主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用于船舶艙室的可行性分析

李 鵬，高小平，陳梅清，宋 震

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

在《中國(guó)制造2025》[1]中，船舶制造業(yè)作為我國(guó)制造業(yè)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，急需向高端制造轉(zhuǎn)型，提升船舶設(shè)計(jì)建造的水平。在看待船舶建造的觀點(diǎn)理念上，目前仍然過(guò)于強(qiáng)調(diào)船舶功能性，而對(duì)船舶艙室舒適性和對(duì)使用者的人文關(guān)懷重視程度不夠。對(duì)于某些使用人員需要長(zhǎng)期生活其中的艦船，如豪華郵輪、遠(yuǎn)洋貨運(yùn)船、大型遠(yuǎn)洋軍艦等，住艙等生活艙室的聲環(huán)境系統(tǒng)是直接面對(duì)使用人員的一種重要船用系統(tǒng)。船舶各個(gè)艙室中集成了眾多的電氣化設(shè)備，這些設(shè)備在狹小的空間中不可避免會(huì)發(fā)生共振，造成嚴(yán)重的空氣噪聲干擾，這給船上人員的身心健康造成了不良影響。

噪聲控制可以從噪聲源、噪聲傳播途徑和噪聲接受者三方面著手。傳統(tǒng)的噪聲控制手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、阻尼減振等，這些處理手段主要是通過(guò)降低噪聲的能量來(lái)達(dá)到降低噪聲的目的，屬于被動(dòng)降噪的控制方式[2]。主動(dòng)降噪技術(shù)是通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)采集，對(duì)噪聲信息進(jìn)行處理，主動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器與噪聲信號(hào)疊加，從而達(dá)到降低噪聲的目的。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)降噪技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展。

1 船舶艙室噪聲環(huán)境

船舶艙室噪聲環(huán)境較為復(fù)雜，通過(guò)對(duì)船舶噪聲的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，摒除不可預(yù)測(cè)的噪聲因子，船舶艙室噪聲基本可分為船舶運(yùn)行時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，以及船舶外部噪聲。

1.1 船舶內(nèi)部噪聲分析

船舶內(nèi)部噪聲源很多，其中發(fā)動(dòng)機(jī)、煙囪、空調(diào)等噪聲最為常見(jiàn)。對(duì)于靠近船舶機(jī)艙的值班室、底層住艙而言，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲最為明顯，本節(jié)著重分析常見(jiàn)的船用柴油機(jī)噪聲。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，記錄下了某型船舶大功率柴油機(jī)聲音文件。通過(guò)Matlab 分析，可將聲音文件的振幅和頻率展開(kāi)。其中，Matlab 函數(shù)庫(kù)中無(wú)對(duì)應(yīng)函數(shù)，可借用已有函數(shù)進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)對(duì)船用柴油機(jī)噪聲文件的分析，柴油機(jī)所發(fā)出的噪聲為單調(diào)的頻譜及諧波構(gòu)成；噪聲的頻率與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，詳見(jiàn)圖1。

圖 1 船用柴油機(jī)噪聲文件分析Fig. 1 Marine diesel engine noise file analysis

船用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低，一般正常航行時(shí)轉(zhuǎn)速為80～170 r/min，其噪聲主要集中在不超過(guò)180 Hz 的低頻段。

1.2 船舶外部噪聲分析

海浪是最為常見(jiàn)的船舶外部噪聲源。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的海浪聲音文件，應(yīng)用Matlab 分析，采用編制的soundfft（file）程序?qū)⒄穹皖l率展開(kāi)，詳見(jiàn)圖2。

圖 2 海浪噪聲文件分析Fig. 2 Analysis of wave noise file

海浪的聲音頻譜比較復(fù)雜，不過(guò)其噪聲也主要集中在不超過(guò)300 Hz 的低頻段。

2 主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用可行性分析

船舶艙室有自身模式特征，這些特征為主動(dòng)降噪技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的舞臺(tái)。

2.1 船舶艙室房間模式分析

目前，應(yīng)用主動(dòng)降噪技術(shù)的耳機(jī)早已問(wèn)世[3]，部分汽車(chē)中也配置了有源降噪設(shè)備，以提供舒適的駕乘環(huán)境[4]。然而，類(lèi)似旅館、酒店等大空間中，尚無(wú)主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用的案例。究其原因，由于大空間聲場(chǎng)的復(fù)雜性，主動(dòng)降噪技術(shù)無(wú)法處理次級(jí)聲源的數(shù)目與聲模態(tài)的匹配關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)大空間的主動(dòng)降噪研究鮮有人涉及[5]。

另外，主動(dòng)降噪效果與噪聲頻率有關(guān)，噪聲頻率在低頻范圍內(nèi)，即f≤500 Hz 時(shí)主動(dòng)降噪技術(shù)能明顯降低噪聲，實(shí)現(xiàn)降噪效果[6]。

