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作者:游景鈺(2003-01-07);推薦:徐業良(2003-01-08)

濾波式防音技術概念

傳統之防音耳罩僅能達到阻隔外界聲音的功能,除了必須被阻隔的噪音之外,使用者交談的聲音也被阻隔了,造成了交談的不方便,甚至可能引發危險,也是降低防音防護具配戴意願的重要因素之一。較新型的防音耳罩則改進吸音材質,使得對不同的聲音頻率有不同的遮音效果,但其實際效果並不理想,交談仍然不甚方便。在特殊防音技術分析中,我們發現到新式的濾波式防音技術,其原理是藉由麥克風收集並過濾外界的聲音,將噪音的部分濾除,而將人聲保留,並以小型喇叭放音,可達到阻隔噪音又能有效傳遞人聲的效果,另外在助聽器的應用方面,濾波技術也常被應用於降低背景噪音、突顯交談音量等。本文在探討這種技術之基本概念,並實際以電腦模擬的方式了解其濾除噪音,保留人聲的效果。

1.         濾波式防音技術概念

濾波式防音技術主要是利用各種聲音頻率的不同,產生不同的增益效果,藉以達到突顯特定頻率的聲音。例如人類交談聲音的頻率範圍大部分在500Hz~2500Hz,便可藉由濾波器降低此頻帶外之聲音音量,達到突顯交談聲音,衰減噪音的效果。圖1為理想濾波器與實際濾波器比較圖,超過截斷頻率(fc)的聲音音量衰減,截斷頻率內的聲音被保留,實際的聲音衰減效果則取決於濾波器的濾波特性,理論而言,理想的濾波器具有最大的衰減效果,超出截斷頻率外的聲音完全消滅,然而目前濾波技術還無法達到這樣的衰減性能,超過截斷頻率的聲音隨著頻率改變逐漸衰減至完全消失。濾波器的濾波特性即為這種防音方式的關鍵技術,濾波器的階數越高越近似理想濾波器的特性。

1 理想濾波器與實際濾波器比較圖

應用濾波防音技術於防音耳罩的實際做法如圖2所示,以一般耳罩阻絕噪音,並在耳殼護蓋外部設置一麥克風收集外界聲音,使聲音轉換為類比訊號經過濾波器電路過濾噪音、保留並放大交談的聲音,最後以耳殼護蓋內的喇叭放音,傳達至人耳,以改進配戴防音防護具不易與人對話的缺點。

2. 濾波防音概念圖

2.         濾波式防音技術模擬

根據上述的概念,我們實際以電腦模擬濾波器濾除噪音,了解這項技術濾除噪音的效果,模擬的方式是收集包含工廠噪音及人交談聲音的聲音訊號,轉換成波形檔案格式,再經過電腦模擬之濾波器,紀錄經濾波後的聲音波形,並與原始波形比較。

本實驗選擇機械系實習工廠的機器所發出的噪音來做資料收集的來源,包括輪鋸、車床、鑽床、鋸床,取樣的方式是以錄音機在不同背景噪音中錄下說話的聲音,藉由“Cool Editor”錄音程式紀錄聲波檔案、並分析其頻率響應以及噪音衰減程度。轉換波形檔案時,取樣頻率為22050Hz,以利藉由Matlab程式模擬濾波效果,其中聲音取樣發現鋸床、車床與輪鋸的頻率響應較為相似,屬於較高頻的噪音,故以下將僅列出車床與鑽床之實驗結果。

本實驗以Matlab中的Simulink套件模擬建立濾波模型(如圖3),其中濾波特性採用特性曲線最平順的Butterworth濾波器。本實驗之目的在了解不同噪音下的保留人聲、濾除噪音效果,以下將分別對二種噪音樣本進行模擬濾波,並分析其結果。

3. Simulink模型

(1)   車床噪音樣本

4為車床原始噪音在一時間點之頻率-響應圖,橫軸方向代表頻率,縱軸方向為音壓。由圖形可發現,車床噪音樣本的響應分布相當廣泛,而其主要響應頻段較不明顯,約在25003000Hz內。根據對人類聲音頻率的研究,人類交談聲音的頻率範圍大部分在500Hz~2500Hz,因此我們初步將截斷頻率設置於2500Hz,結果如圖5。,然而獲得的結果並無法過濾噪音主要頻段,高通濾波的效果濾除部分人聲而低通濾波則保留了噪音主要頻段,進一步調整截斷頻率後則有降明顯的濾波效果,雖然在人聲頻段的噪音無法被濾除,但高頻部分的響應有明顯的衰減(如圖6),實際聆聽濾波後聲音也發現尖銳刺耳的聲音已被濾除,亦的確有降低噪音的效果,噪音被濾除的效果較先前顯著。

4. 車床樣本原始聲音頻率-響應圖

5. 車床樣本模擬濾波後的頻率-響應比較圖(截斷頻率5002500Hz

6. 車床樣本模擬濾波後的頻率-響應比較圖(截斷頻率2001200Hz

(2)   鑽床聲音樣本

7為鑽床原始噪音在一時間點之頻率-響應圖,橫軸方向代表頻率,縱軸方向為音壓。由圖7可發現,鋸床噪音樣本的響應分布亦相當廣泛,而不同於車床噪音其主要響應頻段分部與人聲頻段與人聲頻段重疊,經過濾波後,保留人聲濾除噪音的效果較不明顯,然而濾除噪音高頻的部分仍有降低噪音的效果,其結果如圖8

8. 鑽床樣本原始聲音頻率-響應圖

8. 鑽床樣本模擬濾波後的頻率-響應比較圖(截斷頻率2001200Hz

根據上述實驗的結果,我們歸納出兩項結果:

(1)   濾波效果

經過以上實驗,濾波防音技術雖無法濾除人聲頻帶的噪音,達到濾除所有噪音、只保留人聲的效果,然而就突顯人聲、減低噪音而言,仍然有相當的效果,若應用於噪音頻帶遠離人聲交談頻帶的噪音環境,其效果將更加顯著。

(2)   截斷頻率的調整

實驗中截斷頻率初始的設定在高通500與低通2500Hz,然而實際上聆聽的結果發現這並不是最理想的濾波頻帶,階段頻率應依各種噪音性質的不同、使用者聽力的強弱等因素來制定,因此截斷頻率應採可調整是設計,以符合各種噪音環境使用。