黃 云, 何雙亮, 徐海濤, 薛長斌, 李鵬偉

(1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心, 北京 100190; 2.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室, 北京 100094)

1 引言

在載人航天任務(wù)中,艙外航天服裝備內(nèi)部始終存在著噪聲,噪聲主要來源于生命保障、環(huán)境控制系統(tǒng)、風道、管路和電子設(shè)備,其最大的瞬時噪聲值可以達到80 dB 以上[1]。艙外航天服內(nèi)部的噪聲超標時會造成通訊不暢、航天員聽力下降等問題[2]。在以往艙外航天服中,航天員佩戴通信頭戴設(shè)備抑制航天服內(nèi)部噪聲[3-4],但是通過材料隔聲對低頻段噪聲抑制效果差[5],同時也會限制航天員頭部的活動性。構(gòu)建空間場三維區(qū)域降噪,可以保證航天員在航天服內(nèi)正常工作時降噪的需要。美國目前已采用空間場主動降噪技術(shù)替代頭戴降噪方案[6]。

針對點狀一維空間降噪問題,傳統(tǒng)耳機類主動降噪技術(shù)(Active Noise Control,ANC)[7-9]采用麥克風陣列偵聽背景噪聲,通過噪聲控制算法計算反向聲波進行補償。如謝豫娟等[8]修改Fx-LMS(Filtered-x Least Mean Square)算法改善收斂噪聲控制速度。Shen 等[10]通過相干性選擇算法盡可能獲取清晰的參考噪聲信號。但是,點狀一維空間降噪技術(shù)不能全面監(jiān)控空間其他位置的噪聲抑制效果,而且需要直接佩戴耳機進行主動降噪,可能影響航天員的正常工作[11]。

新型空間場主動降噪技術(shù)在噪聲控制算法前引入噪聲聲場建模,通過聲場模型計算噪聲分布[12-14],提取對應(yīng)揚聲器控制參數(shù);將控制參數(shù)輸入噪聲控制算法中,實現(xiàn)全局空間實時降噪。但是,現(xiàn)有聲場建模算法較為復(fù)雜。由于計算能力限制,基于若干麥克風信號輸入難以實現(xiàn)實時噪聲抑制。國內(nèi)空間場降噪方案普遍處于固定場景中,如汽車內(nèi)部、空間站內(nèi)部[15]等。Liu 等[16]將實際場景約束于存在鏡像揚聲器的半自由場,并進行了解析解模型推導(dǎo)。Maeno 等[17]利用噪聲場的固有稀疏性,通過聲場平移構(gòu)建完全環(huán)繞的球形陣列,減少參考麥克風個數(shù)。此外,為了考慮不同場景的影響,深度學(xué)習(xí)也被用于不同聲學(xué)場景主動降噪技術(shù)[18]。

本文針對艙外航天服頭部空間特殊降噪需求,通過艙外航天服頭部空間多個噪聲源的識別和特征提取,引入多入多出艙外航天服主動降噪聲場模型,建立以聲全息函數(shù)為評價模型的主動降噪控制系統(tǒng),考慮實際部署約束搭建了空間場ANC 信號處理系統(tǒng),并進行試驗驗證。

2 艙外航天服主動降噪模型構(gòu)建

2.1 單入單出主動降噪模型

艙外航天服主動降噪系統(tǒng)目的是利用主動降噪控制器,盡可能抵消到達人耳處的外部噪聲。主動降噪系統(tǒng)包括麥克風陣列、控制器單元、揚聲器陣列。針對單入單出場景[19]噪聲源、聲音傳播路徑等因素,構(gòu)建前饋式主動降噪物理架構(gòu)并簡化為系統(tǒng)框圖,如圖1 所示。圖中,x(n) 為耳機設(shè)備中參考麥克風在噪聲傳播路徑中獲取的噪聲源,噪聲傳播的路徑稱為初級路徑P。W為主動降噪控制器,W對參考麥克風獲取的噪聲進行處理,輸出到揚聲器中,與噪聲相互抵消。降噪控制電信號到降噪點聲信號的傳播路徑稱為次級路徑G,即圖中通過揚聲器到誤差麥克風的傳播路徑。輸出結(jié)果通過誤差麥克風進行獲取。

圖1 前饋式主動降噪系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of feedforward active noise control system

將實際場景中物理模型進行簡化,即輸入噪聲x(n) 分別經(jīng)過初級路徑P、經(jīng)過主動降噪控制器W處理后在次級路徑G傳播,輸出結(jié)果相互抵消,得到一個能量盡可能小的e(n)。

對于主動降噪系統(tǒng)而言,需要找一個最優(yōu)的主動降噪控制器W,使得降噪后的聲波能量最小,即e2(n) 的期望最小。主動降噪控制器W的理想解如式(1)所示。

式中,f為音頻頻點,在每個頻點處抑制噪聲幅度。但是,受限于系統(tǒng)中的因果約束,無法實時尋找最優(yōu)的W。在系統(tǒng)設(shè)計過程中,需要合理選取并布置麥克風和揚聲器,使得W有可行解。對應(yīng)的約束條件在后續(xù)的部署約束中進行分析。

2.2 多入多出主動降噪模型

將上述單入單出主動降噪模型擴展到多入多出主動降噪模型[20]。假設(shè)存在Nr個參考麥克風、Ns個揚聲器單元和Ne個誤差麥克風,初級路徑P、次級路徑G、主動降噪控制器W可以分別通過傳遞函數(shù)進行構(gòu)建,如初級路徑P可以用式(2)進行構(gòu)建。

