压级的区域，由于相长干涉而具有增强的声压级的区域。随着频率的增加和波长的减小，干涉图案的复杂性也会增加，产生更多的低声压级和高声压级区域。

图 2 ：模拟为单极源的一次源（ P ）和二次源（ S ）在低频和高频下向三维自由场辐射的声压。源之间的间距等于低频声波长的 0.7 倍和高频声波长的 3.5 倍。顶部：场仅由主源辐射。中间：次级声源与初级声源同相辐射声音。底图：次级声源与初级声源异相

这些声场干扰模式突显了三维声场中主动声音控制的两个关键挑战：首先，单个次级源辐射的声场相位不能在空间的不同位置独立控制。这意味着用异相信号驱动次级源以在一个位置实现抵消可能会导致在另一个位置（可能是不希望的）声音增强。其次，由于干扰模式取决于频率，因此一个频率的安静区可能对应于另一个频率下声压级增强的区域，这使次级源的调谐变得复杂。

在主动噪声控制方面，一个常见的误解是，为了“消除”声音，需要将次级声源与初级声源异相驱动。这种情况如图 2 底图所示，该图显示，当主源和次源不在空间中的同一点上时，整个空间的抵消不会因两个源相位不同而产生。事实上，与源彼此同相的情况相比，将次级源驱动异相只会导致抵消和增强交换位置的区域。

在实际的主动声音控制系统中，需要驱动次级源，以便在所需的目标位置实现所需的压力降低或增强。在许多实际情况下，主声源不在一个点上起作用，而是分布在空间上，单个次声源根本无法产生所需的复杂声场，特别是在大体积（如房间或机舱）和更高频率的情况下。因此，在实践中使用了多个次级声源，以在更宽的空间音量上实现所需的声音控制程度。

我们现在知道，为了主动控制主声源辐射的声音，我们需要至少一个次声源，该次声源必须以相对于主声源的特定相位关系驱动，以实现所需的声场。在主动噪声控制的背景下，这通常会引发关于系统中能量平衡的问题： “如果引入次级声源来降低声压，但该次级声源也通过其辐射声功率将能量引入系统，为什么次级声源没有增加系统中的总能量？”

比翱研究院丨抗噪新先锋：主动声音控制的基础和未来（1）

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