虛擬隔音牆

虛擬隔音牆
（一） 立項依據與研究內容：
1． 專案的立項依據
本專案研究的目標是探討如何利用有源噪音控制方法來實現噪音環境中的局部安靜區域。因該方法不採用傳統隔聲材料所做成的隔音牆來達到隔聲目的，而採用揚聲器陣列來産生一個能抵消原噪音的附加聲場，就像有一個看不見的隔音牆在起作用，故用該技術所實現的系統稱爲虛擬隔音牆（Virtual Sound Barrier）。圖1爲要研究的虛擬隔音牆系統示意圖。該研究具有廣闊的應用前景。例如，在載人太空梭艙內、在核潛艇控制室內都有較高的噪音級，直接影響艙內工作人員的判斷力、工作效率和身體健康。由於重量和體積的限制，傳統的隔吸聲技術在這種場合無法達到很好的效果（尤其是在低頻段）[1]。而近二十年來發展起來的有源噪音控制方法有可能用在這種場合，並提供較好的降噪效果。虛擬隔音牆的研究就是基於有源噪音控制方法，並結合揚聲器和傳聲器陣列來擴展現有的有源噪音控制系統的有效頻率範圍和降噪空間範圍。
圖1 虛擬隔音牆的示意圖
有源噪音控制的物理原理很早就建立了，第一個有源控制的專利可追溯到1936年[2],但有源控制系統的真正實現僅僅在近二十年才成爲現實[3-7]。這主要歸功於現代電子技術、信號處理、控制理論和換能器技術的發展。目前已經實用的有源控制系統包括：有源抗噪音耳罩、管道內的有源噪音控制、飛機和轎車艙內的有源噪音控制以及變壓器單頻噪音的有源控制[3-9]。但這些系統的有效頻率範圍一般都在300Hz以下（有源抗噪音耳罩除外，有的可達800Hz），還不能滿足許多實際應用場合（其低頻噪音高於300Hz）的要求。因此目前有源噪音控制研究的一個重要研究方向就是探討如何提高有效控制頻率上限和擴大空間有效降噪範圍。本研究試圖使用揚聲器陣列和傳聲器陣列來解決這個問題。
本專案的研究屬於空間聲場的局部控制，是目前噪音控制領域急需解決的問題之一。由於其廣闊的應用前景和令人信服的可行性，它也是目前有源噪音控制領域的熱點問題之一。目前國際上在該領域的研究主要爲有源噪音控制頭靠，其原理是在座椅頭靠兩耳處各放一個揚聲器作爲控制源來實現兩耳處的噪音降低。在研究中發現，在混響聲場的條件下，有效降噪（10dB降噪量）空間是以誤差傳聲器爲中心的範圍大約爲所控制聲波波長的十分之一的一個球[10]。爲了使其更加實用，Garcia-Bonito等建議用虛擬傳聲器技術來代替誤差傳聲器[11],從而避免放在乘客兩耳邊的誤差傳聲器所造成的不便。爲了擴展空間有效降噪範圍，Sommerfeldt和Cazzolato等提出了使用聲能量探頭的方法[12-13], Munn等將該方法進一步擴展到虛擬聲能量探頭 [14]。上述方法最多使用兩個控制源，研究的重點放在了聲感測器上，所以從根本上很難大幅度地提高有效控制頻率上限、擴大空間有效降噪範圍。由於聲波的波動性，提高有源噪音控制系統的頻率上限意味著要控制較短波長的聲波，結果是現有的有源控制系統（在次級控制源數目一定的條件下）的有效作用空間範圍縮小。若要保持或擴大有效空間範圍，則需使用更多數目的次級控制源。這就是本專案擬採用的方法。
