主动降噪技术现状与发展趋势 中国电子技术标准化研究院 国家数字音视频及多媒体产品质量监督检验中心 2017年7月 参与本研究报告编制的人员信息 报告编撰： 董桂官、阮向远、周阳翔、韩少晖、徐楠、曹新凤、程怡 联系方式： Email：donggg@cesi.cn TEL：010-64102361-22 / 18612118407 www.cesi.cn www.adtc.org.cn 目 次 1 主动降噪技术发展沿革 ....................................................... 1 1.1 主动降噪技术概述 ..................................................... 1 1.2 主动降噪耳机技术发展沿革 ............................................. 2 1.2.1 降噪耳机概述 ................................................... 2 1.2.2 主动降噪耳机的技术发展沿革 ..................................... 2 1.3 汽车车内噪声主动控制技术发展沿革 ..................................... 3 2 主动降噪耳机技术的分类、技术现状与产品链 ................................... 5 2.1 主动降噪耳机的分类 ................................................... 5 2.1.1 前馈式主动降噪耳机 ............................................. 5 2.1.2 反馈式主动降噪耳机 ............................................. 5 2.1.3 复合式主动降噪耳机 ............................................. 6 2.2 耳机降噪性能极限 ..................................................... 6 2.3 当前研究热点 ......................................................... 8 2.3.1 降噪算法模型与优化 ............................................. 8 2.3.2 降噪结构与原理研究 ............................................. 8 2.3.3 产品化研究 ..................................................... 9 2.4 产业链概要与典型产品示例 ............................................. 9 2.4.1 产业链概要 ..................................................... 9 2.4.2 典型主动降噪耳机示例 .......................................... 10 3 汽车车内噪声主动控制技术的现状 ............................................ 13 3.1 汽车车内噪声主动控制系统的分类与特殊性 .............................. 13 3.1.1 分类 .......................................................... 13 3.1.2 特殊性 ........................................................ 13 3.2 当前研究热点与主要研究机构 .......................................... 14 3.3 汽车噪声标准法规概述 ................................................ 14 3.4 典型车内噪声主动控制示例 ............................................ 14 4 主动降噪技术发展趋势展望 .................................................. 16 4.1 智能化 .............................................................. 16 4.2 节能化 .............................................................. 16 4.3 融合化、集成化 ...................................................... 16 4.4 技术独立化 .......................................................... 16 4.5 模块化、价格亲民化 .................................................. 17 4.6 总结 ................................................................ 