PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA - Gracjan...

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Rok akad. 2010/2011

Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

Instytut Radioelektroniki

PRACA DYPLOMOWA – INŻYNIERSKA

Gracjan Szczęch

Redukcja hałasu z wykorzystaniem aktywnego

ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego

Kierownik pracy

dr inż. Maria Tajchert

Opiekun naukowy mgr inż. Paweł Górski

Ocena: ............................................

............................................

Podpis Przewodniczącego

Komisji Egzaminu Dyplomowego

Składam serdeczne podziękowania dr inż. Marii Tajchert

za udzieloną pomoc i życzliwość podczas pisania niniejszej pracy.

Wyrazy wdzięczności kieruję również do mgr inż. Pawła Górskiego,

za pomoc w doborze tematu pracy, dzielenie się wiedzą,

poświęcony czas oraz wsparcie podczas pisania pracy

2

STRESZCZENIE

W obecnej pracy opisano układ aktywnej redukcji hałasu składający się z aktywnego

ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego jako elementu wykonawczego oraz części nim

sterującej.

W ramach realizacji pracy zbudowano stanowisko badawcze złożone z falowodu

akustycznego, aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego i systemu pomiarowego.

Skuteczność aktywnej redukcji hałasu wyznaczono poprzez badanie izolacyjności

akustycznej aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego przy wykorzystaniu pomiaru

natężenia dźwięku metodą bezpośredniego pomiaru prędkości akustycznej oraz pomiaru

ciśnienia akustycznego.

Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie materiałów piezoelektrycznych

jako źródła wtórnego w systemach aktywnej redukcji hałasu daje pożądane efekty.

Skuteczność redukcji hałasu daje globalne wyniki. Poprzez wykorzystanie ustroju o zmiennej

izolacyjności i układu sterującego możliwe jest osiągnięcie poprawy izolacyjności płyty

metalowej do ok.16 dB.

Ustrój może być wykorzystywany do zwiększenia izolacyjności akustycznej obudów

dźwiękochłonno-izolacyjnych maszyn przemysłowych czy transformatorów o znacznie

większej możliwości odprowadzania ciepła.

SUMMARY

Active noise reduction system consisting of an active sound-absorbing and isolating

system

The present study describes an active noise reduction system consisting of an active sound-

absorbing and insulating system, as part of the executive and its controlling unit.

In pursuit of work a test stand was built consisting of an acoustic waveguide, the active

sound-absorbing and insulating and measuring system.

The effectiveness of active noise reduction was determined by examining the active sound

insulation of the sound-absorbing and insulating system using sound intensity measurement method

for direct measurement of acoustic velocity and acoustic pressure.

The study showed that the use of piezoelectric materials as a secondary source of the active

noise reduction system makes a difference. The effectiveness of noise reduction gives global

results. By developing the system with variable insulation using active elements and the control

system it is possible to achieve improved insulation of the metal plate to about 16 dB.

The system can be used to improve the sound insulation of sound-absorbing industrial

machines and transformers’ covers with much higher capacity of heat dissipation.

3

Specjalność: Radiokomunikacja i Techniki Multimedialne

Data urodzenia: 5 sierpień 1987 r.

Data rozpoczęcia studiów: 20 lutego 2007r.

ŻYCIORYS

Urodziłem się 5 sierpnia 1987 roku w Lublinie. Tam też rozpocząłem swoją edukację. W

latach 1994-2000 uczęszczałem do Szkoły Podstawowej nr 35, następnie od 2000 do 2003

roku do Gimnazjum nr 11. W roku 2003 zostałem laureatem Olimpiady Informatycznej,

organizowanej przez Ministerstwo Edukacji Narodowej. W latach 2003-2006

uczęszczałem do II Liceum Ogólnokształcącego im. Hetmana Jana Zamoyskiego.

Po otrzymaniu świadectwa dojrzałości rozpocząłem naukę na Wydziale Elektroniki i

Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej, specjalizując się w radiokomunikacji i

technikach multimedialnych.

Rozpoczynając studia zacząłem aktywnie działać w Studenckiej Telewizji Internetowej

TVPW powstałej z ramienia Samorządu Studentów Politechniki Warszawskiej, gdzie

byłem operatorem i koordynatorem operatorów. Od 2009 do 2010 roku piastowałem tam

stanowisko kierownika Działu Techniki i Realizacji TVPW.

W trakcie studiów odbyłem praktyki długoterminowe w TVP S.A. Zajmowałem się tam

głównie pomocą techniczną podczas transmisji i realizacji programów telewizyjnych.

Następnie rozpocząłem pracę jako administrator IT systemu produkcyjno-emisyjnego w

telewizji OrangeSport.

EGZAMIN DYPLOMOWY

Złożył egzamin dyplomowy w dniu ..........................................

z wynikiem ..........................................

Ogólny wynik studiów ..........................................

Dodatkowe uwagi i wnioski Komisji ..........................................

....................................................................................................

4

Spis treści

1. Cel i zakres pracy ...................................................................................................... 5

2. Wstęp ........................................................................................................................ 7

3. Metody redukcji hałasu .............................................................................................. 9

4. Aktywne metody redukcji hałasu ............................................................................. 11

5. Schemat i zasada działania aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego .......... 18

6. Metody pomiaru skuteczności działania systemów aktywnej redukcji hałasu ........... 25

7. Stanowisko do pomiaru skuteczności działania systemu ARH w ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnym .......................................................................................... 31

8. Wyniki pomiarów .................................................................................................... 35

9. Analiza wyników ..................................................................................................... 46

10. Podsumowanie ...................................................................................................... 49

Bibliografia ..................................................................................................................... 50

Załącznik 1 Wybrane kody programów napisane i wykorzystywane w pracy ................... 52

Załącznik 2. Wyniki pomiarów. ....................................................................................... 57

5

1. Cel i zakres pracy

Aktywne metody redukcji hałasu coraz częściej wykorzystywane są do redukcji

hałasu niskoczęstotliwościowego. Idea ARH (aktywnej redukcji hałasu) polega na

kompensacji fal akustycznych źródła hałasu przez odpowiednio wysterowane, dodatkowe

źródło kompensujące. Istotnym ograniczeniem aktywnych metod redukcji hałasu jest

zastosowanie jako elementu wykonawczego przetworników elektroakustycznych. Ze

względu na dość duże rozmiary, głośniki nie zawsze można ustawić w pobliżu źródła

hałasu. Zwiększenie odległości źródła wtórnego od źródła hałasu w znacznym stopniu

przekłada się na zmniejszenie skuteczności działania systemu ARH oraz ograniczenie go

tylko do obszarów lokalnych. Alternatywą przetworników elektroakustycznych jest

zastosowanie jako elementów wykonawczych inteligentnych postaci przetworników

piezoceramicznych MFC. Wykonane z nich przetworniki mogą być umieszczone

bezpośrednio na powierzchni elementu drgającego tworząc razem z układem sterującym

aktywny ustrój dźwiękochłonno-izolacyjny.

Rys.1. Schemat działania ustroju o zmiennej izolacyjności akustycznej.

Ustrój taki zbudowany jest z materiałów pasywnych posiadających określone

właściwości dźwiękochłonno-izolacyjne, oraz materiałów inteligentnych (przetworniki

piezoceramiczne MFC (Micro Fiber Composite) i układ sterujący). Te ostatnie zmieniają

właściwości ustroju pod wpływem doprowadzanej energii.

Celem pracy jest określenie zmiany izolacyjności akustycznej ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnego na skutek zastosowania w nim systemu ARH. Analiza

przeprowadzona zostanie dla przykładowego rozwiązania aktywnego ustroju

6

dźwiękochłonno-izolacyjnego. Badana będzie izolacyjność akustyczna ustroju przy

wykorzystaniu pomiaru natężenia dźwięku metodą bezpośredniego pomiaru prędkości

akustycznej.

Ustrój może być wykorzystywany między innymi do zwiększenia izolacyjności

akustycznej obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych maszyn przemysłowych czy

transformatorów. W celu zapewnienia wymaganej izolacyjności obudów dźwiękochłonno-

izolacyjnych zastępowałby on rozwiązania oparte na grubej obudowie, w której bardzo

duże koszty pochłaniają układy odprowadzające ciepło.