本專案所提出的“虛擬隔音牆”技術在理論上基於Huygens原理和Kirchhoff-Helmholtz 積分方程，在技術實現上採用控制源陣列和傳聲器陣列，從而有可能突破上述有源控制中的所謂“10dB降噪空間小於十分之一波長”的限制。本專案在科學研究上和應用上都有重大意義。在科學研究上，利用Huygens原理來實現有源聲控制的思想早在1968年左右就由法國的Jessel[15]和前蘇聯的Malyuzhinets[16]提出,可迄今爲止，僅有一些理論分析和數值類比結果[17-18]，而真正能夠驗證該原理的實驗研究還沒見到（Mangiante 和沙家正等有一些利用該原理來控制聲輻射的實驗結果，可他們的控制源都近距離包圍初級噪音源，且所控制的頻率很低[19-20]，因此他們所得實驗結果的控制原理有可能是降低了初級噪音源的聲輻射功率[3,6]，而非完全基於Kirchhoff-Helmholtz 積分方程[3]）。本專案試圖真正利用Kirchhoff-Helmholtz 積分方程的原理來實現一個實驗系統，通過實驗來研究聲波的輻射與傳播規律並對其進行控制。本研究所要控制的是聲場，因而對控制源和初級噪音源的距離不作要求，也不要求控制源陣列包圍初級噪音源，這和以往的實驗研究都不同。該研究的應用前景顯而易見，除了前述在航空航太、軍事上的應用外，在民用上也有廣泛的應用，如在高噪音的生産車間，在操作者頭部附近形成局部安靜區，在家庭中，在書桌附近或臥室頭部附近形成局部安靜區。
【參考文獻】
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2． 專案的研究內容、研究目標,以及擬解決的關鍵問題。
研究目標：虛擬隔音牆的原理及其實現
研究內容：
（1） 在理論上：進一步探討Huygens原理和Kirchhoff-Helmholtz 積分方程的物理意義，並嘗試用等效聲源法對其重新解釋和描述。
（2） 在數值類比上：用在理論研究中得到的等效控制源來離散化Kirchhoff-Helmholtz 積分方程在邊界上的連續積分。通過數值類比來探討若干種典型聲場下的離散化方法。在離散化過程中，研究在不同評價指標下，不同形式的等效控制源對虛擬隔音牆性能的影響，尋求能夠用最少單元個數的控制源陣列來代表Kirchhoff-Helmholtz 積分方程在邊界上的連續積分的方法。
（3） 在實驗上：首先搭建一個控制源陣列和傳聲器陣列，然後採用最新的數位信號處理晶片與技術來實現控制器。整個虛擬隔音牆實驗系統建成後，將先後在消聲室、普通房間和混響室中進行實驗，測試其性能，並和理論及數值類比結果比較。
擬解決的關鍵問題：
（1） 在理論上，尋求能夠代表Kirchhoff-Helmholtz 積分方程中邊界積分的可物理實現的等效控制源形式。可物理實現是這部分研究的關鍵。
（2） 在數值類比上，建立一個聲場計算和虛擬隔音牆的設計計算模型來完成上述研究內容中所列的各種數值類比，並能使控制前後聲場視覺化。該計算模型的時域實現以及虛擬隔音牆系統設計的優化方法是難點。
（3） 實驗研究是本專案的中心，其關鍵問題有兩個：一是等效控制源陣列的實現；二是滿足因果性的多通道自適應演算法的實現。
3． 擬採取的研究方案及可行性分析。
研究方案：
爲實現上述研究目標和完成所列的研究內容，我們將整個研究專案劃分爲以下七個子任務：
（1） 理論研究
仔細探討Huygens原理和Kirchhoff-Helmholtz 積分方程的物理意義，用等效聲源的方法對其重新描述和解釋。研究首先在頻域上展開，對某一單個頻率下的不同類型的聲場尋求能夠代表連續邊界積分的等效控制源形式；然後在時域上探索能夠代表連續邊界積分的等效控制源形式。目前的研究已發現對平面波入射聲場，控制源爲一心型指向型的三極子源[19]。但對不同類型的聲場可能有不同形式的等效控制源，因此，本專案擬研究某一形式的等效控制源在不同聲場下的性能，同時探求新的能在各種聲場下適用的可物理實現的等效控制源形式。
（2） 頻域數值研究
