主动降噪原理及应用
进入工业时代,各种机械的创造和使用给人们带来了繁荣和进步,但同时噪音污染已经变得越来越严重,人们想尽方法去减少噪音,避免噪音给日常生活造成不良的影响。
什么是噪音?
声音由物体振动所产生,以波的形式通过介质(固体、液体、气体)进行传播。
从物理角度上讲,物体进行有规律、单纯的振动,并且有准确的音高的声音,称为乐音;与之相反的,物体振动无规律,杂乱无章且没有一定的音高的声音,通常称为噪音。
然而物理学并不是唯一的判断标准。因为每个人都是独特的,对世界上的一切事物都会有不同的看法。所以从心理学的角度来分析,能令人感到愉快的,积极向上的,可称为乐音;相反,令人感到厌烦,消极无力的,就称为噪音。噪音总会出现在人们周围,人们特别讨厌在工作、学习、休息的时候遇到噪音,噪音污染、噪音扰民也已经添加到法律法规当中,这表明了噪音的减少在许多地方都受到高度重视。
什么是主动降噪?
一般减少噪音的方法通常来说有两种:一、从音源产生处处理;二、从声音传播的过程处理。现在人们在生活主要采用的是第二种方法,也就是常说的主动降噪,从声音的传播过程中进行处理。戴耳塞、关闭门窗、打开音量较大的音乐都是从声音传播的过程中进行降低噪音的解决方式。
或许有的人不理解,为什么打开大音量的音乐是一种降低噪音方法。不是两个声音叠加起来会使得更加杂乱无章吗?这就涉及到一个物理问题了。
主动降噪的原理和应用
一个声音的闻阈值由于另一个声音的出现而提高的效应。 后者称为掩蔽声, 前者称为被掩蔽音。对于两个纯音来说,最明显的掩蔽效应出现在掩蔽声频率附近,低频纯音能有效地掩蔽高频纯音,而高频纯音对低频纯音的掩蔽效应小。这种效应被称为掩蔽效应。
了解了这种物理效应,更好的帮助我们对主动降噪原理的把握。将声音以波形图的形式观察和处理,声波的振幅相对于时间的变化完备表示,显得准确直观。
在波形图中,语言与音乐的波形与简单的正弦波非常不同,一般称之为复合波。也就是说语言和音乐的波形是有很多种波叠加而成。那么假设以f(1)正弦波为基波,f(2)、f(3)分别为二次谐波与三次谐波。
f(1)、f(2)、f(3)三种波形
这三个正弦波为三种乐器发出的声音,把三种声音通过混音处理叠加到一起得出f(4)。
f(1)、f(2)、f(3)相加而得的f(4)波形图
由此可得知,语言与乐声再复杂,也是由多种简单的波形相加而来的。那么知道声音的波形,想减去不想要的声音就变得很简单。
所以就产生了主动降噪技术:所有的声音都由一定的频谱组成,如果可以找到一种声音,其频谱与所要消除的噪声完全一样,只是相位刚好相反(相差180°),就可以将这噪声完全抵消掉。
我们可以把正弦波f(3)假设为噪音,为了把f(3)噪音去掉,播放一种相位与其相反的声音。
f(1)、f(2)、f(3)与 f(3)相位相反的波形相加形成的波形图