7

2. Wstęp

Hałasem nazywamy dźwięki nieprzyjemne bądź niepożądane, dokuczliwe,

utrudniające pracę, wypoczynek i szkodliwe dla zdrowia [3]. Wywołują one u ludzi

postawę niezadowolenia wobec panujących warunków akustycznych. Hałas określany jest

subiektywnie przez każdą osobę. Dla słuchaczy koncertu muzyka może być formą relaksu

i spędzania wolnego czasu, zaś dla osób nią niezainteresowanych – hałasem.

Wpływ hałasu na organizm ludzki jest różny. Przede wszystkim działa on

niekorzystnie na słuch. Powoduje czasowe lub trwałe przesunięcie progu słyszenia. Hałas

również niekorzystnie wpływa na stan psychofizyczny człowieka. Już przy 55dB dają o

sobie znać zakłócenia snu i wzrost nadpobudliwości nerwowej (na hałas o takim poziomie

narażonych jest ponad 60% Europejczyków). Przy natężeniu 60-75 dB (norma akustyczna

w polskich miastach) występują zróżnicowane anomalia u ludzi w postaci

niezauważalnych zmian akcji serca, ciśnienia krwi czy rytmu oddychania. Przy 70 dB

zaczynają się niekorzystne zmiany wegetatywne w organizmie. Taki poziom ma również

istotny wpływ na wydajność pracy i zdolność do koncentracji. Przyczynia się do

pogorszenia zrozumiałości mowy i percepcji sygnałów ostrzegawczych, a długotrwały - do

narastania zmęczenia, bólów głowy, bezsenności, oraz zaburzeń widzenia. Powyżej 75 dB

mogą wystąpić rozmaite uszkodzenia organiczne i choroby, m.in. nadciśnienie tętnicze,

zaburzenia pracy żołądka, wzrost wydzielania adrenaliny, wrzody żołądka, przyspieszenie

procesu starzenia. Przyjmuje się, że długotrwałe narażenie na hałas o wartościach powyżej

85 dB powoduje trwałe ubytki słuchu. Hałas przewyższający 120 dB jest szczególnie

niebezpieczny, gdyż istnieje zagrożenie natychmiastowego, mechanicznego i

nieodwracalnego uszkodzenia słuchu. Może to nastąpić szczególnie w przypadku

narażenia na hałas impulsowy. W okolicach 130 dB występuje granica bólu.[4]

Hałas w warunkach rzeczywistych jest praktycznie nie do uniknięcia. Zjawisko to

związane jest z rozwojem przemysłu, komunikacji i urbanizacją. W miastach wzrostowi

natężenia ruchu, oraz szybkości pojazdów towarzyszy systematyczne narastanie głośności

hałasu komunikacyjnego. Wg badań przeprowadzonych przez firmę proGEO Sp. z o.o.

średnio co 10 lat hałas w środowisku wzrasta o 2dB. Na 21% powierzchni Polski hałas

przekracza dopuszczalne normy. Na jego działanie narażona jest około jedna trzecia

wszystkich Polaków. Szczególnie odczuwalne jest to w Warszawie, która jest jednym z

najgłośniejszych miejsc w Polsce. W centrum tego miasta bezpieczny dla zdrowia poziom

hałasu przekroczony jest aż o jedną trzecią wartości dopuszczalnej [8]. Na Górnym Śląsku,

8

gdzie uprzemysłowienie jest najwyższe w Polsce, notuje się aż 13% ze wszystkich

notowanych w Polsce przypadków upośledzenia słuchu.

Rys.2. Hałas w środowisku [1]

Zagrożone hałasem obejmuje również w dużym stopniu osoby w środowisku pracy.

Każde urządzenie, czy środek transportu mogą stanowić zagrożenie. Jest ono jeszcze

większe, gdy hałas występuje na przestrzeni zamkniętej. W takim przypadku hałas zostaje

odbity od ścian i obiektów, a jego poziom nie maleje wraz ze spadkiem odległości w takim

tempie, jak w przestrzeni otwartej. Problem hałasu jest powszechny dla wszystkich krajów

Unii Europejskiej. Szacuje się, że w Europie narażonych na hałas jest około 100 milionów

osób [15]

.

Rys.3. Problem hałasu w miastach [2]

9

3. Metody redukcji hałasu

Coraz powszechniej zaczyna się rozumieć potrzebę zwalczania hałasu. Opiera się

ona na dwóch metodach [12]. Pierwszą są środki administracyjno-prawne zawierające

wszelkie uregulowania prawne - uchwały Rady Ministrów, ustawy sejmowe,

rozporządzenia, zarządzenia oraz pozostałe przepisy i normy techniczne, ograniczające

zagrożenie hałasem. Zalicza się do nich również ograniczenie ekspozycji na szkodliwe

dźwięki poprzez przerwy w pracy lub rotację pracowników, a także stosowanie

profilaktyki lekarskiej (kontrola słuchu) określającej ubytek słuchu.

Drugą metodą redukcji hałasu jest zastosowanie niezbędnych do tego celu środków

technicznych. Zaliczamy do nich:

ograniczenie i minimalizację emisji hałasu ze źródła,

ograniczanie transmisji hałasu

ograniczanie oddziaływania hałasu na określone obszary

aktywną redukcję hałasu

Ograniczanie emisji hałasu u źródła jest najskuteczniejszym sposobem pozbycia się

niechcianych dźwięków mającym ponadto charakter globalny. Polega na unikaniu

procesów powodujących narażenie na hałas i zastępowanie ich innymi. Może to być

zamiana procesu technologicznego na bardziej cichy, stosowanie maszyn generujących

dźwięk o mniejszym natężeniu, czy wymiana i konserwacja zużytych części (np.

dziurawego tłumika w samochodzie).

Na ograniczenie hałasu na drodze jego transmisji składają się przede wszystkim

środki ochrony zbiorowej oraz organizacyjne. W przypadku drugich, najważniejszą

praktyką jest poprawne rozmieszczenie źródeł hałasu oraz oddzielenie obszarów o

zróżnicowanym poziomie emisji. Do środków ochrony zbiorowej zaliczamy zastosowanie

obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych, tłumików akustycznych, ekranów akustycznych i

kabin dźwiękoizolacyjnych oraz zastosowanie adaptacji akustycznej. Ich celem jest

odizolowanie źródła hałasu od reszty środowiska.

Ograniczanie oddziaływania hałasu na określone obszary możliwe jest w

przypadku zastosowania rozwiązań technologicznych opartych na odsunięciu człowieka od

głośnych procesów. Przykładem może być tutaj zastosowanie automatyki w procesie

produkcyjnym. Gdy niemożliwe jest zastosowanie powyższych środków ochrony przed

hałasem, w grę wchodzić może zastosowanie indywidualnych ochron słuchu.[12]

10

Powyższe metody nie zawsze gwarantują dostateczną redukcję hałasu

niskoczęstotliwościowego. Dzieje się tak, gdyż współczynnik pochłaniania rośnie wraz z

grubością i masą przypadającej na 1 m2 powierzchni materiału dźwiękochłonnego, a także

ze wzrostem częstotliwości padającej na niego fali akustycznej. Przy niskich

częstotliwościach długość fal jest duża i ulegają one ugięciu na brzegach materiału

izolacyjnego. To z kolei nie wpływa prawie w ogóle na zmianę poziomu hałasu.

Zastosowanie bardzo grubych materiałów dźwiękochłonnych zazwyczaj nie jest możliwe,

lub całkowicie nieopłacalne. Inaczej sytuacja przedstawia się w przypadku dynamicznie

rozwijających się aktywnych metod redukcji hałasu. Są one skuteczne dla częstotliwości

poniżej 500Hz, oraz dla wąskopasmowych, powtarzalnych sygnałów.

11

4. Aktywne metody redukcji hałasu

Aktywne metody redukcji hałasu opierają się na zjawisku nakładania się fal, które

w pewnych warunkach ulegają wzajemnej kompensacji.

Rys.4. Zasada działania aktywnej redukcji hałasu.[3]

Idea aktywnej redukcji hałasu opiera się na wykorzystaniu dwóch sygnałów.