在頻域上，首先對某一單個頻率的聲場進行研究。我們將用在理論研究中得到的等效控制源來離散化Kirchhoff-Helmholtz 積分方程在邊界上的連續積分，以便於用實際可物理實現的控制源來進行數值類比和建立實驗系統。通過數值類比來探討若干種典型聲場下的離散化方法。在離散化過程中，將研究在不同評價指標下，如局部或全局的聲功率、聲強和聲壓等，不同形式的等效控制源，如單極子、偶極子和三極子等，對離散性能的影響，尋求能夠用最少單元個數的控制源陣列來較好代表Kirchhoff-Helmholtz 積分方程在邊界上的連續積分的方法。在研究離散化過程中不同評價指標的影響的同時，我們將探討傳聲器陣列的單元形式、個數及位置優化方法，然後對得到的最優的物理系統設置（最優位置及個數的控制源陣列和傳聲器陣列）探討最優控制器的實現方法。最後，對得到的虛擬隔音牆（由最優位置及個數的控制源陣列，傳聲器陣列和最優控制演算法構成）進行數值類比來探討其性能，其噪音控制機理，控制源所産生的聲場，其對初級噪音場的影響以及實際實現時對硬體的要求。
在完成以上在單個頻率的噪音場下虛擬隔音牆的數值類比後，我們將引入多個頻率的噪音，但仍然在頻域上研究多個頻率噪音存在時的最優評價指標、等效控制源及傳聲器陣列的單元形式、個數、位置優化方法以及最優控制器的實現方法。由於不同頻率的聲波具有不同的波長，因而多個頻率噪音存在時，上述最優評價指標、等效控制源及傳聲器陣列的單元形式、個數、位置可能和單個頻率情況下不同，故需要發展新的優化方法。
（3） 時域數值類比
利用在時域上獲得的能夠代表連續邊界積分的等效控制源形式，來探討虛擬隔音牆的設計、實現以及性能。時域數值類比研究的內容包括在時域上檢驗上述頻域研究中所優化出來的虛擬隔音牆系統（包括最優位置及個數的控制源陣列，傳聲器陣列）的性能。但時域數值類比研究的重點是因果性研究，即探討上述所得最優設計能否物理實現。在研究過程中，建立一個聲場計算和虛擬隔音牆的設計計算模型，用來完成上述研究內容中所列的各種數值類比，並爭取能使控制前後聲場視覺化。
（4） 控制源的設計與實現
控制源的實現是整個實驗的基礎。首先嘗試利用若干個揚聲器單元以及箱體來實現所要求的控制源。在設計過程中，既要考慮控制源的頻率回應和空間指向性，又要考慮體積的大小。在保證功率的條件下，優化控制源的體積（並非越小越好！）。將採用現有的LEAP－5專業揚聲器單元及箱體設計軟體來設計控制源。控制源的實現將請音響專業廠家生産。同時探討使用新型控制源的可能性，例如利用PVDF膜或EMFi膜構成的新型換能器。這些膜能在電壓驅動下産生一定的聲能量，其優點是造價低，耗電少並能剪成各種所需的形狀。
（5） 控制源陣列及感測器陣列的實現
在控制源設計和製造好後，將各個單元按一定形式排列構成陣列。首先在二維聲場上使用環形陣，然後嘗試在三維空間使用球殼陣和其他形式的陣列，例如非對稱陣等，並探討最優陣列形式。對傳聲器單元和陣列也進行同樣的研究。傳聲器單元用駐極體話筒來實現，但要比較不同指向型傳聲器的影響。傳聲器陣列也先使用環形陣，放在控制源陣列的內側。在實現控制源陣列及感測器陣列時，開發或購買驅動控制源所需的功率放大器組以及感測器的信號條件器，並注意佈線的要求。至少採用16個控制器單元和16個感測器單元。
（6） 控制演算法的研究及實現
