摘要：本文以電子消噪系統(tǒng)的原理框圖為基礎(chǔ)，分別展開討論電子消噪器的研制技術(shù)，反噪聲技術(shù)將還給人們一個(gè)安靜的世界。
　　關(guān)鍵詞：自由場(chǎng)，擴(kuò)散場(chǎng)，指向特性，聲影區(qū)
　　
　　電子消噪系統(tǒng)的原理框圖

     
　　
　　一原理
　　利用兩個(gè)頻率，振幅相同，但相位相反的聲波在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)生干涉會(huì)使空氣振動(dòng)停止，聲音消失的原理，實(shí)現(xiàn)以噪音攻克噪音。
　　若兩個(gè)同方向的諧振動(dòng)，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(gè)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程分別為
　　X1=A1COS（ωt+φ1）
　　X2=A2COS（ωt+φ2）
　　因?yàn)檎駝?dòng)是同方向的，所以當(dāng)這兩個(gè)諧振動(dòng)合成時(shí)，任一時(shí)刻合振動(dòng)的位移X仍應(yīng)在同一直線上，而且等于上述兩個(gè)分振動(dòng)位移的代數(shù)和，即
　　X=X1+X2
　　我們可以用旋轉(zhuǎn)矢量法求出合振動(dòng)的位移X。如圖一所示

　　圖一。用旋轉(zhuǎn)矢量法求振動(dòng)的合成
　　
　　兩個(gè)分振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量分別為和開始時(shí)（t=0），它們與OX軸的夾角分別為φ1和φ2,它們?cè)贠X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(diǎn)作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，它們的夾角為φ=(φ2-φ1)
　　在旋轉(zhuǎn)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(diǎn)做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從圖一可以看出，任一時(shí)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(shù)和，即
　　X=X1+X2
　　因此合矢量即為合振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量，它的模為合振動(dòng)的振幅A，開始時(shí)矢量與OX軸的夾角即為合振動(dòng)的初相角φ。由圖一可得到合振動(dòng)的位移為
　　X=Acos(ωt+φ)
　　可見，合振動(dòng)仍是一諧振動(dòng)，它的頻率與分振動(dòng)的頻率相同，用平行四邊形法則可求出合振動(dòng)的振幅
　　A=
　　合振動(dòng)的初相位角滿足
　　
　　從式（1）可以看出，合振動(dòng)的振幅不僅與兩分振動(dòng)的振幅有關(guān)，而且還與它們的相位差(φ2-φ1)有關(guān)。如果我們?nèi)藶榈赝ㄟ^技術(shù)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(fù)雜性，很難實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)矢量法求振動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)在原理上無懈可擊，但真正實(shí)現(xiàn)又確實(shí)不易，現(xiàn)實(shí)生活中噪音源千差萬別，聲波無規(guī)律可循，其頻譜是連續(xù)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(xué)環(huán)境來講，噪聲源的聲場(chǎng)又可分為自由場(chǎng)和擴(kuò)散場(chǎng)。
　　自由場(chǎng)是可以忽略邊界影響，各向同性均勻介質(zhì)中的聲場(chǎng)。消聲室和室外空曠處是近似的自由場(chǎng)。我們研究的電子消噪器可以應(yīng)用在一切近似的自由場(chǎng)中，比如公園，廣場(chǎng)等地方。大型建筑的排風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，那里的噪聲近似于自由場(chǎng)，所以可以把電子消噪系統(tǒng)安排在大型建筑的排風(fēng)系統(tǒng)上。汽車上使用的機(jī)械消音器要損耗發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
　　擴(kuò)散場(chǎng)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(gè)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(shí)，它們的相位變化是無規(guī)律的；3室內(nèi)平均聲能密度處處相同.
　　我們研究的電子消噪系統(tǒng)所發(fā)出的聲波要求與噪聲源所發(fā)出的聲波要方向相同，所以電子消噪系統(tǒng)對(duì)于擴(kuò)散場(chǎng)是無能為力的，換句話說，電子消噪系統(tǒng)不適合應(yīng)用在擴(kuò)散場(chǎng)。
　　三傳聲器揚(yáng)聲器放大器
　　電子消噪系統(tǒng)要研究制作出電子消噪器，實(shí)際上就是一個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)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(gè)部分組成：傳聲器，揚(yáng)聲器，放大器。
　　（一） 傳聲器
　　傳聲器是一種將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的換能器，也叫話筒，麥克風(fēng)。傳聲器的類型很多，在擴(kuò)聲器中使用最多的有動(dòng)圈式，電容式和壓電式。傳聲器是電子消噪器的第一個(gè)環(huán)節(jié)。由它拾取噪音信號(hào)，應(yīng)該具有較高的質(zhì)量并滿足擴(kuò)音的要求。其特性有靈敏度，頻率響應(yīng)，指向性，輸出阻抗和動(dòng)態(tài)范圍等。
　　1靈敏度
　　在自由聲場(chǎng)中正弦形聲波從聲軸方向入射時(shí)，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(yīng)
　　傳聲器置于指定條件并在恒壓聲場(chǎng)和指定入射角的聲波作用下，其靈敏度和頻率的關(guān)系稱為靈敏度頻率響應(yīng)。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(tǒng)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(yīng)具有寬而平直的特性。實(shí)際上，如果能針對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)噪音源的頻率范圍進(jìn)行實(shí)際測(cè)定，那么消噪器對(duì)于傳聲器的頻率響應(yīng)要求不會(huì)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(shí)傳聲器的靈敏度和軸向(θ=0)入射時(shí)靈敏度的比值，稱為指向性函數(shù)，即有
　　
　　`通常用指向性圖，指向性因數(shù)和指向性指數(shù)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(qiáng)越好，這樣可以更準(zhǔn)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(nèi)阻。從輸出端測(cè)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(biāo)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(gè)特性外，還有等效噪聲級(jí)，最高聲壓級(jí)，動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定度等。
　　（二） 揚(yáng)聲器
　　揚(yáng)聲器是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)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(dòng)面直接把聲波輻射到空氣中（直射式電動(dòng)揚(yáng)聲器），另一種是在振膜與空氣之間插有一個(gè)阻抗匹配用的喇叭（喇叭式電動(dòng)揚(yáng)聲器）。此外還有一些特殊的揚(yáng)聲器使用在不同的場(chǎng)所。揚(yáng)聲器的主要特性有靈敏度，頻率響應(yīng)，額定功率，效率，阻抗，指向性，非線性畸變和瞬態(tài)響應(yīng)等。
　　1頻率響應(yīng)
　　在恒定電壓作用下，軸向一定距離處揚(yáng)聲器輻射的聲壓級(jí)隨頻率變化的特性，稱為揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)。
　　2輻射聲功率和效率
　　在不超過允許非線性畸變條件下?lián)P聲器輸出的最大電功率稱最大瞬時(shí)功率。在長(zhǎng)時(shí)間使用不致因過熱而損壞的情況下，允許輸入到揚(yáng)聲器的最大低頻電功率稱為額定功率。揚(yáng)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(yáng)聲器的靈敏度是指它在給定點(diǎn)的聲壓和輸出端電壓之比。靈敏度可以分為絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度。比較不同阻抗的揚(yáng)聲器時(shí)，通常用軸向絕對(duì)靈敏度，它定義為自由聲場(chǎng)中在揚(yáng)聲器軸向距離1米處的有效聲壓和輸出視在電動(dòng)率平方根之比
　　
　　式中Ma為軸向絕對(duì)靈敏度，Pa-m/;P為聲壓，VA為輸入得視在功率。
　　4阻抗特性
　　揚(yáng)聲器的阻抗隨頻率變化的特性稱為阻抗特性，它對(duì)組合揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)和信號(hào)源的匹配有參考價(jià)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(yáng)聲器的額定阻抗。它接近于一個(gè)純阻。
　　5指向特性
　　揚(yáng)聲器的指向特性表示靈敏度和輻射方向的關(guān)系，用指向性函數(shù)表示。它定義為在與揚(yáng)聲器軸向成θ角的方向上給定距離處的有效聲壓，和在揚(yáng)聲器軸向上同一距離處有效聲壓的比值。用圖形來描述時(shí)稱指向性圖。
　　此外，揚(yáng)聲器還有非線性畸變，互調(diào)畸變和瞬態(tài)畸變等特性。表1是以揚(yáng)聲器靈敏度為90dB時(shí)，根據(jù)噪聲源的聲壓級(jí)來確定揚(yáng)聲器的功率表，實(shí)際使用時(shí)要有幾倍的功率儲(chǔ)備。表1揚(yáng)聲器的功率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)（靈敏度90dB）
　　
　　
　　（三） 放大器
　　放大器由信號(hào)放大器（電壓放大器），音量控制和功率放大器組成。信號(hào)放大器的作用是：從傳聲器送來的信號(hào)一般都很微弱，先要經(jīng)過電壓放大器放大，才能提供足夠高的電壓來推動(dòng)功率放大器，同時(shí)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(hù)功率放大器，同時(shí)完成調(diào)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(dòng)揚(yáng)聲器正常工作，同時(shí)限定揚(yáng)聲器的輸入功率，保護(hù)揚(yáng)聲器不被燒壞。
　　不象影劇院，禮堂會(huì)場(chǎng)那樣對(duì)聲音的質(zhì)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(duì)傳聲器，揚(yáng)聲器和放大器的要求不是很高。很多場(chǎng)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)噪音源和頻率來選擇相適應(yīng)的傳聲器和揚(yáng)聲器，制作電子消音器不但簡(jiǎn)單，而且成本也很低，一般的小型電子企業(yè)都能很容易做到。圖4是一個(gè)最簡(jiǎn)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(duì)象，所選元器件為：傳聲器CR1-4，前放NE5532A,功率STK4042X1揚(yáng)聲器YQZ165-06018113B.