Jednym z nich jest sygnał kompensowany, na Rys. 4 oznaczony jako x(t). Drugi sygnał -

y(t) wytwarzany jest na podstawie pierwszego. Ma taką samą amplitudę, różni się jedynie

fazą przesuniętą o 180°. Podawany jest on na wejście dodatkowego źródła, zwanego

wtórnym. W wyniku superpozycji tych dwóch sygnałów powstaje skompensowany sygnał

e(t). Teoretycznie może on przybrać postać ciszy. W praktyce jest to nieosiągalne, ale

amplituda sygnału e(t) może być znacznie mniejsza w stosunku do amplitudy sygnału x(t).

Rys. 5. Schemat układu aktywnej redukcji hałasu.[3]

12

Istotnym blokiem systemu ARH jest układ sterujący. Jego zadaniem jest

przekształcenie sygnału odniesienia na sygnał wyjściowy, aby po wysterowaniu nim źródła

wtórnego poziom hałasu w punkcie obserwacji był jak najmniejszy. Układ sterujący

zawiera analogowe układy wejścia i wyjścia, zasilacz i część cyfrową wraz z

zaimplementowanym algorytmem. W części cyfrowej realizowane są obliczenia

wykonywane na podstawie sygnałów błędu i odniesienia, w oparciu o zadany algorytm.

Moc obliczeniowa układów liczących powinna być jak największa, ponieważ cykl

obliczeń musi być wykonany w czasie rzeczywistym, np. dla sygnału o częstotliwości

1000Hz, opóźnienie układu o 0,0001 sekundy powoduje 60% spadek skuteczności [3].

Wymaganie bardzo dużej mocy obliczeniowej było powodem, że systemy ARH długo nie

przynosiły oczekiwanych wyników.

Pobieranie sygnałów błędu i odniesienia odbywa się za pomocą elementów

pomiarowych. Jeden z nich dostarcza informacje o hałasie, który chcemy skompensować

(detektor sygnału odniesienia), natomiast drugi, detektor sygnału błędu informuje o

poziomie hałasu w punkcie obserwacji, w którym ma on być skompensowany (detektor

sygnału błędu).

Rys.6. Schemat blokowy układu filtracji adaptacyjnej LMS.[9]

Jak wcześniej wspomniano, w układach sterowania zaimplementowanie są

odpowiednie algorytmy obliczeniowe zwane również algorytmami sterowania. Głównym

ich zadaniem jest adaptacja współczynników filtrów cyfrowych oraz eliminowanie efektu

sprzężenia zwrotnego ścieżki dźwiękowej. Najczęściej stosowanym algorytmem jest

algorytm adaptacyjny LMS (least mean-square). Wytwarza on współczynniki dla filtru FIR

(finite impulse response) o skończonej odpowiedzi impulsowej Filtr FIR przechowuje

wektor współczynników h zarejestrowanych w pewnym odcinku czasu. Na podstawie tych

współczynników generowany jest sygnał kompensujący. Wartości współczynników h

adaptowane są po każdym odczycie wartości sygnału błędu. Do ich wartości dodawana jest

13

korekta obliczona przez algorytm LMS. Dzięki temu sygnał y(n) upodabnia się do sygnału

hałasu i może zostać odjęty od sygnału zakłóconego. W efekcie powinniśmy uzyskać sam

sygnał użyteczny.

Rys. 7. Filtr FIR z przestrajanymi współczynnikami „h”[9]

W systemach ARH stosowanych jest wiele różnych wariantów algorytmów będących

modyfikacjami algorytmu LMS. Przykładem takiego algorytmu jest algorytm LMS

zastosowany do adaptacji filtru typu Notch. Filtr taki do poprawnego działania wymaga

dwóch sinusoidalnych sygnałów odniesienia przesuniętych w fazie o 90º (tzn. sin(θ) i

cos(θ)) zsynchronizowanych z sygnałem kompensowanym (w tym przypadku jest to

sygnał ostrzegawczy). W przypadku takiego algorytmu przyjmuje się, że znana jest

częstotliwość redukowanego hałasu i możliwe jest obliczenie sygnału odniesienia. Sygnał

kompensujący y(n) stanowi sumę sygnałów składowych y0(n) i y1(n) i opisany jest zależnością:

𝑦 𝑛 = 𝑦𝑜 𝑛 + 𝑦1 𝑛 = 𝜔0 sin(𝜔𝑛) + 𝜔1 sin 𝜔𝑛 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 (𝜔𝑛 + 𝜑) (1)

Sygnały y0(n) i y1(n) są iloczynami sygnału odniesienia i współczynnika wzmocnienia.

Wartość współczynnika wzmocnienia regulowana jest przy użyciu algorytmu LMS, zgodnie z

przedstawionymi zależnościami:

𝜔0 𝑛 + 1 = 𝜔0 + μe n sin 𝜔𝑛 (2)

𝜔1 𝑛 + 1 = 𝜔1 + μe n cos 𝜔𝑛 , gdzie: (3)

µ- wartość współczynnika adaptacji,

n – kolejny numer próbki.

W układach ARH wykorzystywane są elementy pomiarowe. Ich rolą jest

przetwarzanie wielkości nieelektrycznych na sygnały elektryczne wykorzystywane w

procesie sterowania. W zależności od rodzaju systemu, elementy pomiarowe mogą być

14

różnego typu, np. mikrofony, obrotomierze, akcelerometry, przetworniki prędkości i

przemieszczenia, czujniki odkształcenia, czy synchronizowane przetworniki

częstotliwości. Z uwagi na uniwersalne zastosowanie, najczęściej używanym elementem

pomiarowym są mikrofony. Ważnymi ich parametrami są maksymalny poziom ciśnienia

akustycznego oraz stosunek sygnał szum. Maksymalny poziom ciśnienia akustycznego

ogranicza zastosowanie mikrofonu tylko do takich miejsc, w których wartość ciśnienia

akustycznego nie przekracza tej wartości. Od stosunku sygnał szum zależy skuteczność

całego systemu. Cechy stosowanych algorytmów w procesie sterowania nie wymagają, by

mikrofony miały one płaską charakterystykę fazową i amplitudową. Z powodzeniem więc

można stosować tanie modele pojemnościowe czy elektretowe. Jedynie w przypadku

zastosowania układu ze sterowaniem z wyprzedzeniem, pojawia się problem negatywnego

wpływu sprzężenia zwrotnego pomiędzy źródłem wtórnym, a przetwornikiem sygnału

odniesienia. W takiej sytuacji istnieje możliwość ograniczenia wpływu sprzężenia

zwrotnego poprzez zastosowanie mikrofonu o silnie kierunkowej charakterystyce.

Do najczęściej spotykanych elementów wykonawczych w aktywnych systemach

redukcji hałasu należą głośniki. Powinny one charakteryzować się odpowiednim pasmem

przenoszenia, dużą wytrzymałością i żywotnością. Zastosowanie modeli o wysokiej

efektywności wpływa na zmniejszenie kosztów eksploatacji takiego systemu. Ważną cechą

jest również duża prędkość objętościowa q [m3/s] w zakresie niskich częstotliwości, gdyż

umożliwia uzyskanie dużej wartości emitowanej mocy akustycznej. Stosowanie jako

element wykonawczy głośników wprowadza jednak niekiedy pewne ograniczenia. Nie

mogą one zostać zamocowane na źródle hałasu, a czasem nawet w jego pobliżu. To z kolei

powoduje, że efekt aktywnej redukcji wystąpi na obszarze ograniczonym. Im bliżej więc

źródła hałasu znajduje się element wykonawczy, tym redukcja hałasu obejmuje większy

obszar. Wyeliminowane zostaje przy tym opóźnienie występujące w torze pomiarowym.

Możliwym i coraz częściej stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie jako elementy

wykonawcze przetworników piezoelektrycznych. Elementy te można zamocować

bezpośrednio na obudowie źródła hałasu, np. metalowej płycie. Płyta ta wprowadzana w

drgania przetwornikiem piezoelektrycznym pełni rolę membrany. Źródło takie bardzo

efektywnie emituje dźwięk na częstotliwościach rezonansowych płyty.