首先探討前饋式多通道自適應噪音控制演算法，例如Filtered-X LMS 演算法，其優點是穩定性好，適合寬帶控制； 其缺點是需要參考信號。對於單頻噪音控制，將首先嘗試這種演算法，並研究如何獲得較好的參考信號。然後探討反饋演算法。反饋演算法的優點是可取消對參考信號的要求，其難點是如何擴展到多通道，並在較寬的頻段保持穩定。另外，還將探討分部控制系統（de-centralized system）實現的可能性，這將有可能降低演算法對計算量和記憶體的要求，從而降低系統的成本。上述所研究的演算法將在一個DSP平臺上實現。由於系統通道數較多，演算法在計算量和記憶體上要求都較大。擬採用多片Analog Devices 的ADSP－21161 DSP 處理晶片來構成一多處理器系統，其處理能力可達2.4GFLOPS。所實現的虛擬隔音牆將是一個16通道輸入、16通道輸出的自適應系統。在研究和實現控制演算法的過程中，重點放在兩方面，一是考慮因果性約束後的最優控制演算法的開發，二是結合聲場特性和自適應基陣處理，而非單純從信號處理領域來研究和探討時空資訊處理的新演算法。
（7） 實驗研究
整個實驗系統建成後，首先在消聲室中進行實驗。要研究的問題有：所實現的控制源的頻響特性和指向性測試，並和理論上推得的理想控制源對比；在單頻噪音條件下，點源或平面波入射聲場中虛擬隔音牆的性能；控制源單元形式、位置以及控制源陣列形式的影響；傳聲器單元形式、位置以及傳聲器陣列形式的影響，並和數值類比結果對比；在多個噪音頻率和寬頻噪音條件下，點源或平面波入射聲場中虛擬隔音牆的性能，這種條件下控制源單元形式、位置以及控制源陣列形式的影響，傳聲器單元形式、位置以及傳聲器陣列形式的影響，並和數值類比結果相比較。
其次，實驗將在混響室中進行，測試和研究虛擬隔音牆在混響聲場中的性能。研究步驟也是從單頻到多個頻率，最後至寬頻帶實際噪音。最後，將在普通房間中進行實驗，測試所實現的虛擬隔音牆的性能，如有效頻率範圍、有效空間範圍、自適應反應速度，魯棒性等；比較不同演算法的效果，研究控制源單元形式、位置以及控制源陣列形式的影響，傳聲器單元形式、位置以及傳聲器陣列形式的影響。
可行性分析：
本專案所提出的“虛擬隔音牆”在理論上基於Huygens原理和如下式所示的Kirchhoff-Helmholtz 積分方程[3,p.282]，
(1)
其中V是聲場中一局部空間，S是其邊界。 爲自由空間的格林函數； 是空間任一點， 是該點聲壓； 是邊界S上任一點， 表示( )。從該方程可以看出：若在某一空間沒有聲源，則在這一空間內任一點的聲壓完全可以由在該空間邊界上的一層等效單極子和偶極子源決定。若能在邊界上放置一些次級控制源，其大小和上述等效源相等，相位相反，則在邊界內的聲壓處處爲零。這就是本專案在理論上的堅實基礎，該專案所提出的“虛擬隔音牆”方案在理論上完全可以實現。三十年前法國的和前蘇聯的研究者所進行的一些零星的理論分析和數值類比結果都部分驗證了這個假設[前文參考文獻15-18]。
然而迄今爲止，35年過去了，如前圖1所示的“虛擬隔音牆”實驗系統還從沒有人實現過。其中原因很多，但這並不表明“虛擬隔音牆”的實現是不可行的。這點和有源噪音控制技術的發展似乎一樣。有源噪音控制的第一個專利是1936年，然而在50年以後，才出現了真正的實用系統。本專案申請人認爲實現“虛擬隔音牆”的主要障礙在於以下四點：一是可物理實現的控制源，二是多個控制源和感測器的使用，三是控制系統必須能夠自適應，這是因爲各種聲場都不一樣，且可能時變，四是需要可進行系統分析設計的工具。其中最關鍵的一點就是控制源和感測器陣列以及即時多通道自適應控制系統的使用。例如，本專案所提出的16通道輸入，16通道輸出，運算能力爲2.4GFLOPS的數位信號處理（DSP）系統在2年前都是一般科研專案不敢想的（市場上要麽沒有，要麽價格是天文數字），可如今上述一套系統的價格在10萬元內，而且，還在繼續下跌，如同PC機的CPU一樣。