摘要：本文以电子消噪系统的原理框图为基础，分别展开讨论电子消噪器的研制技术，反噪声技术将还给人们一个安静的世界。
关键词：自由场，扩散场，指向特性，声影区
电子消噪系统的原理框图
一原理
利用两个频率，振幅相同，但相位相反的声波在相遇区域内发生干涉会使空气振动停止，声音消失的原理，实现以噪音攻克噪音。
若两个同方向的谐振动，它们的角频率都是ω，振幅分别是A1和A2,初相角分别为φ1和φ2，则这两个谐振动的运动方程分别为
X1=A1COS（ωt+φ1）
X2=A2COS（ωt+φ2）
因为振动是同方向的，所以当这两个谐振动合成时，任一时刻合振动的位移X仍应在同一直线上，而且等于上述两个分振动位移的代数和，即
X=X1+X2
我们可以用旋转矢量法求出合振动的位移X。如图一所示
图一。用旋转矢量法求振动的合成
两个分振动相对应的旋转矢量分别为和开始时（t=0），它们与OX轴的夹角分别为φ1和φ2,它们在OX轴上的投影分别为X1和X2，由矢量合成的平行四边形法则，可以作出合矢量为
=+
由于，以相同的角速度ω绕O点作逆时针旋转，它们的夹角为φ=(φ2-φ1)
在旋转过程中保持不变，所以矢量的大小也保持不变，并以相同的角速度ω和,一起绕O点做逆时针旋转。从图一可以看出，任一时刻合矢量在Ox轴上的投影X，等于矢量,在Ox轴上的投影的代数和，即
X=X1+X2
因此合矢量即为合振动所对应的旋转矢量，它的模为合振动的振幅A，开始时矢量与OX轴的夹角即为合振动的初相角φ。由图一可得到合振动的位移为
X=Acos(ωt+φ)
可见，合振动仍是一谐振动，它的频率与分振动的频率相同，用平行四边形法则可求出合振动的振幅
A=
合振动的初相位角满足
从式（1）可以看出，合振动的振幅不仅与两分振动的振幅有关，而且还与它们的相位差(φ2-φ1)有关。如果我们人为地通过技术手段有目的的使得
那么就有
A==0
这是一种理想的状况。客观上由于噪音源的复杂性，很难实现理想的状况，但是可以最大限度地接近，如图二所示
图二。用旋转矢量法求振动的合成
由图二可以看出，如果
那么就有A≈0，即使不能使A=0，也可以使合成振幅远远小于分振幅，这样就减小了噪声。
二噪声源
反相声波消噪技术在原理上无懈可击，但真正实现又确实不易，现实生活中噪音源千差万别，声波无规律可循，其频谱是连续的。另外由惠更斯原理可知声波具有衍射，反射等特性，使得声波无孔不入，凡是能透过空气的地方声波都可以穿过。就其声学环境来讲，噪声源的声场又可分为自由场和扩散场。
自由场是可以忽略边界影响，各向同性均匀介质中的声场。消声室和室外空旷处是近似的自由场。我们研究的电子消噪器可以应用在一切近似的自由场中，比如公园，广场等地方。大型建筑的排风系统是一个封闭的系统，那里的噪声近似于自由场，所以可以把电子消噪系统安排在大型建筑的排风系统上。汽车上使用的机械消音器要损耗发动机的一部分功率，如果把电子消音器安装在汽车上，就可以提高汽车发动机的效率。
扩散场的定义为：1声以声线方式以声速C0直线传播，声线所携带的声能向各个方向的传递几率相同；2各声线是互不相干的，声线在迭加时，它们的相位变化是无规律的；3室内平均声能密度处处相同.
我们研究的电子消噪系统所发出的声波要求与噪声源所发出的声波要方向相同，所以电子消噪系统对于扩散场是无能为力的，换句话说，电子消噪系统不适合应用在扩散场。
三传声器扬声器放大器
电子消噪系统要研究制作出电子消噪器，实际上就是一个简单的扩音器，或者叫反相放大器它放大的是噪声源的声音，只不过是跟噪声源的相位相反而已。主要由三个部分组成：传声器，扬声器，放大器。
（一） 传声器
传声器是一种将声信号转变为电信号的换能器，也叫话筒，麦克风。传声器的类型很多，在扩声器中使用最多的有动圈式，电容式和压电式。传声器是电子消噪器的第一个环节。由它拾取噪音信号，应该具有较高的质量并满足扩音的要求。其特性有灵敏度，频率响应，指向性，输出阻抗和动态范围等。
1灵敏度
在自由声场中正弦形声波从声轴方向入射时，传声器开路输出电压U和声压P的比值称为传声器轴向灵敏度，单位mv/Pa公式为
2频率响应
传声器置于指定条件并在恒压声场和指定入射角的声波作用下，其灵敏度和频率的关系称为灵敏度频率响应。保证传声器按照给定不均匀度使用的频率范围称为工作频率范围。笼统地说，为了使消噪器获得180°相位，要求传声器灵敏度频率响应具有宽而平直的特性。实际上，如果能针对各种现场噪音源的频率范围进行实际测定，那么消噪器对于传声器的频率响应要求不会很高的。
3指向特性
传声器灵敏度随声波入射方向变化的特性称为指向特性。以角θ入射时传声器的灵敏度和轴向(θ=0)入射时灵敏度的比值，称为指向性函数，即有
