艙外航天服頭部空間主動(dòng)降噪技術(shù)研究

黃 云, 何雙亮, 徐海濤, 薛長(zhǎng)斌, 李鵬偉

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100190; 2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)源于生命保障、環(huán)境控制系統(tǒng)、風(fēng)道、管路和電子設(shè)備,其最大的瞬時(shí)噪聲值可以達(dá)到80 dB 以上[1]。艙外航天服內(nèi)部的噪聲超標(biāo)時(shí)會(huì)造成通訊不暢、航天員聽(tīng)力下降等問(wèn)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(guò)材料隔聲對(duì)低頻段噪聲抑制效果差[5],同時(shí)也會(huì)限制航天員頭部的活動(dòng)性。構(gòu)建空間場(chǎng)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(shí)降噪的需要。美國(guó)目前已采用空間場(chǎng)主動(dòng)降噪技術(shù)替代頭戴降噪方案[6]。

針對(duì)點(diǎn)狀一維空間降噪問(wèn)題,傳統(tǒng)耳機(jī)類(lèi)主動(dòng)降噪技術(shù)(Active Noise Control,ANC)[7-9]采用麥克風(fēng)陣列偵聽(tīng)背景噪聲,通過(guò)噪聲控制算法計(jì)算反向聲波進(jìn)行補(bǔ)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(guò)相干性選擇算法盡可能獲取清晰的參考噪聲信號(hào)。但是,點(diǎn)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(jī)進(jìn)行主動(dòng)降噪,可能影響航天員的正常工作[11]。

新型空間場(chǎng)主動(dòng)降噪技術(shù)在噪聲控制算法前引入噪聲聲場(chǎng)建模,通過(guò)聲場(chǎng)模型計(jì)算噪聲分布[12-14],提取對(duì)應(yīng)揚(yáng)聲器控制參數(shù);將控制參數(shù)輸入噪聲控制算法中,實(shí)現(xiàn)全局空間實(shí)時(shí)降噪。但是,現(xiàn)有聲場(chǎng)建模算法較為復(fù)雜。由于計(jì)算能力限制,基于若干麥克風(fēng)信號(hào)輸入難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)噪聲抑制。國(guó)內(nèi)空間場(chǎng)降噪方案普遍處于固定場(chǎng)景中,如汽車(chē)內(nèi)部、空間站內(nèi)部[15]等。Liu 等[16]將實(shí)際場(chǎng)景約束于存在鏡像揚(yáng)聲器的半自由場(chǎng),并進(jìn)行了解析解模型推導(dǎo)。Maeno 等[17]利用噪聲場(chǎng)的固有稀疏性,通過(guò)聲場(chǎng)平移構(gòu)建完全環(huán)繞的球形陣列,減少參考麥克風(fēng)個(gè)數(shù)。此外,為了考慮不同場(chǎng)景的影響,深度學(xué)習(xí)也被用于不同聲學(xué)場(chǎng)景主動(dòng)降噪技術(shù)[18]。

本文針對(duì)艙外航天服頭部空間特殊降噪需求,通過(guò)艙外航天服頭部空間多個(gè)噪聲源的識(shí)別和特征提取,引入多入多出艙外航天服主動(dòng)降噪聲場(chǎng)模型,建立以聲全息函數(shù)為評(píng)價(jià)模型的主動(dòng)降噪控制系統(tǒng),考慮實(shí)際部署約束搭建了空間場(chǎng)ANC 信號(hào)處理系統(tǒng),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 艙外航天服主動(dòng)降噪模型構(gòu)建

2.1 單入單出主動(dòng)降噪模型

艙外航天服主動(dòng)降噪系統(tǒng)目的是利用主動(dòng)降噪控制器,盡可能抵消到達(dá)人耳處的外部噪聲。主動(dòng)降噪系統(tǒng)包括麥克風(fēng)陣列、控制器單元、揚(yáng)聲器陣列。針對(duì)單入單出場(chǎng)景[19]噪聲源、聲音傳播路徑等因素,構(gòu)建前饋式主動(dòng)降噪物理架構(gòu)并簡(jiǎn)化為系統(tǒng)框圖,如圖1 所示。圖中,x(n) 為耳機(jī)設(shè)備中參考麥克風(fēng)在噪聲傳播路徑中獲取的噪聲源,噪聲傳播的路徑稱(chēng)為初級(jí)路徑P。W為主動(dòng)降噪控制器,W對(duì)參考麥克風(fēng)獲取的噪聲進(jìn)行處理,輸出到揚(yáng)聲器中,與噪聲相互抵消。降噪控制電信號(hào)到降噪點(diǎn)聲信號(hào)的傳播路徑稱(chēng)為次級(jí)路徑G,即圖中通過(guò)揚(yáng)聲器到誤差麥克風(fēng)的傳播路徑。輸出結(jié)果通過(guò)誤差麥克風(fēng)進(jìn)行獲取。

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

將實(shí)際場(chǎng)景中物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,即輸入噪聲x(n) 分別經(jīng)過(guò)初級(jí)路徑P、經(jīng)過(guò)主動(dòng)降噪控制器W處理后在次級(jí)路徑G傳播,輸出結(jié)果相互抵消,得到一個(gè)能量盡可能小的e(n)。

