摘要：本文以電子消噪系統的原理框圖為基礎，分別展開討論電子消噪器的研制技術，反噪聲技術將還給人們一個安靜的世界。
　　關鍵詞：自由場，擴散場，指向特性，聲影區
　　
　　電子消噪系統的原理框圖

     
　　
　　一原理
　　利用兩個頻率，振幅相同，但相位相反的聲波在相遇區域內發生干涉會使空氣振動停止，聲音消失的原理，實現以噪音攻克噪音。
　　若兩個同方向的諧振動，它們的角頻率都是ω，振幅分別是A1和A2,初相角分別為φ1和φ2，則這兩個諧振動的運動方程分別為
　　X1=A1COS（ωt+φ1）
　　X2=A2COS（ωt+φ2）
　　因為振動是同方向的，所以當這兩個諧振動合成時，任一時刻合振動的位移X仍應在同一直線上，而且等于上述兩個分振動位移的代數和，即
　　X=X1+X2
　　我們可以用旋轉矢量法求出合振動的位移X。如圖一所示

　　圖一。用旋轉矢量法求振動的合成
　　
　　兩個分振動相對應的旋轉矢量分別為和開始時（t=0），它們與OX軸的夾角分別為φ1和φ2,它們在OX軸上的投影分別為X1和X2，由矢量合成的平行四邊形法則，可以作出合矢量為
　　=+
　　由于，以相同的角速度ω繞O點作逆時針旋轉，它們的夾角為φ=(φ2-φ1)
　　在旋轉過程中保持不變，所以矢量的大小也保持不變，并以相同的角速度ω和,一起繞O點做逆時針旋轉。從圖一可以看出，任一時刻合矢量在Ox軸上的投影X，等于矢量,在Ox軸上的投影的代數和，即
　　X=X1+X2
　　因此合矢量即為合振動所對應的旋轉矢量，它的模為合振動的振幅A，開始時矢量與OX軸的夾角即為合振動的初相角φ。由圖一可得到合振動的位移為
　　X=Acos(ωt+φ)
　　可見，合振動仍是一諧振動，它的頻率與分振動的頻率相同，用平行四邊形法則可求出合振動的振幅
　　A=
　　合振動的初相位角滿足
　　
　　從式（1）可以看出，合振動的振幅不僅與兩分振動的振幅有關，而且還與它們的相位差(φ2-φ1)有關。如果我們人為地通過技術手段有目的的使得
　　
　　那么就有
　　A==0
　　這是一種理想的狀況。客觀上由于噪音源的復雜性，很難實現理想的狀況，但是可以最大限度地接近，如圖二所示
　　圖二。用旋轉矢量法求振動的合成

