ANC（Active Noise Control）基础介绍

介绍

噪声控制的基本概念

        环境中存在两种类型的噪声。一种是由湍流(turbulet noise)引起的，完全是随机的。湍流噪声将其能量均匀地分布在各个频带上。它被称为宽带噪声，例如喷气式飞机的低频声音和爆炸的脉冲噪声。另一种噪声叫做窄带噪声，它把大部分能量集中在特定的频率上。这种类型的噪声与旋转或重复的机器有关，所以它是周期性或近乎周期性的。窄带噪声的例子包括运输中的内燃机、作为辅助电源的压缩机和冰箱中的噪音，以及许多工业中用于输送散装物料的真空泵的噪音。

        控制噪声有被动和主动两种方法。

        被动降噪：传统的噪声控制方法使用被动技术，如外壳、屏障和消声器来减弱不需要的噪声。被动消声器利用挡板和管道组合引起的阻抗变化的概念来消除不希望听到的声音(反应性消声器)，或者利用声音在内衬吸音材料的管道中传播引起的能量损失的概念来提供消音(电阻性消声器)。反应性消声器通常用作内燃机的消声器，而电阻性消声器主要用于管道风扇噪声。这些被动消声器因其在宽频率范围内的高衰减而受到重视。然而，它们相对较大，成本高，在低频时无效，使得被动降噪方法往往不切实际。此外，如果管道中有气流，这些消声器通常会产生不希望的背压（back presure）。

        主动降噪：为了克服这些问题，主动噪声控制已引起相当大的兴趣。主动噪声控制系统包含一个电声装置，通过产生等幅和相反相位的反声(抗噪声)来消除不需要的声音。原始的、不需要的声音和抗噪音在声学上结合在一起，导致这两种声音的消除。图1显示了不需要的噪声(主噪声)、抵消噪声(抗噪声)以及当它们叠加时产生的残余噪声的波形。原始噪声消除的有效性取决于所产生的抗噪声的幅值和相位的准确性。

噪声控制的一般应用

        可以在小范围内实现大量降噪，特别是在低频(低于600hz)时。在低频情况下，采样率较低且只允许平面波传播，主动控制提供了真正的优势。

从几何角度看，主动噪声控制应用可分为以下四类:

1. 风道噪声:一维管道，如通风管道、排气管道、空调管道、管道等；
2. 室内噪声:封闭空间内的噪声；
3. 个人听力保护:高度压缩的室内噪声；
4. 自由空间噪声:辐射到开放空间的噪声。

        目前正在开发的主动噪声控制的具体应用包括在以下终端设备中衰减不可避免的噪声源:

1. 汽车(汽车，货车，卡车，土方机械，军用车辆)：单通道(一维)系统有排气系统、感应系统等电子消声器；多通道(三维)系统有乘客舱和重型设备操作舱内的噪声衰减，主动发动机支架，免提移动电话等；
2. 设备：单通道系统有空调风管、空调、冰箱、洗衣机、电炉、除湿机等；多通道系统有割草机、吸尘器、房间隔离(局部安静区)等；
3. 工业：风机、风管、烟囱、变压器、鼓风机、压缩机、泵、链锯、风洞、噪音工厂(在噪声源或许多当地安静区域)、公共电话亭、办公室隔间隔板、护耳器、耳机等。•交通:飞机、船舶、船只、直升机、雪地摩托、摩托车、柴油机车等
4. 交通：飞机、船舶、船只、直升机、雪地摩托、摩托车、柴油机车等 

ANC系统评估

        ANC系统在实际应用中，必须回答以下问题:

1. 应该采用哪种算法?
2. 扬声器和麦克风应该放在哪里?
3. 流动噪音(空气通过麦克风表面的噪音)将如何降低?
4. 演讲者的力量将如何增强?
5. 如何提高麦克风和扬声器的耐用性?
6. 如何降低硬件(控制器、麦克风和扬声器)的成本?为了适合工业或商业用途，ANC系统必须具有某些特性？
7. 在所需频段内的最大效率？
8. 关于安装的自主权(系统可以在制造时进行构建和预设，然后在现场安装)
9. 系统自适应处理物理参数(温度，气流等)的任何变化。
10. 系统元素的健壮性和可靠性以及控制电子设备的简化。 