對(duì)于主動(dòng)降噪系統(tǒng)而言,需要找一個(gè)最優(yōu)的主動(dòng)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(dòng)降噪控制器W的理想解如式(1)所示。

式中,f為音頻頻點(diǎn),在每個(gè)頻點(diǎn)處抑制噪聲幅度。但是,受限于系統(tǒng)中的因果約束,無(wú)法實(shí)時(shí)尋找最優(yōu)的W。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要合理選取并布置麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器,使得W有可行解。對(duì)應(yīng)的約束條件在后續(xù)的部署約束中進(jìn)行分析。

2.2 多入多出主動(dòng)降噪模型

將上述單入單出主動(dòng)降噪模型擴(kuò)展到多入多出主動(dòng)降噪模型[20]。假設(shè)存在Nr個(gè)參考麥克風(fēng)、Ns個(gè)揚(yáng)聲器單元和Ne個(gè)誤差麥克風(fēng),初級(jí)路徑P、次級(jí)路徑G、主動(dòng)降噪控制器W可以分別通過(guò)傳遞函數(shù)進(jìn)行構(gòu)建,如初級(jí)路徑P可以用式(2)進(jìn)行構(gòu)建。

式中,pij(f) 代表第j個(gè)參考麥克風(fēng)到第i個(gè)誤差麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)。

在模型中,由初級(jí)路徑傳播至誤差麥克風(fēng)的噪聲由式(3)表示,第j個(gè)誤差麥克風(fēng)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(dòng)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(dòng)降噪系統(tǒng)目的是抑制目標(biāo)點(diǎn)誤差信號(hào)E(f) ,使其能量最小,式中省略(f) ,構(gòu)建對(duì)應(yīng)的目標(biāo)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(diǎn)處W取值如式(7)所示。

3.2 艙外航天服ANC 部署約束

在實(shí)際部署過(guò)程中,由于物理電路的約束,難以時(shí)刻滿足W的求解結(jié)果。在ANC 系統(tǒng)超限工作時(shí)會(huì)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(gè)大于0 的實(shí)數(shù),具體數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果決定。

上述公式可以通過(guò)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(yàn)證試驗(yàn)

4.1 場(chǎng)景布置

按照上述推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行場(chǎng)景試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)置2 個(gè)參考麥克風(fēng)、2 個(gè)揚(yáng)聲器單元和6 個(gè)誤差麥克風(fēng),如圖2 所示。其中黃圈處是揚(yáng)聲器單元,紅圈處是誤差麥克風(fēng),揚(yáng)聲器內(nèi)部分別放置參考麥克風(fēng),設(shè)備底部放置了模擬噪聲源。模擬噪聲源根據(jù)實(shí)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(cè)試設(shè)備采用GRAS 人工頭(型號(hào)為45BC-14 KEMAR),用于模擬頭部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行人耳處噪聲測(cè)量。

圖2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scene layout

布置過(guò)程中參考麥克風(fēng)必須在噪聲傳播路徑上提前于誤差麥克風(fēng),保證參考麥克風(fēng)不會(huì)接收到誤差麥克風(fēng)產(chǎn)生的聲波。對(duì)于艙外航天服,噪聲來(lái)源相對(duì)固定,可以直接確認(rèn)誤差麥克風(fēng)布置位置。

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

2)揚(yáng)聲器需要在誤差麥克風(fēng)的位置產(chǎn)生能夠匹配噪聲大小的聲壓級(jí)。

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(shí)長(zhǎng)大于20 s。

4.2 測(cè)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(hào),隨機(jī)選取4 組降噪前與降噪后聲信號(hào)。截取全部音頻序列中0.2 s 音頻片段,并同時(shí)繪制降噪后音頻序列,如圖3 所示。圖中藍(lán)色曲線為降噪前聲音序列幅度隨時(shí)間的變化情況,紅色曲線為降噪后聲音序列幅度隨時(shí)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(shuō)明主動(dòng)降噪算法生成的時(shí)序音頻序列,可以有效降低艙外航天服內(nèi)部的噪聲強(qiáng)度。

圖3 測(cè)試噪聲及降噪后結(jié)果隨時(shí)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(jìn)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(shí),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(cè)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(jì)不同頻率降噪前后聲音強(qiáng)度的差值,計(jì)算得到降噪效果如表1 所示。從計(jì)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(dòng)降噪系統(tǒng),有效降噪頻率范圍為450 ～2000 Hz。其中,在250 Hz 頻點(diǎn)處雖然有明顯的效果,但在250 Hz 頻點(diǎn)周?chē)慕翟敕茸兓∮? dB,不能說(shuō)明降噪系統(tǒng)對(duì)250～450 Hz 頻率范圍內(nèi)有降噪效果。通過(guò)對(duì)此范圍內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)的降噪幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到人耳處平均降噪效果大于13.88 dB。由此可見(jiàn),本文提出的艙外航天服主動(dòng)降噪技術(shù)可以有效降低低頻范圍噪聲強(qiáng)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(dòng)降噪場(chǎng)景模型,提出了在艙外航天服場(chǎng)景約束下的聲場(chǎng)主動(dòng)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(shí)際場(chǎng)景提出部署約束條件。

2) 通過(guò)構(gòu)建仿真實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證了本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(chǎng)景,后續(xù)可以繼續(xù)優(yōu)化主動(dòng)降噪控制器的求解手段,以提高艙外航天服空間場(chǎng)降噪效果。