城市噪声暴露对公众健康的威胁被低估了，这是一个全球性的环境污染问题，甚至有人将环境噪音称为“新的二手烟”。世界卫生组织（WHO）在最近更新的“地区环境噪声指南”中强调了越来越多的证据表明噪声污染与多种健康风险有关。城市噪声污染是一种普遍存在但往往被忽视的公共卫生威胁，必须立即加以解决。为防止噪声污染，可在噪声源、噪声传播路径或接收端采取缓解措施。这些措施是按其有效性的顺序来实施的，因为在声源处的噪声控制是最有效的，而在接收端的噪声控制通常效率较低。对于环境噪声（如交通噪声、建筑噪声、飞机噪声等），由于涉及许多利益相关者，如车辆制造商、政府机构、运输运营商和个人，源头控制通常是一个难题。沿着传播路径采取的措施，如声屏障，对高层、土地稀缺的城市是有效的。传统降噪方法倾向于被动方法，即在声波进入建筑物内部之前，采用物理结构来破坏声波，例如。隔音屏障，外墙屏蔽。这些被动方法的优点是简单，不需要电源。但这类被动噪声控制措施，在降低低频噪声方面效果较差（通常小于1000 Hz低频范围内），且体积较大，可能阻碍气流。而主动噪声控制（ANC：Active Noise Control）方法通常需要一个传感器来检测撞击噪声，一个控制器来计算异相“抗噪声”波，以及一个执行器来产生抗噪声，从而最大限度地减少反馈传感器的噪声。但迄今为止，ANC 的成功商业实施仅限于小型或封闭区域（例如耳机、飞机和汽车内饰等）。由于缺乏对主动控制原理及其物理限制背后的理解，ANC方法尽管有着悠久的历史和最近被消费类耳机所普及，但在建筑环境中实施它的情况仍然很少。到目前为止，主动噪声控制已在源头、传输路径、工程机械、噪声屏障中得到验证。最近对自然通风建筑的需求也刺激了接收端主动控制解决方案的发展，例如在窗户上。
ANC 技术的发展及其在消费者、车辆和建筑环境中的应用不断增长。这三个时期，从1936年的概念开始，到60 年代到70 年代后期的休眠期，再到当前ANC技术由于高性能和低成本处理器的可用性以及运行最新的数字自适应信号处理而发展算法。从 80 年代开始，ANC 的应用与发展经历了三个主要的轨迹：耳戴式、舱和空间。根据谷歌专利数据库中的搜索，截至2020年，每年授予和申请的ANC相关专利家族的累计数量。
此文中谈到的十个问题旨在揭开 ANC原理的神秘面纱，并重点介绍可以主动减轻环境噪声的相关领域。由于在建筑环境中实施主动控制通常涉及多个利益相关者，因此需要解决运营问题。总而言之，找出研究差距，这将有助于在建筑环境中更多地采用 ANC技术和解决方案。应用智能 ANC 来应对环境复杂应用的兴趣也重新燃起，例如 ANC 耳机耳罩中的噪音水平不断变化，特别是随着低成本、低功耗、高效嵌入式电子设备的出现；先进的扬声器技术以及来自数字信号处理和人工智能算法的新动力。主动噪声控制是使用次声源产生抗噪声，它破坏性地干扰空气中的主要噪声源。次声源相对于主要噪声的位置对于确定降噪量至关重要。主动噪声控制可以在三个空间区域进行：在主要噪声源处或附近，这是最有效的方法（例如在机械和排气源处）；可以通过构建一个噪声屏障，将二次源放置在屏障顶部来传播噪声；可以应用在用户的接收端（如ANC耳机）。控制噪声源一般有两种噪声控制方法（即局部和全局）。
降噪轮廓由以下等式控制：对于单个降噪频率，其中 phi 和 delA 分别表示相位误差和幅度误差。被动控制通常包括使用阻尼或质量来降低噪声，而主动控制则使用次级噪声源来产生与原噪声源产生破坏性干扰的噪声场。主动噪声控制和被动噪声控制在有效频率衰减范围内可被视为互补技术，其中主动控制更有效地降低低频，被动控制在高频下表现更好。传统的被动方法是目前最为成熟的噪声控制策略，从源头控制到接收端控制。通过材料的吸声、扩散或反射来实现控制。由于材料的密度或厚度与声波波长成正比，被动控制对于较短波长的声音（即高频）更具成本效益。相比之下，迄今为止，主动噪声控制的成功大规模应用仅限于密闭空间，如汽车和飞机机舱内部以及耳机等。ANC 的主要缺点之一是它需要提供电源环境和电力。尽管控制噪声的最有效方法是控制源头，但由于建筑环境的复杂性、土地稀缺性以及噪声源（例如移动车辆）的特性，通常禁止实施。因此，必须采用多管齐下的方法，沿传播路径，在接收端降低源处的噪声。商业上成熟的ANC产品目前仍局限于小型封闭个人空间（例如飞机内部、汽车内饰、耳机），且未在建筑环境中广泛部署。最近日本建筑公司展示了商业ANC产品，以减少建筑机械发出的噪音。（a）用于主动控制挖掘机排气噪声的主动消音器原型，（b）在履带起重机排气处实施 ANC，以及（c）在发电机的排气口实施主动控制的操作演示(a) 中国湖南的一台110 kV 电力变压器，(b) 中国桂林一座半封闭式建筑中的两台110 kV 电力变压器 [26]，以及 (c) 在位于荷兰南荷兰省Poeldijk的变电站(a) 用于缓解建筑工地噪音的主动式隔音屏障，沿43 号公路（b）日本芦屋市 Seichodo 和（c）日本尼崎市西本町的主动式软边缘隔音屏障。