這就把實現“虛擬隔音牆”的關鍵障礙掃除了。在實驗所需的多通道自適應處理系統及其演算法實現後，剩下的就是控制源的實現和編制進行系統分析設計的軟體工具。從上述研究方案可以看出，所有這些問題都可以一個一個地解決。因此整個專案在技術路線和實驗手段上是完全可行的。另外，目前已有的局部空間有源噪音控制的單通道或雙通道實驗，如上面參考文獻[10-14]中的有源噪音控制頭靠（可以看作是本專案的通道數降爲1－2時的特例）所得到的實驗結果，以及部分利用吸聲原理所實現的管道有源噪音控制系統（本專案在一維情況下特例）[3]，也從另一方面在實驗上說明了本專案的可行性。
4。 本專案的特色與創新之處。
本專案屬於應用基礎研究。所研究的內容理論依據充分，學術思想新穎，創新性強，通過研究可望形成一項能解決國民經濟和社會發展中迫切需要解決的噪音控制問題的高新技術。經查詢，有關“虛擬隔音牆（Virtual Sound Barrier）”的概念目前在國內外文獻上還檢索不到，虛擬隔音牆的具體實現方面的系統研究更是從未開展過。因此本專案立意新穎，屬於源頭創新研究。在具體研究內容中，將有如下一系列創新之處：
（1） 離散化Kirchhoff-Helmholtz 積分方程的邊界積分時所提出的等效控制源形式；
（2） 等效控制源的實現方法；
（3） 控制源陣列和感測器陣列的位置和數目優化方法；
（4） 大規模多通道控制器的自適應控制演算法；
（5） 虛擬隔音牆的噪音控制機理研究。
5．年度研究計劃及預期研究結果。
年度研究計劃:
第一年度：
（1） 在理論上，探討Kirchhoff-Helmholtz 積分方程的物理意義。
（2） 在頻域和時域上，對不同入射聲場尋求能夠代表邊界積分的等效控制源形式。
（3） 進行數值類比：用在理論研究中得到的等效控制源來離散化Kirchhoff-Helmholtz 積分方程在邊界上的連續積分。通過數值類比來探討若干種典型聲場下的離散化方法。
第二年度：
（1） 在數值類比過程中，研究不同評價指標，不同形式的等效控制源的影響，尋求能夠用最少單元個數的控制源陣列來代表Kirchhoff-Helmholtz 積分方程在邊界上的連續積分的方法。
（2） 在研究離散化過程中不同評價指標的影響時，探討傳聲器陣列的單元個數的優化以及位置優化。
（3） 用所得到的最優物理系統設置（最優位置及個數的控制源陣列和傳聲器陣列）探討最優控制器的實現方法。首先，在頻域中進行研究，給出最優控制器的形式；然後在時域上研究，考慮具體實現時因果性的影響，給出一個可實現的最優控制器的形式。
（4） 對得到的虛擬隔音牆（包括最優位置及個數的控制源陣列，傳聲器陣列和最優控制器）進行數值類比來探討其性能。
（5） 研製控制源。
（6） 根據數值類比結果準備實驗材料。
（7） 虛擬隔音牆的多通道自適應演算法的推導和數值類比。
（8） 軟體工具的編制。
第三年度：
（1） 搭建一個球形或矩形的控制源陣列和傳聲器陣列，控制源單元由若干個揚聲器單元構成，傳聲器單元由駐極體話筒構成。
（2） 實現控制器。控制器將採用多片最新的數位信號處理（DSP）晶片，構成一個16通道輸入、16通道輸出的多通道系統。
（3） 在控制器硬體上編制多通道自適應虛擬隔音牆演算法。
（4） 整個實驗系統建成後，將先後在消聲室、普通房間和混響室中進行實驗，測試其性能，並和理論及數值類比結果比較。
（5） 虛擬隔音牆的噪音控制機理研究。
（6） 最後，在普通房間完成一演示系統。
預期研究結果:
(1) 共發表論文6-12篇，其中在聲學領域的國際一流刊物上發表3-6篇。第一年度1－2篇，第二年度2－4篇，第三年度3－6篇。