15

Rys. 8. Element wykonawczy z elementem piezoelektrycznym

Przetworniki piezoelektryczne służące do redukcji dźwięku

niskoczęstotliwościowego mogą być połączone z materiałem pasywnym o określonej

charakterystyce tłumienia i izolacyjności. Dzięki temu zakres częstotliwości

redukowanego hałasu zostanie zwiększony. Po doprowadzeniu układu sterującego do

elementów piezoelektrycznych, układ taki możemy nazwać aktywnym ustrojem

dźwiękochłonno-izolacyjnym, gdyż zmienia on swoje właściwości pod wpływem

doprowadzanej energii. Badania właściwości akustycznych przykładowego rozwiązania

takiego ustroju będą prowadzone w dalszej części tej pracy.

Przykładem zastosowania systemu ARH jest zmniejszenie emitowanego z

systemów wentylacyjnych. W tym przypadku hałas redukowany jest wąskopasmowy i

niskoczęstotliwościowy. Wentylator wytwarza sygnał, którego częstotliwość równa jest

iloczynowi jego prędkości obrotowej i liczby łopatek. Hałas w kanałach wentylacyjnych

będących falowodami rozchodzi się jako fala płaska, co ułatwia jego redukcję.

Rys. 9. Schemat układu laboratoryjnego ARH w kanale wentylacyjnym.

16

Na Rys. 9 przedstawiono schemat układu laboratoryjnego służącego do badania

systemów ARH w układach wentylacyjnych. Na końcu falowodu, będącego

odpowiednikiem przewodów wentylacyjnych, zamocowany jest głośnik

niskoczęstotliwościowy pełniący rolę źródła hałasu (wentylatora) W odległości około 60

cm od drugiego końca falowodu umieszczono drugi głośnik będący źródłem wtórnym.

Mikrofony odniesienia i błędu zamocowano kolejno wewnątrz i u wylotu falowodu.

Wychodzące z nich sygnały są wzmacniane, a następnie dostarczane do układu

sterującego, generującego sygnał sterujący źródłem wtórnym. Redukcja hałasu następuje w

całym pomieszczeniu, gdyż źródło hałasu zostało skompensowane w płaszczyźnie wylotu

falowodu. .

Bardzo szybko rozszerza się zakres stosowania metod ARH w motoryzacji. Coraz

więcej firm wykorzystuje metody aktywne do wyciszania wnętrz produkowanych przez

siebie samochodów. Przykładem jest tu Honda Legend. System ARH umieszczony w tym

aucie wykorzystuje dwa mikrofony, jeden zlokalizowany za górną konsolą, a drugi tuż

przy module tylnego światła. Mierzą one poziom ciśnienia akustycznego hałasu, jaki

przedostaje się do kabiny z układu napędowego. W razie wykrycia niepożądanych

częstotliwości, system ARH generuje i wysyła do wzmacniacza precyzyjnie dobrany

sygnał dźwiękowy, który zasila głośniki w drzwiach i tylny woofer. Dla częstotliwości

poniżej 100 Hz, system może zredukować poziom hałasu o ok. 10 dB [5].

Rys. 10. Active Noise Cancellation w Hondzie Legend [5]

W samochodach aktywna redukcja hałasu stosowana jest również w układach

wydechowych. Poziom ciśnienia akustycznego wewnątrz rury przekracza niekiedy 170dB.

Hałas jest uzależniony od prędkości obrotowej silnika. Główna składowa

częstotliwościowa związana jest z aktualnym cyklem jego pracy, dzięki czemu tłumienie

jest wąskopasmowe. Problemem mogą być niekiedy szybkie zmiany częstotliwości. W

17

nowych rozwiązaniach tłumienie następuje poza układem wydechowym. Mikrofon jest

umieszczony na zderzaku w odległości ok.20 cm od wylotu rury wydechowej. Głośniki

niskoczęstotliwościowe mają specjalną konstrukcję zapewniającą odporność na wysoką

temperaturę, dochodzącą niekiedy do 550 C. Układ rezonatorowy pasywnie wspomaga

układ aktywny poprzez wyciszenie wyższych harmonicznych i składowych losowych. W

zakresie 90-360Hz uzyskano skuteczność 16 dB. Przy pracy ciągłej silnika z

częstotliwością podstawową 90Hz wzrosła ona do 26dB.[14]

Rys. 11. Słuchawki z aktywną redukcją hałasu dla pilotów.[7]

Innym zastosowaniem ARH są słuchawki. Możemy je podzielić na dwie grupy:

niezależne, zasilane bateryjnie oraz dołączane kablem do pulpitów. Słuchawki niezależne

zawierają w sobie układ sterujący i mikrofony. Dzięki temu mogą być używane niezależnie

od miejsca. Słuchawki dołączane do pulpitów są układami bardziej skomplikowanymi i

dedykowanymi do konkretnych zastosowań. Współpracują z mikrofonami błędu i

odniesienia rozmieszczonymi w pożądanych punktach pomiarowych. Układy takie

wykorzystywane są między innymi w lotnictwie. Wewnątrz kabiny pilotów poziom

ciśnienia akustycznego dochodzi nawet do 95dB. Słuchawki dają możliwość redukcji

hałasu nawet o 30dB [7].

Nowym obszarem zastosowań metod ARH jest zwiększanie izolacyjności

akustycznej przegród i obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych. Do zmiany izolacyjności

akustycznej stosowane są tzw. materiały inteligentne umieszczane bezpośrednio na

powierzchni przegród czy obudów. Rozwiązania takie mają szanse zastąpić rozwiązania

oparte na grubej obudowie, w której bardzo duże koszty pochłaniają układy

odprowadzające ciepło.

18

5. Schemat i zasada działania aktywnego ustroju dźwiękochłonno-

izolacyjnego

Ustrój o zmiennej izolacyjności akustycznej zbudowany jest z materiałów

pasywnych oraz. z materiałów inteligentnych, zmieniających izolacyjność akustyczną

ustroju pod wpływem doprowadzanej energii. Na skutek połączenia ustroju z układem

sterującego ARH, całość tworzy system redukcji hałasu w postaci aktywnego ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnego.

Elementem wykonawczym jest przetwornik piezoelektryczny MFC M-8528-P2,

sterowany przez układ systemu ARH. Sterowanie to odbywa się w oparciu o sygnał błędu

uzyskany przez mikrofon pomiarowy.

W skład układu sterującego wchodzi kondycjoner, wzmacniacz mocy oraz

komputer PC. Schemat systemu pokazany jest na Rys 12.

Rys. 12. Schemat systemu redukcji hałasu z wykorzystaniem aktywnego ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnego

Ustrój przeznaczony do badań składa się z metalowej płyty o wymiarach

240x300x0,5 i elementu piezoelektrycznego MFC. Element ten jest materiałem, który

zmienia właściwości mechaniczne pod wpływem doprowadzanej energii elektrycznej.

Składa się z mikrowłókien położonych równolegle względem siebie na jednej

płaszczyźnie. Włókna te są pobudzane polem elektrycznym wytworzonym przez elektrody

typu grzebieniowego, z których każda kolejna zasilana jest napięciem o przeciwnej fazie.

Dzięki temu włókna przemieszczają się i obserwowane jest zwielokrotnienie efektu

odkształcenia elementu MFC pod wpływem przyłożonego napięcia. Na Rys. 13

przedstawiona jest budowa wielowarstwowego elementu MFC z jedną elektrodą

grzebieniową.

19

Rys. 13. Budowa gradientowego elementu z elektrodą grzebieniową.

W badaniach wykorzystano przetwornik piezoelektryczny MFC M-8528-P2 (Rys.

14) firmy Smart Material o wymiarach 106x34x0,4 [mm]. Jego podstawowe dane znajdują

się w Tabeli 1. Przetwornik ten zamocowano na środku metalowej płyty.

Rys. 14. Element piezoelektryczny SmartMaterial M-8528-P2.

Gęstość, kg/m3

7500 kg/m3

Moduł Younga, N/m2

14,4493 GPa

Liczba Poissona v12=0,31; v21=0,16

Tłumienie wewnętrzne

Względna przenikalność elektryczna ε33T/ ε0=1000

Macierz dielektryczna

Macierz piezoelektryczna

Macierz sprężystości

Tabela. 1. Podstawowe dane elementu piezoelektrycznego SmartMaterial M-8528-P2

20

Układ systemu ARH zawiera analogowe układy wejścia i wyjścia ze

wzmacniaczami i zasilaczami, przetworniki A/C i C/A oraz częścią cyfrową. W całości jest

on zamknięty w obudowie komputera PC, który wykorzystuje się do realizacji obliczeń z

zastosowaniem algorytmów adaptacyjnych.