`通常用指向性图，指向性因数和指向性指数来描述传声器的指向特性。电子消噪器的指向特性要求是指向特性越强越好，这样可以更准确地判断噪声传播方向，以便确定电子消噪器的位置，更有效地消除噪声。
4输出阻抗
传声器有一定的内阻。从输出端测得的交流阻抗就是该传声器的输出阻抗。一般以1000Hz的阻抗作为标称值。传声器的输出阻抗有两类：低阻输出的通常有50，150，200，250，600Ω等；高阻输出的通常有10，20，50kΩ等。
除以上几个特性外，还有等效噪声级，最高声压级，动态范围和稳定度等。
（二） 扬声器
扬声器是把电信号转换成机械振动并向空间辐射声能的电声换能器。它有两种主要类型，一种是振动面直接把声波辐射到空气中（直射式电动扬声器），另一种是在振膜与空气之间插有一个阻抗匹配用的喇叭（喇叭式电动扬声器）。此外还有一些特殊的扬声器使用在不同的场所。扬声器的主要特性有灵敏度，频率响应，额定功率，效率，阻抗，指向性，非线性畸变和瞬态响应等。
1频率响应
在恒定电压作用下，轴向一定距离处扬声器辐射的声压级随频率变化的特性，称为扬声器频率响应。
2辐射声功率和效率
在不超过允许非线性畸变条件下扬声器输出的最大电功率称最大瞬时功率。在长时间使用不致因过热而损坏的情况下，允许输入到扬声器的最大低频电功率称为额定功率。扬声器的效率则是输出声功率和输入电功率之比。
3灵敏度
扬声器的灵敏度是指它在给定点的声压和输出端电压之比。灵敏度可以分为绝对灵敏度和相对灵敏度。比较不同阻抗的扬声器时，通常用轴向绝对灵敏度，它定义为自由声场中在扬声器轴向距离1米处的有效声压和输出视在电动率平方根之比
式中Ma为轴向绝对灵敏度，Pa-m/;P为声压，VA为输入得视在功率。
4阻抗特性
扬声器的阻抗随频率变化的特性称为阻抗特性，它对组合扬声器的设计和信号源的匹配有参考价值。在阻抗曲线上，由低频到高频第一共振峰后的最小值，称为扬声器的额定阻抗。它接近于一个纯阻。
5指向特性
扬声器的指向特性表示灵敏度和辐射方向的关系，用指向性函数表示。它定义为在与扬声器轴向成θ角的方向上给定距离处的有效声压，和在扬声器轴向上同一距离处有效声压的比值。用图形来描述时称指向性图。
此外，扬声器还有非线性畸变，互调畸变和瞬态畸变等特性。表1是以扬声器灵敏度为90dB时，根据噪声源的声压级来确定扬声器的功率表，实际使用时要有几倍的功率储备。表1扬声器的功率对应的声压级（灵敏度90dB）
（三） 放大器
放大器由信号放大器（电压放大器），音量控制和功率放大器组成。信号放大器的作用是：从传声器送来的信号一般都很微弱，先要经过电压放大器放大，才能提供足够高的电压来推动功率放大器，同时完成反相的作用。音量控制电路的作用是：限定功率放大器的输入电压，保护功率放大器，同时完成调整输出的振幅跟输入的振幅相同的作用。功率放大器的作用是：带动扬声器正常工作，同时限定扬声器的输入功率，保护扬声器不被烧坏。
不象影剧院，礼堂会场那样对声音的质量要求很高，我们所研究的电子消音器是为了消除噪音，是为了听不到声音，或者尽可能使噪音减少到最小，所以对传声器，扬声器和放大器的要求不是很高。很多场合噪声源的频率范围都是很窄的，或者低频或是高频。这样我们根据现场噪音源和频率来选择相适应的传声器和扬声器，制作电子消音器不但简单，而且成本也很低，一般的小型电子企业都能很容易做到。图4是一个最简单的电子消音器电原理图，仅供参考。本图以噪声源为100DB为消噪对象，所选元器件为：传声器CR1-4，前放NE5532A,功率STK4042X1扬声器YQZ165-06018113B.
（四）外形设计
这是电子消噪系统的原理框图中最后一部分，也是研制电子消噪器的最关键一部分。传声器镶嵌在双层所料套管中，不能透气。外层套管以平行扬声器声轴的方向固定在音箱上，套管的一端必须在音箱的声影区里，以避免扬声器的反馈。内层套管带着传声器可以在外层套管里前后抽动，传声器的方向要与扬声器的指向相反。现场安装时，传声器指向噪声源，微调（因为电的传播速度远远超过声波的传播速度，只要传声器和扬声器的振动面在同一个平面的位置上，就可以相反了）传声器的位置，可使得扬声器的声波与噪声源的声波在相遇区域内相位相差180°，即消除了噪声。
由于我们选择指向性强的传声器，所以现场安装时我们不仅要调整传声器的方向，即调整音箱的方向，使电子消噪器消除噪音的效果达到最佳为止。
参考资料
[1]《传感器电子制作》科学出版社美TomPetruzzellis著李大寨译
[2]《新型实用电路精选指南》电子工业出版社陈伟鑫主编
[3]《集成电路应用集锦》电子工业出本社施良驹主编
[4]《名牌打天下》广东旅游出版社郑明身
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