2.2 主動(dòng)降噪技術(shù)原理

在主動(dòng)降噪技術(shù)領(lǐng)域的研究中，通常將有待控制的聲場(chǎng)稱(chēng)為初級(jí)聲場(chǎng)（primary sound field），其聲源稱(chēng)為初級(jí)聲源，所產(chǎn)生的噪聲為初級(jí)噪聲。而用于抵消該初級(jí)噪聲的反相噪聲稱(chēng)為次級(jí)噪聲，次級(jí)噪聲形成的聲場(chǎng)稱(chēng)為次級(jí)聲場(chǎng)（secondary sound field），產(chǎn)生次級(jí)噪聲的聲源則稱(chēng)為次級(jí)聲源。在空間中的某一點(diǎn)，通過(guò)初級(jí)噪聲與次級(jí)噪聲的相消性干涉達(dá)到降噪目的的噪聲控制方式即為主動(dòng)降噪（active noise control）[7]。

主動(dòng)降噪系統(tǒng)包括兩部分：傳感—作動(dòng)系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)。傳感—作動(dòng)系統(tǒng)中的傳感器包括參考傳聲器和誤差傳聲器（均為麥克風(fēng)陣列）；作動(dòng)器為產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)的次級(jí)聲源（揚(yáng)聲器系統(tǒng)）。控制器系統(tǒng)包括硬件（平臺(tái)）和軟件（算法）。控制器系統(tǒng)硬件一般可分為模擬和數(shù)字2 種，其中，數(shù)字信號(hào)處理器的功能要明顯強(qiáng)于模擬信號(hào)處理器，可以實(shí)現(xiàn)多通道自適應(yīng)的主動(dòng)降噪系統(tǒng)運(yùn)算。

2.3 主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用分析

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)合理布置揚(yáng)聲器陣列與麥克風(fēng)位置，可在一定的區(qū)域內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪效果[8]。

很多船舶艙室靠近機(jī)艙，值班人員的休息會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的很大影響；而靠近窗戶(hù)的客艙或值班艙室，人員的休息也容易受到海浪噪聲的影響，對(duì)存在睡眠障礙的人造成了困擾。這些位置距離噪聲源很近，采用被動(dòng)降噪方法無(wú)法達(dá)到滿(mǎn)意效果，而采用主動(dòng)降噪技術(shù)則提供了解決這些噪聲困擾的方法。該方法是在這些人員休息的位置，即床頭位置設(shè)置為主動(dòng)降噪?yún)^(qū)域。一方面，這些位置面對(duì)的噪聲環(huán)境皆為低頻噪聲，存在主動(dòng)降噪的可能性；另一方面，封閉空間的一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪，在技術(shù)上是可行的。

3 主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用路線(xiàn)

船舶艙室應(yīng)用主動(dòng)降噪技術(shù)，一方面是對(duì)系統(tǒng)硬件搭建的考慮，另一方面是對(duì)控制算法的探討[9]。下面以硬件系統(tǒng)為例，討論船舶艙室用主動(dòng)降噪技術(shù)路線(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

主動(dòng)降噪硬件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括原始噪音的采集、降噪?yún)^(qū)域剩余噪音的采集、數(shù)字信號(hào)處理器、主動(dòng)降噪揚(yáng)聲器及其驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)試用ENET 接口等部分。主動(dòng)降噪系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖 3 主動(dòng)降噪硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 Structure diagram of active noise reduction hardware system

3.2 數(shù)字信號(hào)處理器

高速微信號(hào)處理器用于處理降噪算法，具備六級(jí)、順序、雙發(fā)射超標(biāo)量流水線(xiàn)、指令和數(shù)據(jù)高速緩存、分支預(yù)測(cè)、SIMD 支持、緊耦合內(nèi)存（TCM）等特點(diǎn)。另外其內(nèi)部集成了DSP 指令集，支持硬件級(jí)別的單精度、雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算。高速的數(shù)據(jù)處理能力、較低的成本和功耗、高可靠性使其很適合作為船舶用主動(dòng)降噪系統(tǒng)的主處理器。

3.3 麥克風(fēng)陣列

麥克風(fēng)主要用于收集環(huán)境中的噪聲，并通過(guò)音頻ADC 轉(zhuǎn)化成數(shù)字序列送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理。麥克風(fēng)陣列的布置需要經(jīng)過(guò)大量仿真與實(shí)驗(yàn)。

3.4 揚(yáng)聲器系統(tǒng)

揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括音頻DAC、低噪聲大功率功放電路和揚(yáng)聲器，用于將數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算出的信息通過(guò)揚(yáng)聲器執(zhí)行。執(zhí)行過(guò)程通過(guò)產(chǎn)生與噪聲信號(hào)反相位、同幅度的信號(hào)以抵消空間中的噪聲信號(hào)。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，主動(dòng)降噪技術(shù)在部分領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，但在許多領(lǐng)域仍存在空白。一方面，其應(yīng)用受到需消除的噪聲對(duì)象的影響較大，很多受到噪聲影響的空間處在中高頻段，或無(wú)法確定頻率范圍，應(yīng)用主動(dòng)降噪技術(shù)效果并不明顯；另一方面，主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用門(mén)檻較高，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合均要有相應(yīng)的技術(shù)方案，可應(yīng)用的場(chǎng)合也不一定適合開(kāi)發(fā)針對(duì)性產(chǎn)品。船舶艙室屬于既適合應(yīng)用該技術(shù)，也具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)針對(duì)性產(chǎn)品的領(lǐng)域。