Rys. 15. Uniwersalny układ sterujący – widok z przodu.

Rys. 16. Wnętrze układu sterującego (1. karta przetworników, 2. wzmacniacz mocy, 3.

zasilacz części analogowej)

Na Rys. 15 i 16 pokazano układ sterujący wmontowany w obudowę komputera.

Oprócz podstawowych elementów komputera PC, możemy w nim wyróżnić:

kartę przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych (1),

wzmacniacz mocy (2)

zasilacz układów analogowych (3).

21

Wykorzystywana karta przetworników Egmont Instruments LC-1-015-1622 zawiera

16 wejść analogowych i 2 analogowe wyjścia. Wszystkie są obsługiwane w rozdzielczości

12bitów. W bloku wyjściowym sygnały są dopasowywane, po czym wysyłane do

wzmacniacza mocy. Sygnały z kanałów wejściowych mogą być pobierane z karty

przetworników, jak i z sygnałów zewnętrznych za pomocą złącza BNC, które jest

umieszczone w specjalnym module w przedniej części układu (Rys. 17). Znajdują się tam

też gniazda RCA umożliwiające podgląd sygnałów wysyłanych do wzmacniacza za

pomocą oscyloskopu.

Rys. 17. Moduł wejścia-wyjścia.

Komputer PC, będący częścią cyfrową układu sterującego pracuje pod kontrolą

systemu operacyjnego MS-DOS. Rozwiązanie takie eliminuje czas potrzebny do

rozpoczęcia działania z racji tego, że system i program sterujący mają małą objętość. Nie

występują w nim ewentualne opóźnienia będące efektem ustawiania priorytetów działania

przez jądro systemu. Kontrola systemu wykonywana jest z poziomu języka maszynowego

procesora.

Na opisywanym komputerze uruchamiane jest oprogramowanie służące do zmiany

parametrów sygnału hałasu i sygnału kompensującego. W każdym z nich możliwa jest

zmiana częstotliwości i amplitudy sygnałów oraz opóźnienie sygnału kompensującego w

stosunku do sygnału hałasu. Regulacja amplitudy sygnałów została znormalizowana w

przedziale od 0 do 1, z przesunięciem co 0,01. Dla opóźnienia możliwy najmniejszy kąt

przesunięcia pomiędzy sygnałami wynosi 3,6º w zakresie 360 º.

Sterowanie układem ARH odbywa się ręcznie poprzez zmianę opóźnienia i

amplitudy oraz adaptacyjnie za pomocą algorytmu LMS sterującego filtrem NOTCH. W

celu rejestracji poziomu ciśnienia akustycznego hałasu wykorzystywany jest mikrofon

22

B&K 4135 ze wzmacniaczem podłączony do układu sterującego. W przypadku trybu

ręcznego do regulacji sygnału kompensującego wykorzystywane są elementy systemu

pomiarowego: oscyloskop Tektronix TDS 3014B oraz miernik poziomu ciśnienia

akustycznego Svan 948. Mikrofon błędu (B&K 4135) oraz mikrofon pomiarowy miernika

poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948 zamontowane są w odległości 20cm od ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnego, naprzeciw jego geometrycznego środka. Opóźnienie i

amplituda sygnału wysyłanego do elementu piezoelektrycznego ustawiane są tak, by

poziom ciśnienia akustycznego pokazywany przez miernik Svan i oscyloskop Tektronix

był jak najmniejszy. W trybie adaptacyjnym wykorzystywany jest jedynie mikrofon błędu.

Niezbędnym elementem układu sterującego jest kondycjoner sygnału

kompensującego. Zastosowanie kondycjonera jest niezbędne, ponieważ przetwornik MFC

wymaga, by amplitudy napięcia sygnału kompensującego dochodziły do 200 V, oraz

zostały wstępnie spolaryzowane napięciem dodatnim w zakresie od 0 do 100 V.

Niespełnienie powyższych warunków wpływa na zniekształcanie sygnału wtórnego.

Wynika to z faktu, że zmiany rozmiaru elementu piezoelektrycznego pod wpływem

przyłożonego napięcia ujemnego podlegają silniejszym odgraniczeniom niż zmiany

rozmiaru wywołane napięciem dodatnim. Kondycjonowanie przebiega dwufazowo.

Pierwsza faza polega na wzmocnieniu sygnału wyjściowego z układu sterującego systemu

ARH. Do tego celu wykorzystywany będzie wzmacniacz mocy STA-1508. Następnie

sygnał trafia do kondycjonera, gdzie następuje zwiększenie jego amplitudy napięcia i

dodanie napięcia polaryzującego.

Rys. 18. Wzmacniacz mocy STA-1508 (na dole) i kondycjoner sygnałów sterujących (na

górze).

23

Parametry wzmacniacza mocy STA-1508 przedstawione są w Tabeli 2.

Moc wyjściowa (RMS)

normalny tryb pracy przy obciążeniu 4Ω

normalny tryb pracy przy obciążeniu 8Ω

mostkowy tryb pracy przy obciążeniu 8Ω

8x160W

8x100W

4x320W

Czułość wejściowa dla mocy znamionowej przy

obciążeniu 4 Ω

0,7V

Impedancja wejściowa 20kΩ

Pasmo przenoszenia 12Hz-60kHz, -1.5dB

Częstotliwość podziału zwrotnicy 240Hz

Stosunek sygnał/szum >80dB

Separacja kanałów >60dB, 1kHz

Współczynnik zniekształceń harmonicznych (THD) <0.1%

Dopuszczalna temperatura pracy 0-40°C

Zasilanie 230V~/50Hz

Pobór mocy max. 2400VA

Wymiary (Sz. x Wys. Dł.) 482 x 132 x 310 mm

Ciężar 19kg

Tabela 2. Parametry wzmacniacza STA-1508

Kondycjoner sygnałów sterujących został zaprojektowany i wykonany w pracowni

Aktywnych Metod Redukcji Hałasu CIOP-PIB. Jego schemat blokowy przedstawiono na

Rys. 19.

Rys. 19. Schemat blokowy kondycjonera sygnałów sterujących.

Kondycjoner ma osiem wejść sygnałowych, oznaczonych jako We1 – We8, oraz osiem

wyjść oznaczonych Wy1 – Wy8. Amplituda sygnałów sterujących podawanych na wejścia

jest zwiększana przy użyciu transformatorów wyjściowych (Tw1 – Tw8). Pozostałe

obwody kondycjonera służą do wytworzenia napięć polaryzujących (Upol), które również

24

są podawane na wyjścia sygnałowe. Obwody polaryzujące są sprzęgnięte z

transformatorami wyjściowymi. Na Rys. 19 elementy obwodów wysokonapięciowych

oznaczono kolorem granatowym, natomiast elementy obwodów niskonapięciowych

kolorem fioletowym. Do wytworzenia napięć polaryzujących służą zasilacze oznaczone na

schemacie z Rys. 19 jako „Zasilacz1” i „Zasilacz2”. Każdy z zasilaczy umożliwia

wytworzenie napięcia polaryzującego z zakresu od 0 do 200V uzyskiwanego z

transformatora sieciowego oznaczonego jako „Tr”. Wybór napięcia polaryzującego dla

danego wyjścia sygnałowego jest ustalany za pomocą przełączników P1 – P8.

W przeprowadzonych badaniach układ sterujący wykorzystywany jest również jako

źródło hałasu. Działa on niezależnie od systemu ARH. Sygnał wyjściowy podany jest na

głośnik umieszczony w falowodzie.