(a) 样机房全尺寸开放式推拉窗上的 24 通道 ANC 系统，(b) 全尺寸卧室的开放式顶悬窗上的 4 通道 ANC 系统，一个 5 通道 ANC 系统，位于缩小的部分打开的窗口上。ANC装置通常可以安装在隔音屏障的顶部或缝隙中。这样，ANC系统可以显著降低通过屏障泄漏或扩散的低频噪声。开放空间的噪音控制通常是通过降噪屏障来实现的。噪声屏障（被动控制）通常在高频区域有用，但由于低频衍射增加，其性能在较低频率下会降低。为了减少衍射声音并实现屏障后的全局噪声衰减，一些无源设备已沿屏障顶部安装。这些装置旨在实现屏障顶部的吸声边界或声学软边界。这里，声学软边界是指边界处声压为零的情况。特别是，已知声学软边界能够显着减少衍射声。
然而，无源器件很难在较宽的频率范围内实现声学软边界。因此，已经研究了一些有源器件，也统称为主动噪声屏障 (ANB)。主动噪声控制（ANC）不仅可以实现声学软边界，可以实现屏障后的全局噪声衰减，而且更有效地在噪声屏障后的目标区域产生安静的方向或区域。 通过在屏障顶部制作声学软边界来配置稳定噪声源的ANB系统通过设置安静的方向或区域来配置稳定噪声源的 ANB 系统
（a）有源软边（ASE）的配置，（b）ASE的照片
最近的原理验证演示表明，通过优化放置有源元件并仔细考虑用于控制的窗口大小和频率上限，可以在整个房间内部实现全局降噪。由于环境噪音主要通过窗户和通风口等外墙开口进入建筑物内部，因此人们非常重视减少通过这些开口的噪音传播。在家庭环境中，窗户通常有四个主要功能，在不同文化和地理环境中具有不同的优先级，(1) 隔音，(2) 自然通风，(3) 日光进入，以及 (4) 进入外墙。窗户的三种主要物理状态，即密封、部分打开、完全关闭但可打开，在它们各自的交点中表示，如图中四个功能的四向维恩图所示。通风建筑推动了对不阻碍空气流动的创新式被动隔音设备的探索。从特征上看，主动噪声控制似乎满足所有四个要求。显示抗噪声生成主动控制源分布 (a) 和 (b) 围绕立面孔径的外围的插图，即窗户开口。在大型开放空间中主动控制噪声通常需要使用多个传感器和执行器，这构成了多通道ANC (MCANC)系统。相比之下，单通道 ANC 系统只能实现本地控制，物理上仅限于一个小的噪声控制区，测量误差传声器周围直径的大约十分之一波长。因此，要在开放空间中获得全局控制，控制源应与噪声源完美搭配。源头控制通常是不可行的，尤其是在复杂的建筑环境中。提出了另一种方法，即空间ANC，其中许多次要源位于所需区域周围。根据惠更斯-菲涅耳原理，噪声的波前可视为由许多三极声源组成。因此，二次源可以通过在外壳表面抵消这些等效的三极噪声来实现外壳内部的噪音消除。然而，该技术还需要大量的二次来源，这削弱了其实用性。因此，需要进一步研究以合理的成本在实践中实现空间ANC。
在主动噪声控制的实际实施中是否还存在技术挑战？
由于现代ANC系统的物理- 电声- 数字特性，ANC系统的最大性能通常受到实践中无数问题的限制。在对控制源和传感器布置进行物理优化之后，在选择电声组件时需要进行工程决策，以最大限度地减少主动控制性能下降，同时保持成本效益。因此，讨论这些阻碍ANC发挥全部潜力的技术障碍（即电声组件、算法、数字控制器）非常重要。
限制在建筑环境中部署主动噪声控制的运营问题是什么？有一些共同的潜在运营问题会导致在建筑环境中实施 ANC 的阻力：成本、隐私、耐用性等。是的。将城市声景预测模型纳入室外建筑环境ANC实施的目标函数中是绝对有可能的，例如用于建筑机械和主动噪声屏障上的ANC。通过提供可控性元素（自适应声学舒适度的重要标准），ANC有可能在自然通风建筑的室内声学新兴领域发挥关键作用。目前，ANC 也可以与当前的声景方法一起应用，在这种方法中，首先识别不需要的噪声，然后在理想情况下通过主动手段在源头进行控制。在主动噪声控制系统中包含的传感器和执行器似乎已准备好集成到物联网(IoT)基础设施中，从而可以通过机器/深度学习算法来增强主动噪声监测和控制以进行噪声事件检测、分类和定位以应用于最相关的噪声控制策略。例如，通过无线传感，IoT-ANC系统可以接收噪声源的高级信息，从而有更多时间更快地响应和调整控制滤波器，以处理所需静区内随时间和空间变化的噪声源。
本文译自新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院Bhan Lam，Woon-Seng Gan，DongYuan Shi、日本富士明石N-LAB实验室Masaharu Nishimura和英国南安普敦大学噪音与振动研究所Stephen Elliott等发表在《Building and Environment》上的论文《Ten questions concerning active noise control in the built environment》（Volume 200,August 2021, 107928），此项工作成果可通过点击阅读原文查看。
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