（2）建立虛擬隔音牆演示系統一套；
（3）申請專利1－2項。
（二） 研究基礎與工作條件
1、工作基礎
本專案屬於源頭創新專案，在國內外，包括申請者本人還沒有開展過類似的工作。但專案組成員和負責人過去所從事的許多研究工作都和本研究專案相關。專案負責人邱小軍在自適應噪音抵消領域有豐富的經驗。在過去的十年中，他參與和主持了一系列自適應噪音抵消專案，發表論文50多篇。他在這些專案中所獲得的有關聲學、信號處理以及DSP實現方面的豐富經驗及知識均有利於當前所申請專案的完成。這尤其表現在以下兩個方面：
（1）演算法方面：他已對若干多通道自適應演算法進行了研究，成果已發表於聲學領域的國際一流期刊上。例如，他提出了針對可移動位置的單頻噪音源的噪音控制演算法;針對大型變壓器的噪音控制，他提出了波形合成的方法，節省了大量的計算量和記憶體;針對實際控制源的有限輸出問題，他提出了約束條件下的FXLMS演算法。這些將有利於他提出針對虛擬隔音牆系統的自適應演算法。
(2)多通道有源噪音控制系統研製方面：他已設計和實現了若干個多通道有源噪音控制系統。例如，他所設計的某變壓器的有源噪音控制系統的通道數高達60個，而另一套已實用化的管道風扇聲的有源噪音控制系統的通道數達13個。在上述兩個系統中，他都使用多片DSP晶片來實現自適應演算法。這類大型多通道自適應有源噪音控制系統的實現在國際上也是不多見的。本專案申請人在國際上該領域的領先地位使他敢於率先探索虛擬隔音牆的實現。
除了上述在演算法方面和多通道自適應有源噪音控制系統研製方面的經驗和知識的積累外，在控制源，尤其是揚聲器系統的設計方面，專案組也有了一些積累。例如專案組成員盧晶在小型揚聲器音箱方面，李甯榮在聲場與結構設計方面都有一定的經驗。另外，專案組成員毛崎波對PVDF膜的使用已經有了一些研究成果，他可以用PVDF膜做成各種形狀的感測器或聲源控制源，可以用PVDF膜來測輻射模態。所有這些和本研究專案相關的工作都取得了豐碩的成果（詳見下面申請人簡歷），構成了本專案開展的堅實基礎。
2、工作條件
已具備的工作條件:
南京大學聲學研究所是國內開展有源噪音控制及自適應噪音抵消最早的單位之一。在近二十年的研究中，南京大學聲學研究所及近代聲學國家重點實驗室在該領域積累了豐富的智力資源及有關儀器設備。例如，該實驗室擁有聲學方面的許多原版外文書籍和幾乎歷年來所有重要的國際刊物，如Journal of Sound and Vibration, Journal of the Acoustical Society of America和 Acoustics，並且定購了網路版，可以隨時利用互聯網下載國際上最新的研究成果。另外，所裏擁有許多聲學領域的專家，包括兩位院士和近二十位聲學方面的教授，可在各方面對本專案提供建議。在儀器方面（僅音頻聲學領域），該實驗室具有價值84萬元的丹麥B&K聲與振動測量系統，68萬元的丹麥B&K3560 Pulse 音頻測量系統，價值62萬元的德國Head-Acoustics的HMSII.3人工頭及錄音系統和價值31萬元的丹麥B&K2012的音頻分析器。該實驗室還具有8通道的Sony數位答錄機，惠普的雙通道頻譜分析儀及許多其他常用聲學器件。最重要的是南京大學聲學研究所擁有完備的聲學實驗室（消聲室和混響室）可以用來控制聲學實驗條件。對完成該專案，南京大學聲學研究所及近代聲學國家重點實驗室所擁有的大量測試儀器、設備以及實驗室可以完成所需要的測試。僅有實驗研究所需的多通道話筒及前放、揚聲器及功放和多通道DSP系統需要添置。