25

6. Metody pomiaru skuteczności działania systemów aktywnej redukcji

hałasu

Najprostszym sposobem pomiaru dźwięku jest określenie wartości ciśnienia

akustycznego, wyrażanego w Pascalach (Pa). Pomiar ciśnienia akustycznego jako

wielkości skalarnej nie przynosi żadnej informacji o wektorowym charakterze pola

akustycznego, tzn. o kierunkach przepływu energii. W badanym przypadku zbadanie

promieniowania płyty z osadzonym elementem piezoelektrycznym w ściśle określonych

punktach wymaga dokonania pomiaru z bliskiej odległości.. Ze względu na te

uwarunkowania, zdecydowanie bardziej użyteczne jest wyznaczenie natężenia dźwięku i

rozkładu energetycznego. Pomiar taki daje informacje o zjawiskach wektorowych

zachodzących w polu akustycznym i będzie realizowany w niniejszej pracy.

Natężeniem fali kulistej określamy energię przepływającą przez jednostkę

powierzchni w jednostce czasu. Całkowita energia przepływająca przez powierzchnię

zamkniętą otaczającą źródło jest stała i nie zależy od odległości. Wyraża się iloczynem

E = 4 πr2I, gdzie: (4)

I - natężenie dźwięku jako strumień energii przepływający przez jednostkę powierzchni

prostopadłą do kierunku propagacji fali.

Przekształcając powyższą zależność otrzymamy wzór na natężenie w powiązaniu z mocą

akustyczną źródła:

𝐼 = 𝑁𝑎

4𝜋𝑟2, gdzie: (5)

𝑁𝑎 − 𝑚𝑜𝑐 𝑓𝑎𝑙𝑖 𝑎𝑘𝑢𝑠𝑡𝑦𝑐𝑧𝑛𝑒𝑗

Wynika z niego, że natężenie w konkretnym punkcie pola akustycznego maleje odwrotnie

proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła.

26

Rys. 20. Rozkład natężenia dźwięku źródła kulistego [16]

Bezpośrednie pomiary natężenia są trudne ze względu na konieczność pomiaru

prędkości cząstki akustycznej. Użyteczna metoda powstała dopiero w 1977 roku. Do jej

realizacji wykorzystano dwa mikrofony. Polegała ona na pomiarze gradientu ciśnienia fali

płaskiej na drodze między dwoma mikrofonami skierowanymi czołowo. Wartość prędkości

uzyskiwano na podstawie obliczeń teoretycznych. Taka metoda pomiaru nazwana została

klasyczną. Niestety nie jest pozbawiona wad. Główną ich przyczyną jest błąd fazy

wynikający z różnic charakterystyk fazowych mikrofonów. Dodatkowo do badań, które

będą prowadzone sonda ta jest za duża. Nie ma możliwości zamontowania jej w taki

sposób, by dokonywała pomiaru bardzo małych części powierzchni. Jej rozmiary

wpływają ponadto na zakłócenie pola akustycznego. Innym sposobem zbadania natężenia

dźwięku jest pomiar bezpośredni. Polega on na pomiarze prędkość cząstki akustycznej i

wartość ciśnienia akustycznego, a tym samym amplitudy i fazy wektora natężenia

dźwięku, zgodnie ze wzorem:

𝐼 = 𝑝𝑣 , gdzie: (6)

p - wartość ciśnienia akustycznego,

𝑣 – prędkość akustyczna cząstki.

Prędkość akustyczna w powyższym wzorze określa prędkość drgań cząstki w polu fali

akustycznej. Jest ona pochodną przesunięcia x cząstki po czasie:

𝑥 𝑡 = 𝑋 sin 𝜔𝑡 (7)

𝑣 𝑡 = 𝑑𝑥 (𝑡)

𝑑𝑡= 𝜔𝑋𝑝 cos 𝜔𝑡 (8)

Przy sinusoidalnych przesunięciach cząstki prędkość wyraża się wzorem:

27

𝑣𝑎 𝑡 = 𝐴𝑚𝑎𝑥 𝜔 cos(𝜔𝑡) = 𝑣𝑎 𝑚𝑎𝑥 cos(𝜔𝑡), (9)

gdzie 𝜔 – pulsacja (𝜔 = 2𝜋𝑓)

𝐴𝑚𝑎𝑥 – amplituda przesunięcia cząstki [m]

𝑣𝑚𝑎𝑥 - amplituda prędkości cząstki [m/s], 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 𝜔𝑥𝑚𝑎𝑥 = 2𝜋𝑓𝐴𝑚𝑎𝑥

Prędkość akustyczna rośnie ze wzrostem głośności i częstotliwości tonu. Jej wartość w

porównaniu z prędkością rozchodzenia się dźwięku c jest niewielka, dochodzi do 0,1 m/s

Sonda Microflown USP (Ultimate Sound Probe) [10] umożliwia bezpośredni

pomiar ciśnienia akustycznego i prędkości cząstek w trzech kierunkach. Zbudowana jest z

trzech czujników prędkości cząstki akustycznej i jednego miniaturowego mikrofonu

ciśnieniowego 1/10˝ umieszczonego w środku geometrycznym.

Rys. 21. Sonda Microflown USP

Wymiary czujnika bez obudowy są mniejsze niż 5×5×5mm, dzięki czemu pole nie jest

zakłócane aż do częstotliwości 11333 Hz. Sonda posiada szeroki zakres częstotliwości

pomiarowych (~2Hz-20kHz) oraz umożliwia pomiary z bardzo bliskich odległości.

Wykorzystuje cztery kanały do pełnego, trójwymiarowego opisu pola akustycznego. Do

sondy dołączony jest moduł zasilający i kondycjoner sygnału. Podstawowe parametry

przedstawione są w Tabeli 3.

28

Elementy sondy 3 czujniki prędkości z tytanowym

elementem sensorycznym zintegrowane

w jednej obudowie z miniaturowym

mikrofonem ciśnieniowym o średnicy

1/10’’

Wymiary samego czujnika (czujniki prędkości

oraz mikrofon ciśnieniowy) bez obudowy

<= 5×5×5mm

Średnica czujnika z obudową 1/2''

Długość sondy 62mm

Masa sondy 30g

Zakres częstotliwości mikrofonu/czujnika

prędkości cząstek

20Hz - 20 kHz / 1Hz – 20kHz

Górna granica poziomu dźwięku

mikrofonu/czujnika prędkości cząstek

110 dB [SPL re.20µPa] / 135 dB [PVL

re.50nm/s]

Czułość mikrofonu/czujnika prędkości cząstek 20[mV/Pa] / 100m[V/Pa]

Kierunkowość mikrofonu/czujnika prędkości

cząstek

Wszechkierunkowy / ósemkowa

Odstęp sygnału od szumu mikrofonu/czujnika

prędkości cząstek

(dla 1kHz w paśmie 1Hz): 105dB /(dla

1kHz w paśmie 1Hz): 96dB

Tabela. 3. Parametry sondy Microflown USP

Dzięki pomiarowi przy wykorzystaniu w/w sondy możliwa jest obserwacja zjawisk

fizycznych o charakterze wektorowym z bardzo dużą dokładnością. Różnica dokładności

pomiaru w porównaniu do sondy dwumikrofonowej przedstawiona jest na Rys. 22 na

przykładzie izolacyjności akustycznej okrętowych ścianek działowych. Badania można

dodatkowo przeprowadzać przy obecnych zakłóceniach zewnętrznych. Rozszerza to

użyteczność tego rozwiązania, m.in. do pomiarów w warunkach rzeczywistych.

Rys. 22. Różnica dokładności wyznaczania natężenia metodą klasyczną i bezpośrednią na

przykładzie izolacyjności akustycznej okrętowych ścianek działowych[16]

29

Poprzez pomiar ciśnienia i prędkości akustycznej oraz wyznaczenie natężenia

dźwięku przeprowadzone będą badania skuteczności aktywnej redukcji hałasu.

Skuteczność definiowana jest jako różnica poziomów (natężenia lub ciśnienia

akustycznego) zmierzona dla ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego z włączonym i

wyłączonym systemem ARH.

Do realizacji badań wykorzystano metodę stałych punktów. Rama pomiarowa z

systemem sterowania, napędzana silnikiem krokowym umieszcza sondę w stałych

punktach pomiarowych rozmieszczonych na płaszczyźnie równoległej do badanej płyty.

