主动降噪--该技术有望解决无源保护器无法解决的噪声问题

在过去的半个世纪中，技术几乎改善了人类生活的各个方面。然而，在此期间，个人防护装备领域并没有太大变化。为了听力安全，工作人员可以选择插入耳朵的耳塞或覆盖耳朵的耳罩。这些被称为被动护耳器，因为它们采用声学泡沫来阻止噪声波进入耳朵。被动防护对于中高频噪声非常有效，但发动机、电机和风扇产生的低频噪声更具挑战性。在许多工业环境中普遍存在的低频噪声波更长，可以传播很远的距离，并且可以穿透被动屏障，甚至水泥墙。

主动降噪（ANR）是衰减低频噪声的唯一有效方法。该技术通常也称为电子噪声消除 (ENC)、主动噪声消除 (ANC) 或“抗噪声”。ANR 是通过将噪声波与其精确镜像电子耦合来实现的，从而消除噪声。图 1 显示了噪声信号、抗噪声信号以及它们相遇时产生的残余噪声的时间关系。

多年来，军事和航空市场已充分了解 ANR 的优势。例如，飞机机舱噪音完全在 ANR 的有效范围内，因此大多数航空耳机都采用了该技术。包含 ANR 的通信耳机的价格可能高达 1,200 美元。

在过去的十年里，消费音频市场也接受了这项技术，各大音频制造商都提供降噪耳机，供消费者在飞机上和其他低频噪声环境中使用便携式音频设备。这些降噪耳机的价格从 39 美元到 299 美元不等，并且具有不同的性能水平。

尽管该技术在航空、军事和消费领域很常见，但 ANR 尚未广泛应用于产业工人。现在，这种情况开始随着具有成本效益的 ANR 耳罩而改变，其售价为 149 美元，独立、供电方便且相对较轻。

技术的演变
电子降噪技术并不是一个新想法。创建声音副本并使用该副本取消原始声音的概念可以追溯到 1900 年代初期。这些第一个电子噪声消除系统使用了简单的“延迟和反转”方法，但其有效性有限。20 世纪 70 年代中期，通过使用自适应滤波器生成抗噪声，ANR 系统取得了快速发展。这使得系统能够不断适应外部世界和自身组件的变化。

20 世纪 70 年代中期的第二个突破是认识到许多噪音，尤其是人造机器产生的噪音，都是周期性的或音调的。这种音调噪声可以提供更有效的解决方案，因为每次重复都会产生可预测的谐波模式，从而使电子系统能够生成更准确的抗噪声信号。

如前所述，到了 20 世纪 90 年代初，该技术已普遍应用于航空和军事领域；到 20 世纪 90 年代中期，消费者降噪音频耳机已成为广为人知且易于理解的产品类别。

低频噪声
来自发动机、电机和风扇的低频噪声在许多工业环境中占主导地位，但被动听力保护基本上无法解决噪声频谱的这个组成部分。一些最吵闹的低频环境和设备包括机场、林业、装载机、内燃机车、锻造厂、工厂、高速公路、船舶发动机室和重型拖拉机。

除了听力损失之外，长时间暴露在噪音（包括低频噪音）下，还会导致许多有害的心理和生理影响，包括疲劳、焦虑、抑郁、注意力不集中、生产力下降、头痛和高血压。低频噪声对交流也特别有害，因为它掩盖了辅音——这些声音使语音变得易于理解。

在大多数环境中，都存在很宽频率范围的噪声。如前所述，目前大多数听力保护产品都是无源设备，旨在防止噪音进入耳朵，使其对中高频有效，但对低频无效。除了被动听力保护不能解决所有噪音频率这一事实之外，这些设备的有效性衡量标准，即降噪等级 (NRR)，也不能仅凭表面价值来衡量。由于耳塞插入不当以及耳罩的夹紧力和耳密封件的磨损，听力保护水平常常会下降。目前可供工人使用的最完整的听力保护装置是结合了 ANR 和被动噪声控制方法的设备。   

这种类型的耳罩使用耳罩 (1) 内的麦克风来监听传入耳朵 (2) 的噪音。系统使用电子设备 (3) 获取该信息并使用它来创建与进入耳朵的噪声波相同但完全相反的噪声波。“抗噪声”波通过同样位于耳罩内的扬声器 (4) 输出。当两种波（噪声波和反噪声波）相遇时，噪声显着降低（5）。

图 3 是 ANR 耳罩的照片。正如您所看到的，ANR耳罩的外观与标准无源耳罩几乎相同；然而，ANR 耳罩可在 20-800 Hz 范围内提供 20dB 的电子噪音消除效果。为了提供最完整的听力保护，这些耳罩还提供高达最高可达 26。此外，这些耳罩具有音频输入功能，因此允许在工作中听音乐的工人可以以安全的音量水平收听。

结论
ANR 是工业听力保护领域的下一个技术突破，因为它解决了以前无法解决的噪声问题。被动式听力保护并没有取得重大进展，因为被动式已被充分理解并得到充分利用。为工人提供下一代听力保护的唯一机会是通过 ANR 等电子方式。

目前可用的 ANR 耳罩以合理的成本提供更高水平的听力保护。随着听力损失仍然是一个问题，并且噪声标准变得更加严格，我们预计先进的听力保护将被更广泛地采用，甚至在某些噪声环境中需要。