0 引　言

在《中国制造2025》^[1]中，船舶制造业作为我国制造业重要的支柱产业之一，急需向高端制造转型，提升船舶设计建造的水平。在看待船舶建造的观点理念上，目前仍然过于强调船舶功能性，而对船舶舱室舒适性和对使用者的人文关怀重视程度不够。对于某些使用人员需要长期生活其中的舰船，如豪华邮轮、远洋货运船、大型远洋军舰等，住舱等生活舱室的声环境系统是直接面对使用人员的一种重要船用系统。船舶各个舱室中集成了众多的电气化设备，这些设备在狭小的空间中不可避免会发生共振，造成严重的空气噪声干扰，这给船上人员的身心健康造成了不良影响。

噪声控制可以从噪声源、噪声传播途径和噪声接受者三方面着手。传统的噪声控制手段包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、阻尼减振等，这些处理手段主要是通过降低噪声的能量来达到降低噪声的目的，属于被动降噪的控制方式^[2]。主动降噪技术是通过对噪声信号采集，对噪声信息进行处理，主动发出控制信号，推动扬声器与噪声信号叠加，从而达到降低噪声的目的。近年来，随着电子技术的发展，主动降噪技术也得到了蓬勃发展。

1 船舶舱室噪声环境

船舶舱室噪声环境较为复杂，通过对船舶噪声的现场测试，摒除不可预测的噪声因子，船舶舱室噪声基本可分为船舶运行时内部产生的噪声，以及船舶外部噪声。

1.1 船舶内部噪声分析

船舶内部噪声源很多，其中发动机、烟囱、空调等噪声最为常见。对于靠近船舶机舱的值班室、底层住舱而言，发动机噪声最为明显，本节着重分析常见的船用柴油机噪声。

通过现场测试，记录下了某型船舶大功率柴油机声音文件。通过Matlab分析，可将声音文件的振幅和频率展开。其中，Matlab函数库中无对应函数，可借用已有函数进行分析。

经过对船用柴油机噪声文件的分析，柴油机所发出的噪声为单调的频谱及谐波构成；噪声的频率与柴油机的转速成正比，详见图1。

船用柴油机转速较低，一般正常航行时转速为80～170 r/min，其噪声主要集中在不超过180 Hz的低频段。

1.2 船舶外部噪声分析

海浪是最为常见的船舶外部噪声源。通过对现场测试的海浪声音文件，应用Matlab分析，采用编制的soundfft（file）程序将振幅和频率展开，详见图2。

海浪的声音频谱比较复杂，不过其噪声也主要集中在不超过300 Hz的低频段。

2 主动降噪技术应用可行性分析

船舶舱室有自身模式特征，这些特征为主动降噪技术的应用提供了良好的舞台。

2.1 船舶舱室房间模式分析

目前，应用主动降噪技术的耳机早已问世^[3]，部分汽车中也配置了有源降噪设备，以提供舒适的驾乘环境^[4]。然而，类似旅馆、酒店等大空间中，尚无主动降噪技术应用的案例。究其原因，由于大空间声场的复杂性，主动降噪技术无法处理次级声源的数目与声模态的匹配关系，因此实现大空间的主动降噪研究鲜有人涉及^[5]。

另外，主动降噪效果与噪声频率有关，噪声频率在低频范围内，即f≤500 Hz时主动降噪技术能明显降低噪声，实现降噪效果^[6]。

2.2 主动降噪技术原理

在主动降噪技术领域的研究中，通常将有待控制的声场称为初级声场（primary sound field），其声源称为初级声源，所产生的噪声为初级噪声。而用于抵消该初级噪声的反相噪声称为次级噪声，次级噪声形成的声场称为次级声场（secondary sound field），产生次级噪声的声源则称为次级声源。在空间中的某一点，通过初级噪声与次级噪声的相消性干涉达到降噪目的的噪声控制方式即为主动降噪（active noise control）^[7]。

主动降噪系统包括两部分：传感—作动系统和控制器系统。传感—作动系统中的传感器包括参考传声器和误差传声器（均为麦克风阵列）；作动器为产生次级声场的次级声源（扬声器系统）。控制器系统包括硬件（平台）和软件（算法）。控制器系统硬件一般可分为模拟和数字2种，其中，数字信号处理器的功能要明显强于模拟信号处理器，可以实现多通道自适应的主动降噪系统运算。

2.3 主动降噪技术应用分析

研究发现，经过合理布置扬声器阵列与麦克风位置，可在一定的区域内有效实现主动降噪效果^[8]。

很多船舶舱室靠近机舱，值班人员的休息会受到发动机噪声的很大影响；而靠近窗户的客舱或值班舱室，人员的休息也容易受到海浪噪声的影响，对存在睡眠障碍的人造成了困扰。这些位置距离噪声源很近，采用被动降噪方法无法达到满意效果，而采用主动降噪技术则提供了解决这些噪声困扰的方法。该方法是在这些人员休息的位置，即床头位置设置为主动降噪区域。一方面，这些位置面对的噪声环境皆为低频噪声，存在主动降噪的可能性；另一方面，封闭空间的一定区域内实现主动降噪，在技术上是可行的。

3 主动降噪技术应用路线

船舶舱室应用主动降噪技术，一方面是对系统硬件搭建的考虑，另一方面是对控制算法的探讨^[9]。下面以硬件系统为例，讨论船舶舱室用主动降噪技术路线。

3.1 系统硬件结构

主动降噪硬件系统是整个系统的基础，包括原始噪音的采集、降噪区域剩余噪音的采集、数字信号处理器、主动降噪扬声器及其驱动模块、调试用ENET接口等部分。主动降噪系统硬件系统结构框图如图3所示。

3.2 数字信号处理器

高速微信号处理器用于处理降噪算法，具备六级、顺序、双发射超标量流水线、指令和数据高速缓存、分支预测、SIMD支持、紧耦合内存（TCM）等特点。另外其内部集成了DSP指令集，支持硬件级别的单精度、双精度浮点运算。高速的数据处理能力、较低的成本和功耗、高可靠性使其很适合作为船舶用主动降噪系统的主处理器。

3.3 麦克风阵列

麦克风主要用于收集环境中的噪声，并通过音频ADC转化成数字序列送入数字信号处理器进行处理。麦克风阵列的布置需要经过大量仿真与实验。

3.4 扬声器系统

扬声器系统包括音频DAC、低噪声大功率功放电路和扬声器，用于将数字信号处理器计算出的信息通过扬声器执行。执行过程通过产生与噪声信号反相位、同幅度的信号以抵消空间中的噪声信号。

4 结　语

目前，主动降噪技术在部分领域已有成熟应用，但在许多领域仍存在空白。一方面，其应用受到需消除的噪声对象的影响较大，很多受到噪声影响的空间处在中高频段，或无法确定频率范围，应用主动降噪技术效果并不明显；另一方面，主动降噪技术应用门槛较高，针对不同应用场合均要有相应的技术方案，可应用的场合也不一定适合开发针对性产品。船舶舱室属于既适合应用该技术，也具备大规模开发针对性产品的领域。