《武汉工程大学学报》 2015年07期
45-48
出版日期：2015-07-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
主动降噪技术在航空外场中的应用
０ 引 言在航空外场工作的机务人员的环境中充斥着强大的飞机发动机噪音，由于缺乏有效的噪声过滤设备，导致机务人员的听力和心脏等器官都会受到了不同程度的损伤，从而不能有效的完成工作. 与此同时，在强大的噪声干扰下，机务人员通常只能采用打手势的方式进行交流，而无法通过语音有效地传递信息，严重影响了机务人员的工作效率，因此广大机务人员迫切需要一种能够有效消除噪声损害和干扰的微型设备. 由于电子技术和大规模集成芯片技术在我国起步较晚，早期生产的无线耳机体积大、重量重、过滤效果不理想，导致此类设备未能得到推广. 然而随着电子技术的发展，使得过去需要用庞大的电子电路才能实现的功能，现在只需要一块小如指甲盖的ＡＲＭ芯片就能实现．本文就是利用此类芯片实现主动降噪技术［１］，可以有效的解决机务人员长期以来迫切希望解决的噪音损害难题. １ 采集和分析航空外场噪声为分析航空外场噪声的特性，分别在航空外场飞机周围安装多个音频和声学分析仪采集噪声数据. 音频和声学分析仪使用ＮＴＩ ＡＵＤＩＯ公司的ＸＬ２型号仪器，麦克风采用符合级别１技术指标的Ｍ２２１０. 图１是航空外场飞机发动机正常工作情况下的频谱，从图中可以看出发动机的低频噪声是噪声的主要成分，但是在航空外场为了降低发动机噪音的危害通长都是通过物理隔音，但是依靠一定厚度的隔音耳罩进行物理隔音的效果有限，经过试验表明，隔音耳罩对８００ Ｈｚ以上的的发动机噪声表现出较好的抑制效果，对８００ Ｈｚ以下的低频噪声，尤其是４００ Ｈｚ以下的低频噪声隔声效果却较差. 所以为了消除发动机低频噪声，在对低频信号进行降噪时，最好的方法是采用主动降噪技术.图１ 某航空发动机噪声的频谱Ｆｉｇ．１ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｎｏｉｓｅ ２ 主动降噪技术方案的实现主动降噪技术是从消除噪音本身出发，主动消除干扰，具有降噪效果好、耗能少、价格低、失真低等优点［２－３］. ２．１ 主动降噪技术的介绍和基本工作原理主动降噪技术是通过在隔音耳罩内部很接近耳机内部的扬声器处放置一个麦克风，如图２所示，该麦克风可对人耳听到的噪声进行采样，在经过反向、放大后驱动扬声器产生一个“反噪声”，用来抵消外界通过耳罩传入的噪声，只要合理选择放大器的增益，就可获得良好的噪声抵消效果. 同时，为避免自激震荡，系统还必须有很高的信噪比. 图２ 反馈式主动降噪的原理Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｃｔｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ２．２ 主动降噪技术方案的硬件实现针对上述要求，方案选择奥地利微电子公司最新推出的反馈式主动降噪芯片ＡＳ３５０２，该芯片以纯模拟方式工作，容易控制延时，无需ＣＰＵ干预，避免了软件计算所必须的延时，还具有低功耗、极高的声音品质和高集成度等优点. 基于ＡＳ３５０２的反馈式主动降噪电路原理如图３所示. 其工作原理：芯片的引脚１１（ＭＩＣＳ）可产生麦克风所需的静态工作偏压，采集的声音信号经采样电容Ｃ９、Ｃ１１分别送入引脚９（ＭＩＣＬ）和引脚１２（ＭＩＣＲ），输入的声音信号再经引脚１（ＩＯＰ１Ｌ）、引脚３１（ＩＯＰ２Ｌ）外接的ＲＣ低通滤波网络（低通截止频率ｆ＝■２ ０００ Ｈｚ）进行滤波，从而获得低频噪声信号，经内部集成电路反相处理后，可得反相后的低频噪声信号，最后经耳机左声道输出引脚２０（ＨＰＬ）和耳机右声道输出引脚２２（ＨＰＲ）输出，可同时驱动两个喇叭产生“反噪声”，用以抵消原噪声，获得主动降噪效果. 引脚２３、２４为＋３Ｖ电源输入引脚. 无线模块接收到的无线语音被转换为模拟信号后可送入语音信号输入引脚５（ＬＩＮＬ）、６（ＬＩＮＲ），被放大后可直接由ＨＰＬ和ＨＰＲ引脚输出驱动左右喇叭还原为语音. 在该方案中，采用的是一款性能精良的麦克风放大器，每个增益的调整都非常精准，且在其内部采用的是低功耗的运算放大器，在配合外部滤波器的情况下，可以精准地还原和补偿外界环境造成的一些失真. 有效的滤除发动机噪音，为在航空外场的工作人员营造了一个舒适的工作环境. ２．３ 测试结果与分析通过ＭＡＴＬＡＢ［５］对经过主动降噪技术处理之后的语音信号和经过物理隔音处理的语音信号进行对比. 通过物理隔音处理前的信号和经过主动降噪技术处理后的信号都交给ＭＡＴＬＡＢ 进行性能分析. 在分析完数据后ＭＡＴＬＡＢ 将画出相应的曲线图来输出分析结果. 本文是将１０ ０００个数据进行分组，一组２００个数据，分别对每组数据求信噪比，一共５０个值，即采到的５０个点，一个周期内的信噪比作为此采样点的值. 这样可以使图中的信噪比曲线稳定一些. 在图４中经过物理隔音处理过的信号的总体信噪比是９．５ ｄＢ，经过主动降噪技术处理过的信号总体的信噪比是１５．５ ｄＢ. 由此可知在经过主动降噪技术处理后，总体信噪比提高了６ ｄＢ.图３ ＡＳ３５０２的反馈式主动降噪电路原理图Ｆｉｇ．３ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＡＳ３５０２ 从图４中还可以看出信号的信噪比最大提高１５ ｄＢ. 通过对信噪比性能指标的分析，主动降噪技术的消噪性能是有效的，能在环境变化时平滑过渡，提高输出信号的质量. 可以为在航空外场工作的机务人员提供一个舒适的工作环境. 图４ 去除噪声前后信噪比对比Ｆｉｇ．4 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＳＮＲ３ 结 语目前主动降噪技术还没有应用到航空外场飞机发动机维修通信过程中，但是已经在汽车领域和其他的一些领域得到了很好的应用. 随着航空外场机务人员对自身工作环境的舒适度逐渐增加，将主动降噪技术运用到航空外场发动机维修通信过程中已成必然之势，这将可以有效地滤除机务人员工作环境中强大的发动机噪声，为机务人员提供舒适的工作环境. 致 谢感谢武汉工程大学研究生教育创新基金项目和湖北省教育厅科学技术研究项目提供的资金支持.