　　（四）外形設(shè)計(jì)
　　這是電子消噪系統(tǒng)的原理框圖中最后一部分，也是研制電子消噪器的最關(guān)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(yáng)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(qū)里，以避免揚(yáng)聲器的反饋。內(nèi)層套管帶著傳聲器可以在外層套管里前后抽動(dòng)，傳聲器的方向要與揚(yáng)聲器的指向相反。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，傳聲器指向噪聲源，微調(diào)（因?yàn)殡姷膫鞑ニ俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過聲波的傳播速度，只要傳聲器和揚(yáng)聲器的振動(dòng)面在同一個(gè)平面的位置上，就可以相反了）傳聲器的位置，可使得揚(yáng)聲器的聲波與噪聲源的聲波在相遇區(qū)域內(nèi)相位相差180°，即消除了噪聲。
　　由于我們選擇指向性強(qiáng)的傳聲器，所以現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)我們不僅要調(diào)整傳聲器的方向，即調(diào)整音箱的方向，使電子消噪器消除噪音的效果達(dá)到最佳為止。
　　
　　參考資料
　　[1]《傳感器電子制作》科學(xué)出版社美TomPetruzzellis著李大寨譯
　　[2]《新型實(shí)用電路精選指南》電子工業(yè)出版社陳偉鑫主編
　　[3]《集成電路應(yīng)用集錦》電子工業(yè)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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