許多外部噪音，如鄰居的吵鬧、機器的震動和電話會議的閒談，都嚴重影響了我們生活中的聽覺體驗。本文要為大家介紹「主動噪音控制 (ANC)」，這是一套專門為消除噪音而設計的技術。如同其名稱，ANC 主動地透過產生「反向噪音」來抵消原始的噪音，此原理如 Fig. 1 與 Fig.2 所示。這項技術融合了適應性信號處理和數字信號處理（DSP）。然而，要完整地將其應用於實際場景，還需考慮許多因素，如二次路徑效應和聲學反饋問題等，這些更為複雜的議題，未來我們會進一步深入探討。
主動噪音控制技術的發展日新月異，不僅因為它能夠有效地控制低頻的噪音，也因為它在尺寸、重量和成本上具有明顯優勢。傳統上，我們採用被動方式，如隔音室和消音器來降低噪音，儘管這些方法在高頻段表現優異，但在低頻段卻不夠理想。因此，ANC 的技術近年來受到了大量研究，並在各行各業中展現出極大的應用潛力。
ANC的4大應用領域
ANC 在多個領域中得到廣泛應用，包括汽車、工業、運輸和商業，並展現卓越的降噪效能。以下將簡述其在各領域的應用：
A. 汽車：
當汽車行駛時，其噪音源繁多，如引擎、排氣、空調、路面振動以及其他機械設備所造成的。ANC 技術可顯著降低車內的噪音，若結合先進的麥克風/揚聲器陣列技術，甚至可在特定範圍實現更高的靜音效果，儘管這增加了成本和計算的需求。
B. 工業：
工業場所中的 ANC 應用相較於汽車來得更為簡單，主因是其所需控制的噪音多為週期性，相對於隨機噪音更易於管理。此技術經常被運用於風扇、通風管道、發電機等設備。特別值得注意的是，為保護長時間在噪音環境工作的員工聽力，許多工廠也已採用 ANC 技術。
C. 運輸：
對於飛機、船隻、摩托車及其他交通工具所產生的環境噪音，ANC 提供了一有效的解決方案。但在此類應用中，ANC 面對的挑戰更大，因需在開放環境中抑制特定範圍的噪音。
D. 商業：
在商業產品中，消噪耳機無疑是 ANC 技術的楷模。它允許用戶在如 MRT 這樣的嘈雜環境中，仍能享受清晰的聲音體驗，無論是看電影或玩遊戲，效果均顯著。
主動噪音控制的分類
ANC 可依其對象頻率範疇分為寬頻和窄頻兩大類。寬頻ANC則進一步細分為前馈、反饋及混合型，其核心皆建立在 Filtered-x LMS (FxLMS) 算法上，是專門對付寬頻噪音。相對的，窄頻ANC專注於特定的基頻及其諧波。另外，還有一種是基於模態匹配的ANC。以下將分別針對這些算法進行簡述。
A. 寬頻ANC
無論是前饋、反饋或混合型ANC，核心都是建立在FxLMS算法上。這算法運用兩支麥克風與一支揚聲器，透過Last Mean Square (LMS) 的方法計算最佳消噪訊號。不過，原始的LMS需要調整以適應二次路徑的效應。為了確保算法能正確運作，會利用二次路徑估計S(z)來過濾錯誤信號。很多研究都建議用此FxLMS算法來因應ANC中的二次路徑效應。下方的圖3-5，呈現了三種基本寬頻ANC的架構。
Figure 3. Architecture of Feedforward ANC System
Figure 4. Architecture of Feedback ANC System
Figure 5. Architecture of Hybrid ANC System
B. 窄頻ANC
窄頻與寬頻ANC最大的不同，就在於窄頻ANC可以針對週期性噪音進行處理，而無需考量因果關係。傳統窄頻ANC主要是透過非聲學感測器去捕捉噪音的基頻，再用適應性濾波器生成消噪訊號。接著我們會看到單頻及多頻ANC的概述。
在工業領域，許多噪音，如引擎或風扇，常常發出特定頻率的噪音及其諧波。單頻ANC會用加速計去捕捉這基頻f0，接著用信號發生器輸出一正弦波。這算法也採用了圖6中的FxLMS架構。
而多頻ANC處理的是多種單一頻率的噪音源。其運作概念與單頻相似，結構可參考圖7。
ANC常見的3大問題
A. 次級路徑的影響
參考圖 1 中的 ANC 架構，錯誤麥克風的噪音控制主要是噪音源從參考麥克風到達錯誤麥克風的路徑效果。但這當中，還需考量反噪音在經過 DSP 與硬體處理後，由反向揚聲器發出的聲音再傳至錯誤麥克風的影響。這涉及一系列的裝置和路徑，例如：類比數位轉換、重建濾波器、功率放大器等，具體可見圖 8。
B. 實時反噪的因果問題
在實際執行 ANC 時，我們必須留意因果性的問題。即便我們達到了很好的噪音控制效果，但未考慮因果性將使努力化為泡影。特別是需要留意 DSP 與硬體處理引入的延遲以及聲音在空間中傳播的延遲。舉例來說，當參考麥克風與錯誤麥克風之間距離為 10 cm 時，我們必須在約 3ms 內完成所有處理，這樣才能確保 ANC 的性能。簡單來說，ANC 的硬體要求相對較高。
C. 聲學反饋：挑戰與解決方法
當我們談到 ANC 的性能時，不得不提到聲學反饋問題。若反噪音在未經隔音下從反向揚聲器播放到錯誤麥克風，它可能再被傳回參考麥克風，這導致 ANC 的效能降低。解決這問題的一個方法是利用反饋取消或”中和”的技術，這也是聲學迴音消除中所採用的方法，詳情可參照圖 9。
ANC入門結論
對於 ANC 的簡介，我們可了解到它在汽車、工業、交通及商業中有著廣泛且卓越的噪音控制應用。從其種類來看，ANC 可分為寬頻和窄頻，各適用於特定的噪音來源及情境。然而，在即時的 ANC 使用上，還需特別留意如二次路徑效應、因果約束以及聲學反饋等問題。這篇文章只是針對 ANC 的使用和實作提供一個簡單的入門解說，期望對初探聲學的讀者有所助益。
參考
- [1] K. H. Liu, L. C. Chen, T. Ma, G. Bellala, and K. Chu, “Active Noise Cancellation Project,” EECS 452, Winter 2008.
- [2] S. M. Kuo and D. R. Morgan, “Active noise control: a tutorial review,” in Proceedings of the IEEE, vol. 87, no. 6, pp. 943-973, June 1999.
- [3] KUO, Sen M., et al. Design of active noise control systems with the TMS320 family. Texas Instruments, 1996.
- [4] 李昆哲與林仲廉，“應用主動式噪音控制技術於勞工作業空間降噪效能之探討＂，勞動部勞動及職業安全衛生研究所，2018。