　　
　　由圖二可以看出，如果
　　
　　那么就有A≈0，即使不能使A=0，也可以使合成振幅遠遠小于分振幅，這樣就減小了噪聲。
　　二噪聲源
　　反相聲波消噪技術在原理上無懈可擊，但真正實現又確實不易，現實生活中噪音源千差萬別，聲波無規律可循，其頻譜是連續的。另外由惠更斯原理可知聲波具有衍射，反射等特性，使得聲波無孔不入，凡是能透過空氣的地方聲波都可以穿過。就其聲學環境來講，噪聲源的聲場又可分為自由場和擴散場。
　　自由場是可以忽略邊界影響，各向同性均勻介質中的聲場。消聲室和室外空曠處是近似的自由場。我們研究的電子消噪器可以應用在一切近似的自由場中，比如公園，廣場等地方。大型建筑的排風系統是一個封閉的系統，那里的噪聲近似于自由場，所以可以把電子消噪系統安排在大型建筑的排風系統上。汽車上使用的機械消音器要損耗發動機的一部分功率，如果把電子消音器安裝在汽車上，就可以提高汽車發動機的效率。
　　擴散場的定義為：1聲以聲線方式以聲速C0直線傳播，聲線所攜帶的聲能向各個方向的傳遞幾率相同；2各聲線是互不相干的，聲線在迭加時，它們的相位變化是無規律的；3室內平均聲能密度處處相同.
　　我們研究的電子消噪系統所發出的聲波要求與噪聲源所發出的聲波要方向相同，所以電子消噪系統對于擴散場是無能為力的，換句話說，電子消噪系統不適合應用在擴散場。
　　三傳聲器揚聲器放大器
　　電子消噪系統要研究制作出電子消噪器，實際上就是一個簡單的擴音器，或者叫反相放大器它放大的是噪聲源的聲音，只不過是跟噪聲源的相位相反而已。主要由三個部分組成：傳聲器，揚聲器，放大器。
　　（一） 傳聲器
　　傳聲器是一種將聲信號轉變為電信號的換能器，也叫話筒，麥克風。傳聲器的類型很多，在擴聲器中使用最多的有動圈式，電容式和壓電式。傳聲器是電子消噪器的第一個環節。由它拾取噪音信號，應該具有較高的質量并滿足擴音的要求。其特性有靈敏度，頻率響應，指向性，輸出阻抗和動態范圍等。
　　1靈敏度
　　在自由聲場中正弦形聲波從聲軸方向入射時，傳聲器開路輸出電壓U和聲壓P的比值稱為傳聲器軸向靈敏度，單位mv/Pa公式為
　　2頻率響應
　　傳聲器置于指定條件并在恒壓聲場和指定入射角的聲波作用下，其靈敏度和頻率的關系稱為靈敏度頻率響應。保證傳聲器按照給定不均勻度使用的頻率范圍稱為工作頻率范圍。籠統地說，為了使消噪器獲得180°相位，要求傳聲器靈敏度頻率響應具有寬而平直的特性。實際上，如果能針對各種現場噪音源的頻率范圍進行實際測定，那么消噪器對于傳聲器的頻率響應要求不會很高的。
　　3指向特性
　　傳聲器靈敏度隨聲波入射方向變化的特性稱為指向特性。以角θ入射時傳聲器的靈敏度和軸向(θ=0)入射時靈敏度的比值，稱為指向性函數，即有
　　
　　`通常用指向性圖，指向性因數和指向性指數來描述傳聲器的指向特性。電子消噪器的指向特性要求是指向特性越強越好，這樣可以更準確地判斷噪聲傳播方向，以便確定電子消噪器的位置，更有效地消除噪聲。
　　4輸出阻抗
　　傳聲器有一定的內阻。從輸出端測得的交流阻抗就是該傳聲器的輸出阻抗。一般以1000Hz的阻抗作為標稱值。傳聲器的輸出阻抗有兩類：低阻輸出的通常有50，150，200，250，600Ω等；高阻輸出的通常有10，20，50kΩ等。
　　除以上幾個特性外，還有等效噪聲級，最高聲壓級，動態范圍和穩定度等。
　　（二） 揚聲器
　　揚聲器是把電信號轉換成機械振動并向空間輻射聲能的電聲換能器。它有兩種主要類型，一種是振動面直接把聲波輻射到空氣中（直射式電動揚聲器），另一種是在振膜與空氣之間插有一個阻抗匹配用的喇叭（喇叭式電動揚聲器）。此外還有一些特殊的揚聲器使用在不同的場所。揚聲器的主要特性有靈敏度，頻率響應，額定功率，效率，阻抗，指向性，非線性畸變和瞬態響應等。
　　1頻率響應
　　在恒定電壓作用下，軸向一定距離處揚聲器輻射的聲壓級隨頻率變化的特性，稱為揚聲器頻率響應。
　　2輻射聲功率和效率
　　在不超過允許非線性畸變條件下揚聲器輸出的最大電功率稱最大瞬時功率。在長時間使用不致因過熱而損壞的情況下，允許輸入到揚聲器的最大低頻電功率稱為額定功率。揚聲器的效率則是輸出聲功率和輸入電功率之比。
　　3靈敏度
　　揚聲器的靈敏度是指它在給定點的聲壓和輸出端電壓之比。靈敏度可以分為絕對靈敏度和相對靈敏度。比較不同阻抗的揚聲器時，通常用軸向絕對靈敏度，它定義為自由聲場中在揚聲器軸向距離1米處的有效聲壓和輸出視在電動率平方根之比
　　
　　式中Ma為軸向絕對靈敏度，Pa-m/;P為聲壓，VA為輸入得視在功率。
　　4阻抗特性
　　揚聲器的阻抗隨頻率變化的特性稱為阻抗特性，它對組合揚聲器的設計和信號源的匹配有參考價值。在阻抗曲線上，由低頻到高頻第一共振峰后的最小值，稱為揚聲器的額定阻抗。它接近于一個純阻。
　　5指向特性
　　揚聲器的指向特性表示靈敏度和輻射方向的關系，用指向性函數表示。它定義為在與揚聲器軸向成θ角的方向上給定距離處的有效聲壓，和在揚聲器軸向上同一距離處有效聲壓的比值。用圖形來描述時稱指向性圖。
　　此外，揚聲器還有非線性畸變，互調畸變和瞬態畸變等特性。表1是以揚聲器靈敏度為90dB時，根據噪聲源的聲壓級來確定揚聲器的功率表，實際使用時要有幾倍的功率儲備。表1揚聲器的功率對應的聲壓級（靈敏度90dB）
　　
　　
　　（三） 放大器
　　放大器由信號放大器（電壓放大器），音量控制和功率放大器組成。信號放大器的作用是：從傳聲器送來的信號一般都很微弱，先要經過電壓放大器放大，才能提供足夠高的電壓來推動功率放大器，同時完成反相的作用。音量控制電路的作用是：限定功率放大器的輸入電壓，保護功率放大器，同時完成調整輸出的振幅跟輸入的振幅相同的作用。功率放大器的作用是：帶動揚聲器正常工作，同時限定揚聲器的輸入功率，保護揚聲器不被燒壞。
　　不象影劇院，禮堂會場那樣對聲音的質量要求很高，我們所研究的電子消音器是為了消除噪音，是為了聽不到聲音，或者盡可能使噪音減少到最小，所以對傳聲器，揚聲器和放大器的要求不是很高。很多場合噪聲源的頻率范圍都是很窄的，或者低頻或是高頻。這樣我們根據現場噪音源和頻率來選擇相適應的傳聲器和揚聲器，制作電子消音器不但簡單，而且成本也很低，一般的小型電子企業都能很容易做到。圖4是一個最簡單的電子消音器電原理圖，僅供參考。本圖以噪聲源為100DB為消噪對象，所選元器件為：傳聲器CR1-4，前放NE5532A,功率STK4042X1揚聲器YQZ165-06018113B.