Proces przesuwania sondy i pobierania danych

odbywa się automatycznie. Metoda pomiaru

umożliwia graficzną analizę wektorowego opisu

pola akustycznego. Na tej podstawie

przeprowadzono analizę zachodzących zjawiskach

wibroakustycznych oraz sprawdzenie

niejednorodności pola - obszarów o

zróżnicowanych poziomach promieniowania

energii akustycznej. W badaniach wykorzystano

układ pozycjonowania sondy przedstawiony na

Rys. 24. W jego skład wchodzą elementy

mechaniczne zamontowane na wylocie falowodu i sterownik do komunikacji z

komputerem PC. Całość ma na celu zautomatyzować proces przesuwania sondy po

punktach pomiarowych.

Rys. 24. Układ pozycjonowania sondy natężeniowej

Rysunek 23. Metoda stałych

punktów[16]

30

Elementy mechaniczne składają się z dwóch silników krokowych. Mogą one przesuwać

sondę w płaszczyznach x i y z dokładnością pozycjonowania do 0,1mm. Łączny obszar

pomiarowy obejmuje pole o wymiarach 240 na 300 mm. Sonda może być na stałe

mocowana w określonej odległości od aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego, w

zakresie od 1 do 20mm. Układ sterowania silnikami krokowymi połączony jest interfejsem

LPT z komputerem PC.

31

7. Stanowisko do pomiaru skuteczności działania systemu ARH w ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnym

W ramach pomiarów ARH ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego przeprowadzone

będą pomiary poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku u wylotu

falowodu. Sprawdzona będzie izolacyjność metalowej płyty oraz skuteczność redukcji

hałasu całego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego.

Środowisko laboratoryjne składa się z:

falowodu akustycznego i źródła redukowanego dźwięku

systemu ARH w postaci aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego

układu pomiarowego

Rys. 25. Stanowisko laboratoryjne do badań ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego

Falowód jest częścią stanowiska laboratoryjnego pracowni Aktywnych Metod

Redukcji Hałasu CIOP-PIB. Jego długość wynosi 200 cm, a wylot jest kwadratem o boku

40 cm. Falowód został zamknięty z jednej strony głośnikiem z obudową, który jest

źródłem hałasu. Z drugiej strony falowodu sztywno zamocowany jest aktywny ustrój

dźwiękochłonno-izolacyjny. Falowód od wewnątrz wypełniony jest kilkucentymetrową

warstwą gąbki pochłaniającej dźwięk.

Układ pomiarowy składa się z:

komputera PC z oprogramowaniem Matlab i Mach2

sondy Microflown USP

32

ramy pomiarowej z systemem sterowania

karty dźwiękowej ESI Maya 44 USB

oscyloskopu Tektronix TDS 3014B

miernika poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948

Głównym blokiem systemu pomiarowego jest komputer PC z zainstalowanym

systemem Windows XP. Umożliwia on sterowanie ramą pomiarową oraz przetwarzanie

wyników uzyskanych przez sondę Microflown, a przede wszystkim zsynchronizowanie

czasów pomiaru i przesuwu sondy pomiarowej.

Podczas badań sonda pomiarowa przesuwana jest automatycznie tak, aby

zatrzymała się w punktach oddalonych od siebie o 2 cm. W każdym z nich sonda

zatrzymywana jest na około 5 sekund, po czym przesuwana do kolejnego punktu. Dla

powierzchni 720 cm2 daje to łącznie 130 jednostkowych punktów pomiarowych.

Powierzchnia pomiarowa oddalona była od powierzchni płyty o 5 cm. Do automatycznego

przesuwu sondy wykorzystano opisaną wcześniej ramę pomiarową. Do sterowania ramą

służy program Mach2. Wykorzystywany w nim kod sterujący (załącznik 1) został

wygenerowany w programie Matlab. Ustalamy w nim współrzędne punktów krańcowych

powierzchni pomiarowej, odległość pomiędzy punktami pomiarowymi, oraz czas

przejścia. Na tej podstawie generowany jest plik tekstowy, w oparciu o który program

Mach2 wykonuje instrukcje sterujące pracą układu pozycjonowania.

Karta dźwiękowa ESI Maya 44 USB pobiera sygnał wychodzący z kondycjonera

sygnału sondy Microflown czterema wyjściami analogowymi. Jej zadaniem jest

przetworzenie sygnału analogowego na cyfrowy. Połączona jest z komputerem PC za

pomocą interfejsu USB. Karta korzysta ze sterowników ASIO, co wpływa na poprawę

jakości rejestrowanego sygnału.

Dalsze przetwarzanie wyników zarejestrowanych przez sondę i zmienionych na

postać cyfrową przez kartę dźwiękową odbywa się za pomocą programu Matlab.

Standardowo program ten obsługuje tylko 2 wejścia audio. W przypadku pobierania

danych z sondy niezbędne jest dostarczenie sygnału z 4 wejść naraz. Konieczne jest więc

rozszerzenie funkcjonalności programu o dodatkowe narzędzie pa-wavplay. Umożliwia

ono obsługę dźwięku wielokanałowego przez Matlab, oraz wspiera sterowniki ASIO. Kod

wykorzystywany do pobierania danych znajduje się w Załączniku 1.

33

Systemy pobierania wyników z sondy do Matlaba i sterowania jej przesuwaniem

działają niezależnie od siebie. Niezbędne jest wprowadzenie pomiędzy nimi

synchronizacji. Odbyło się to na zasadzie dopasowania czasowego pobierania wyników w

Matlabie do czasów przejazdu sondy. Oba systemy muszą być włączone ręcznie w tym

samym czasie. Pomyłka w granicach jednej sekundy nie ma wpływu na wynik końcowy.

Algorytm pomiaru przedstawiony jest na Rys. 27. Rozpoczęcie badań następuje w

chwili ustawienia punktu początkowego sondy. Następnie ręcznie włączane są programy

Mach2 i Matlab. Odmierzane są dwie sekundy pauzy w celu ustabilizowania się sondy w

punkcie pomiarowym. Następuje dwusekundowy pomiar, podczas którego sonda wysyła

dane do karty dźwiękowej ESI Maya 44 USB. Po jego wykonaniu odmierzana jest jedna

sekunda postoju. Dzięki temu utworzony zostaje margines błędu na niedokładność

związaną z ręcznym uruchomieniem programów Matlab i Mach2. Kolejnym krokiem jest

przesunięcie sondy do następnego punktu pomiarowego. Trwa to dokładnie 1,01 sekundy.

Oba programy sprawdzają, czy jest to ostatni punkt pomiarowy. Jeśli nie, wracają do kroku

stabilizowania sondy. W przypadku, gdy uzyskano 130 wyników następuje wygenerowanie

obrazów w programie Matlab i zakończenie pomiaru.

Rys. 27. Algorytm pomiaru natężenia dźwięku sondą Microflown.

Do rejestracji przebiegów czasowych i amplitudy sygnału użyto oscyloskopu

Tektronix TDS 3014B. Podłączony on był do wejścia układu sterującego, czyli pobierał

sygnał z mikrofonu B&K 4135 za wzmacniaczem mikrofonowym. Umożliwia to

rejestrację wpływu zmian sygnału docierającego do elementu piezoelektrycznego na

zmianę przebiegu zredukowanego sygnału.

34

Rys.26. Oscyloskop Tektronix TDS 3014B

Do rejestracji poziomu ciśnienia akustycznego wykorzystano miernik poziomu

ciśnienia akustycznego Svan 948. Jak wcześniej wspomniano, oba mikrofony (błędu B&K

4135 i miernika poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948) umieszczono w odległości

20cm od ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego, naprzeciw geometrycznego środka.

35

8. Wyniki pomiarów

W ramach pomiarów izolacyjności akustycznej aktywnego ustroju dźwiękochłonno-

izolacyjnego oraz skuteczności ARH przeprowadzono pomiary poziomu ciśnienia

akustycznego w odległości 20 cm od falowodu oraz poziomu natężenia dźwięku w

odległości kilku milimetrów od wylotu falowodu:

bez zamontowanego ustroju,

z zamontowanym ustrojem i wyłączonym systemem ARH

z zamontowanym ustrojem i włączonym systemem ARH

Pomiary przeprowadzono dla sygnałów o czterech częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200

Hz, 250 Hz oraz trzech wzmocnieniach: 0,04, 0,08, 0,16 (ułamek maksymalnej mocy

wyjściowej wzmacniacza). Wszystkie wyniki zostały zamieszczone w Załączniku 2.