式中,pij(f) 代表第j個參考麥克風到第i個誤差麥克風的傳遞函數(shù)。

在模型中,由初級路徑傳播至誤差麥克風的噪聲由式(3)表示,第j個誤差麥克風的噪聲為dj(f) ,代表該處誤差幅值與頻率f的函數(shù)關(guān)系。

3 多入多出主動降噪系統(tǒng)及部署約束

3.1 聲全息函數(shù)構(gòu)建

多入多出主動降噪系統(tǒng)目的是抑制目標點誤差信號E(f) ,使其能量最小,式中省略(f) ,構(gòu)建對應(yīng)的目標函數(shù),如式(5)所示。

式中,Sxx和Sxd分別表示X的自譜矩陣和X與D的互譜矩陣。

那么,最優(yōu)點處W取值如式(7)所示。

3.2 艙外航天服ANC 部署約束

在實際部署過程中,由于物理電路的約束,難以時刻滿足W的求解結(jié)果。在ANC 系統(tǒng)超限工作時會產(chǎn)生非線性的現(xiàn)象。為了避免上述情況,需要增加如式(8)所示的最大響應(yīng)約束。

式中,wij(f) 表示W(wǎng)矩陣中第i行第j列的元素,cij(f) 是某個大于0 的實數(shù),具體數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)實際測量結(jié)果決定。

上述公式可以通過通用函數(shù)最小值求解器、二次規(guī)劃求解器[21]等,最終求得W。

4 驗證試驗

4.1 場景布置

按照上述推導(dǎo)結(jié)果進行場景試驗驗證,設(shè)置2 個參考麥克風、2 個揚聲器單元和6 個誤差麥克風,如圖2 所示。其中黃圈處是揚聲器單元,紅圈處是誤差麥克風,揚聲器內(nèi)部分別放置參考麥克風,設(shè)備底部放置了模擬噪聲源。模擬噪聲源根據(jù)實際錄制音頻的聲音特征反演加權(quán)模擬噪聲,并疊加部分高斯白噪聲。測試設(shè)備采用GRAS 人工頭(型號為45BC-14 KEMAR),用于模擬頭部結(jié)構(gòu)并進行人耳處噪聲測量。

圖2 實驗場景布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scene layout

布置過程中參考麥克風必須在噪聲傳播路徑上提前于誤差麥克風,保證參考麥克風不會接收到誤差麥克風產(chǎn)生的聲波。對于艙外航天服,噪聲來源相對固定,可以直接確認誤差麥克風布置位置。

為了保證上述推導(dǎo)公式存在可行解,布置過程中揚聲器需要遵守2 個原則:1)次級路徑傳遞函數(shù)矩陣G(f) 非奇異;

2)揚聲器需要在誤差麥克風的位置產(chǎn)生能夠匹配噪聲大小的聲壓級。

在環(huán)境中播放模擬噪聲,音頻最高頻率不大于20 kHz,采樣率為48 kHz,采樣時長大于20 s。

4.2 測試結(jié)果

為了更直觀觀察到降噪效果,提取左右耳處噪聲信號,隨機選取4 組降噪前與降噪后聲信號。截取全部音頻序列中0.2 s 音頻片段,并同時繪制降噪后音頻序列,如圖3 所示。圖中藍色曲線為降噪前聲音序列幅度隨時間的變化情況,紅色曲線為降噪后聲音序列幅度隨時間的變化情況。降噪前聲音幅度最大值大于4×10-3V,而降噪后聲音序列在±2×10-3V 附近振蕩。此結(jié)果說明主動降噪算法生成的時序音頻序列,可以有效降低艙外航天服內(nèi)部的噪聲強度。

圖3 測試噪聲及降噪后結(jié)果隨時間變化圖像Fig.3 Time-varying images of noise and noise control results

將降噪前后音頻數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,觀察不同頻率降噪效果,如圖4 所示。由圖可以看出,在頻率小于450 Hz 時,降噪效果不明顯;在450 ～2000 Hz 的頻率范圍,有著明顯的降噪效果。

圖4 測試噪聲及降噪后不同頻率降噪效果圖Fig.4 Noise and noise control results at different frequency point

統(tǒng)計不同頻率降噪前后聲音強度的差值,計算得到降噪效果如表1 所示。從計算結(jié)果以及降噪效果圖中可以看出,本文提出的艙外服主動降噪系統(tǒng),有效降噪頻率范圍為450 ～2000 Hz。其中,在250 Hz 頻點處雖然有明顯的效果,但在250 Hz 頻點周圍的降噪幅度變化小于5 dB,不能說明降噪系統(tǒng)對250～450 Hz 頻率范圍內(nèi)有降噪效果。通過對此范圍內(nèi)各個頻點的降噪幅度進行統(tǒng)計,得到人耳處平均降噪效果大于13.88 dB。由此可見,本文提出的艙外航天服主動降噪技術(shù)可以有效降低低頻范圍噪聲強度,保障服內(nèi)通信質(zhì)量。

表1 降噪后幅度變化結(jié)果Table 1 The amplitude results after noise control

5 結(jié)論

1) 建立了艙外航天服多入多出主動降噪場景模型,提出了在艙外航天服場景約束下的聲場主動降噪算法,合理構(gòu)建了聲全息函數(shù)求得噪聲能量最小化的理想解,并根據(jù)實際場景提出部署約束條件。

2) 通過構(gòu)建仿真實際場景進行測試,驗證了本系統(tǒng)整體設(shè)計具有較好的降噪性能。

由于整體系統(tǒng)受限于艙外航天服場景,后續(xù)可以繼續(xù)優(yōu)化主動降噪控制器的求解手段,以提高艙外航天服空間場降噪效果。