　　（四）外形設計
　　這是電子消噪系統的原理框圖中最后一部分，也是研制電子消噪器的最關鍵一部分。傳聲器鑲嵌在雙層所料套管中，不能透氣。外層套管以平行揚聲器聲軸的方向固定在音箱上，套管的一端必須在音箱的聲影區里，以避免揚聲器的反饋。內層套管帶著傳聲器可以在外層套管里前后抽動，傳聲器的方向要與揚聲器的指向相反。現場安裝時，傳聲器指向噪聲源，微調（因為電的傳播速度遠遠超過聲波的傳播速度，只要傳聲器和揚聲器的振動面在同一個平面的位置上，就可以相反了）傳聲器的位置，可使得揚聲器的聲波與噪聲源的聲波在相遇區域內相位相差180°，即消除了噪聲。
　　由于我們選擇指向性強的傳聲器，所以現場安裝時我們不僅要調整傳聲器的方向，即調整音箱的方向，使電子消噪器消除噪音的效果達到最佳為止。
　　
　　參考資料
　　[1]《傳感器電子制作》科學出版社美TomPetruzzellis著李大寨譯
　　[2]《新型實用電路精選指南》電子工業出版社陳偉鑫主編
　　[3]《集成電路應用集錦》電子工業出本社施良駒主編
　　[4]《名牌打天下》廣東旅游出版社鄭明身

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