17 参考文献.................................................................... 18 第 1 页 共 19 页主动降噪技术现状与发展趋势 1 主动降噪技术发展沿革 1.1 主动降噪技术概述 噪声是指发声体做无规则振动时发出的声音。声音由物体的振动产生，以波的形式在一定的介质（如固体、液体、气体）中进行传播。从生理学观点来看，凡是干扰人们休息、学习和工作以及对所要听的声音产生干扰的声音，即不需要的声音，统称为噪声。当噪声对人及周围环境造成不良影响时，就形成噪声污染。产业革命以来，各种机械设备的创造和使用，给人类带来了繁荣和进步，但同时也产生了越来越多而且越来越强的噪声。 一般而言，消除或者降低噪声通常采用三种降噪措施，即在声源处降噪、在传播过程中降噪和在人耳处降噪；但是这几种方式都是被动的，实际使用过程中往往呈现出低频降噪效果差等缺点。为了主动地消除噪声，人们发明了“有源消声”这一技术，也就是主动降噪技术。 图1 主动降噪技术的原理示意图 图1所示为主动降噪技术的基本原理示意图。可以认为所有的声音都由一定的频谱和能量组成。从接收噪声源着手，通过电声处理，运算出反相的波，并通过内置音频处理电路进行放大和重放，相互反相的声音将会叠加，噪声的振幅将会大幅衰减，从而降低了噪声。 目前主动降噪技术已经在实际生产生活中得到应用；但是受制于成本、性能等各方面因素限制，其应用范畴还比较局限。常见的应用范围包括：主动降噪耳机、封闭空间有源噪声 第 2 页 共 19 页控制等。以下从两例典型应用即主动降噪耳机和汽车车内噪声主动控制出发，探究主动降噪技术的技术沿革和当前的研究热点，并结合产业现状分析该技术未来的应用前景和发展趋势。 1.2 主动降噪耳机技术发展沿革 1.2.1 降噪耳机概述 降噪耳机是一种很常见的护耳器，在人们的日常生活和生产中有着广泛的应用。降噪耳机由弓形头环连接两个半球形壳体组成，壳体上附带有吸声材料和密封垫圈，适用于存在噪声污染的环境，降噪量一般在20 dB以上，可以单独使用，也可以与耳塞结合使用，脱戴方便，但是长时间佩戴后会有闷热等不适感。 按照降噪方式，降噪耳机可以分为被动降噪耳机（无源降噪耳机）和主动降噪耳机（有源降噪耳机）。 （1）被动降噪耳机（无源降噪耳机） 传统的降噪耳机一般都是被动降噪耳机，又称无源降噪耳机；是利用隔声原理降低噪声的个人防护装置，具有佩戴方便、价格低廉等优点。被动降噪耳机在高频段有着良好的降噪性能，但是由于耳机体积和重量的限制，在500 Hz以下低频段的降噪性能较差。 （2）主动降噪耳机（有源降噪耳机） 包含有源降噪系统的耳机，一般称作主动降噪耳机，又称有源降噪耳机。有源降噪系统有良好的低频降噪性能，可以实现在较宽的频带上良好的降噪性能。 1.2.2 主动降噪耳机的技术发展沿革 1936年德国物理学家Lueg首先提出有源噪声控制即主动降噪的概念，利用声波相消性干涉原理降噪，并申请了专利[1]。1953年Olson发表了关于有源噪声控制的文章。文中把有源噪声控制系统命名为电子吸声器，利用反馈控制方法实现了噪声控制，他成功制作出了实际的控制系统，并取得了一定的降噪效果[2]。20世纪60年代以来，随着电子技术的发展和声学理论研究的进步，有源噪声控制技术获得了极大的发展。70年代英国剑桥大学的Swinbanks、伦敦大学的Leventhall、法国的Mangiante等分别对管道中的有源噪声控制进行了研究，并取得了重大的进展[3]。 80年代以来，随着大规模集成电路、数字电路、信号处理和微电子技术的发展，主动降噪技术也取得了长足的发展。英国Essex大学开发出采用微处理器在线控制的“Essex有源降噪系统”，英国剑桥大学的Ross发表了关于宽带有源降噪控制系统的专门算法，美国 第 3 页 共 19 页贝尔实验室的Burgess基于计算机仿真对用于管道降噪的自适应噪声控制系统进行了研究[4]。1992年世界上第一部有源噪声控制的专著在伦敦出版。 中国的有源噪声控制始于20世纪70年代末。南京大学声学所、北京劳动保护科学研究所和中国科学院声学研究所等先后开展了管道有源噪声控制的研究，西北工业大学声学研究所和清华大学汽车工程系也都先后开展了这方面的研究[5]。1993年国内出版了第一部有源噪声控制方面的专著。以上这些研究成果，为主动降噪耳机的工程实现奠定了坚实的基础。 1985年，南京大学的田静和沙家正在其管道和三维空间有源噪声控制的研究基础上，率先发明了前馈结构的主动降噪耳机，并且在80-800 Hz的频率范围内取得了8-12 dB倍频程的降噪效果[6]。1993年前后，中科院声学所的田静等在数字电路自适应有源控制系统研究的基础上，完成了数字自适应主动降噪耳机的原理研究，取得了1000 Hz以下约18 dB的宽带降噪效果[7]。1994年下半年，中科院声学所与澳大利亚的西澳大学合作，充分研究了反馈结构的极点分布性质和补偿方法，完成了基于双四阶网络的反馈式模拟电路和国产电动耳机的主动降噪耳机，在低频3-4个倍频程的范围内可以取得10-20 dB的降噪效果[8]。1995年前后，清华大学汽车工程系朱彦武等将模拟电路的前馈和反馈结构结合起来，完成了复合结构的主动降噪耳机的原理实验[9]。 1.3 汽车车内噪声主动控制技术发展沿革 车内噪声的主动控制技术最早始于上世纪80年代，英国的Nelson等人在封闭空间有源降噪理论研究和技术方面做了大量工作。1983年，挪威的T.Berge在柴油车驾驶室内采用有源噪声控制[10]。1984年美国通用汽车公司的J.Oswald提出了第一个主动控制系统，用自适应有源降噪方法对柴油车