ANC系统类型

宽带和窄带的区分

宽带噪声消除需要了解噪声源(主要噪声)，以便产生抗噪声信号。主噪声的测量被用作噪声消除器的参考输入。当相位和幅度在数字控制器中正确建模时，与参考输入信号相关的主噪声在噪声发生器(扬声器)的下游被消除。

对于窄带噪声消除(减少由旋转机械引起的周期性噪声)，已经开发了非常有效的主动技术，并且不依赖于因果关系(具有噪声信号的先验知识)。而不是使用输入麦克风，转速表信号提供有关噪声发生器的主频率的信息。由于所有的重复噪声都发生在机器基本旋转频率的谐波上，控制系统可以对这些已知的噪声频率建模并产生抗噪声信号。这种类型的控制系统是可取的在车内，因为它不会影响车辆的警告信号，无线电性能，或语音，这些通常不与发动机旋转同步。

前馈和反馈的区分

主动噪声控制系统有两种方法。前馈控制是相干参考噪声输入在通过对消扬声器之前被感知。反馈控制是主动噪声控制器试图在没有上游参考输入的情况下消除噪声（主要原理是根据误差来调整）。前馈ANC系统是目前使用的主要技术。

前馈ANC系统进一步分为两类:

• 带有声学输入传感器的自适应宽带前馈控制
• 带有非声学输入传感器的自适应窄带前馈控制

宽带前馈系统Broadband Feedforward System

单通道宽带前馈ANC系统

• 参考信号x(n)在通过扬声器之前由靠近噪声源的输入麦克风感知。噪声消除器使用参考输入信号产生振幅相等但相位相差180°的信号y(n)。
• 宽带前馈方法的基本原理是，上游噪声传感器(输入麦克风)和主动控制源(扬声器)之间的传播时间延迟提供了机会，以电方式将噪声重新引入电场中的某个位置，在那里它将导致抵消。
• 麦克风和扬声器之间的间距必须满足因果关系和高相干性原则，这意味着必须足够早地测量基准，以便在噪声信号到达扬声器时产生抗噪声信号（因果性）。此外，扬声器的噪声信号必须与输入输入麦克风的测量噪声非常相似，这意味着声学通道不能显著改变噪声（高相干性）。
• 误差传声器测量误差(或残余)信号e(n)，用于调整滤波器系数以使误差最小化。使用下游误差信号来调整自适应滤波器系数不构成反馈，因为误差信号没有与参考输入进行比较。

窄带前馈系统Narrowband Feedforward System

窄带前馈ANC系统

• 在噪声是周期性(或几乎周期性)并由旋转或往复机器产生的应用中，输入麦克风可以用非声学传感器如转速表、加速度计或光学传感器代替，这种替换消除了声音反馈的问题。
• 非声传感器信号与噪声源同步，用于模拟包含主噪声的基频和所有谐波的输入信号。这种系统通过自适应滤波合成的参考信号产生抵消信号来控制谐波噪声。在许多轿车、卡车、土方车辆等中，每分钟转数(RPM)信号是可用的，可作为参考信号。仍然需要一个误差麦克风来测量残留的声学噪声。然后利用该误差信号调整自适应滤波器的系数。

反馈ANC系统Feedback ANC System

反馈ANC系统

• 使用麦克风作为误差传感器来检测不需要的噪声。误差传感器信号通过放大器(电子滤波器)返回，其幅度和相位响应设计用于通过位于麦克风附近的扬声器在传感器上产生抵消。

• 这种配置仅在限制的频率范围内为周期性或带限噪声提供有限的衰减。它也有不稳定性，因为在高频有可能出现正反馈。
• 反馈ANC的应用之一是耳机和听力保护器。

多通道ANC系统Multiple-Channel ANC System

当声场的几何形状比较复杂时，仅用一个误差传声器调节一个次要声源来消除主噪声是不够的。复杂声场的控制既需要探索和开发最优策略，也需要构造适当的多声道控制器。这些任务需要使用多输入多输出自适应算法。一般的多通道ANC系统包括一系列传感器和执行器。

三维机箱的多通道ANC系统

参考文献

[1] Design of Active Noise Control Systems with the TM320 family,1996