Na początku wyznaczono izolacyjność akustyczną metalowej płyty będącej częścią

aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. W tym celu przeprowadzono pomiary

ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu bez założonej metalowej

płyty (Rys 28) oraz po jej założeniu (Rys. 29).

Rys. 28. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału

o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,08

36

Rys. 29. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o

częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,08 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji

hałasu

Przed założeniem metalowej płyty, poziomy ciśnienia akustycznego oscylowały w

granicach 105 dB. Po założeniu metalowej płyty poziomy te spadły do 75-82 dB. W

przypadku pomiaru natężenia poziomy maksymalne bez założonej płyty wynosiły ok.

100dB, zaś dla założonej płyty metalowej spadły do ok. 80-88 dB. Strzałki przy wykresie

poziomu natężenia dźwięku wskazują wektor natężenia dźwięku. Obszar pomiaru w

całości pokrywa się z badanym ustrojem dźwiękochłonno izolacyjnym o wymiarach 240 x

300 mm.

Na Rys. 30 pokazano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu

natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla częstotliwości 100 Hz i

wzmocnienia 0,04. Na Rys. 31 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i

poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla tej samej

częstotliwości 100 Hz i wzmocnienia 0,04 metalowej płyty z włączonym systemem ARH.


częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym systemem ARH

37


częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z włączonym systemem ARH

Przed włączeniem elementu czynnego zmierzone poziomy ciśnienia akustycznego

zawierały się w granicach 75 - 82 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku w przedziale od 80

do 90 dB. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły

od 70 dB do 88 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 80 do 93 dB. Wraz z

włączeniem ARH zmieniły się mody drgań na płycie. W przypadku płyty bez włączonego

systemu ARH rozkład ciśnienia i natężenia dźwięku był bardziej równomierny. Poziom

ciśnienia akustycznego zbadanego w odległości 20 cm od ustroju wynosił 71,1 dB dla

wyłączonego systemu ARH, zaś dla włączonego spadł do 65,9 dB

Rys. 32. Skuteczność ARH ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia

dźwięku sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04

38

Na Rys. 32 pokazano skuteczność ARH dla pomiaru natężenia dźwięku sygnału o

częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04. Widoczne jest wyraźne wytłumienie dźwięku

dla przekątnej rosnącej od lewego rogu do prawego płyty. Pojawiło się też lokalne

wzmocnienie dźwięku w prawym dolnym rogu płyty.

Rys.33. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o

częstotliwości 100 Hz i wzmocnieniu 0,08 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH

Na Rys. 33. przedstawiono zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia

sygnału o częstotliwości 100 Hz i wzmocnienia 0,08 dla włączonego i wyłączonego

systemu ARH. Najmniejszą wartość poziomu ciśnienia akustycznego zmierzono dla kąta

58°. Dla kątów o wartościach od 120° do 340° hałas jest wzmacniany.

68

70

72

74

76

78

80

82

0 100 200 300

Po

zio

m c

iśn

ien

ia a

kust

yczn

ego

[dB

]

Kąt przesunięcia sygnału [˚]

Włączony system ARH Wyłączony system ARH

39

Rys. 34. Sygnał z mikrofonu błędu (żółty) oraz sygnał elementu piezoelektrycznego

(fioletowy) dla wyłączonego systemu redukcji hałasu (po lewej stronie) i włączonego (po

prawej).

Na Rys. 34 przedstawiono przebieg czasowy sygnału rejestrowanego z mikrofonu błędu

oraz sygnał wysyłany do elementu piezoelektrycznego dla hałasu o częstotliwości 100 Hz i

wzmocnienia 0,08. Napięcie dla sygnału elementu piezoelektrycznego przy włączonej

redukcji hałasu wynosi ok. 180V, natomiast polaryzacja ok. 90V. Widoczne jest tłumienie

amplitudy sygnału błędu po włączeniu systemu ARH.

Na Rys. 35 i Rys. 36 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i

poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla częstotliwości 150

Hz i wzmocnienia 0,16. Na Rys. 35 pokazano rozkłady przy wyłączonym systemem ARH,

a na Rys. 36 rozkłady z włączonym systemem ARH.





Przed włączeniem elementu czynnego wyznaczone poziomy ciśnienia akustycznego

zawierały się w granicach 78 - 90 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku w przedziale od 80

do 96 dB. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły

40

od 74 dB do 98 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 80 do 105 dB. Wraz z

włączeniem ARH zmieniły się mody drgań na płycie. Wyraźnie widoczne są wektory

prędkości poprzecznych na Rys 36. przy pomiarze poziomu natężenia dźwięku. Poziom

ciśnienia akustycznego zbadanego w odległości 20 cm od ustroju wynosił 71,5 dB dla

wyłączonego systemu ARH, zaś dla włączonego spadł do 64,1 dB.



Na Rys. 37 pokazano skuteczność ARH wyznaczoną przez pomiaru natężenia dźwięku

sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,16. Widoczne są wyraźne wahania w

lokalnych poziomach natężenia dźwięku. Maksymalna redukcja wynosi ok. 12 dB, zaś

minimalna -15 dB.

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

0 100 200 300

Po

zio

m c

iśn

ien

ia a

kust

yczn

ego

[dB

]



41

Rys. 38. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o


Na Rys. 38. przedstawiono zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia

sygnału o częstotliwości 150 Hz i wzmocnieniu 0,16 dla włączonego i wyłączonego

systemu ARH. Najmniejszą wartość poziomu ciśnienia akustycznego przypada dla kąta

339°. Dla kątów o wartościach od 40° do 280° hałas jest wzmacniany.


poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla hałasu o

częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08. Na Rys. 39 zaprezentowano rozkłady przy

wyłączonym systemem ARH, a na Rys. 40 zaprezentowano rozkłady z włączonym

systemem ARH.





Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy ciśnienia akustycznego zawierały

się w granicach 75 - 82 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku w przedziale od 82 do 88 dB.

Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły od 60 dB

do 78 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 75 do 82 dB. Wraz z włączeniem

42

ARH zmieniły się mody drgań na płycie. Poziom ciśnienia akustycznego zbadanego w

odległości 20 cm od ustroju wynosił 63,6 dB dla wyłączonego systemu ARH, zaś dla

włączonego spadł do 52 dB.



Na Rys. 41 przedstawiono skuteczność ARH wyznaczoną przez pomiar natężenia dźwięku

sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08. Widoczne jest wyraźne

wytłumienie hałasu na brzegach płyty, dochodzące do 16 dB. W centrum płyty nie

zaobserwowano redukcji hałasu..

43

Rys. 42. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o


Na Rys. 42. przedstawiono zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta

przesunięcia sygnału o częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08 dla włączonego i

wyłączonego systemu ARH. Najmniejsza wartość poziomu ciśnienia akustycznego

przypada dla kąta 280°. Dla kątów o wartościach od 0° do 220° oraz od 340° do 360° hałas

jest wzmacniany.


poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla hałasu o

częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08. Na Rys. 43 zaprezentowano rozkłady przy

włączonym systemem ARH o sterowaniu ręcznym, a na Rys. 43 zaprezentowano rozkłady

z włączonym systemem ARH z adaptacyjnym filtrem Notch sterowanym algorytmem

LMS.

48

53

58

63

68

73

0 100 200 300

Po

zio

m c

iśn

ien

ia a

kust

yczn

ego

[dB

]



44


częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym systemem ARH ze sterowaniem

ręcznym


częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym adaptacyjnym systemem ARH

(filtr notch)

Poziomy ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku na Rys. 43 i Rys. 44 są niemal

jednakowe. Różnice mieszczą się w przedziale 2 dB.

Rys. 45. Sygnał z mikrofonu błędu (żółty) oraz sygnał elementu piezoelektrycznego

(fioletowy) dla wyłączonego systemu redukcji hałasu (po lewej stronie) i włączonego (po

prawej).

45

Na Rys. 45 przedstawiono przebieg czasowy z oscyloskopu sygnału z mikrofonu błędu

oraz sygnału elementu piezoelektrycznego dla częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,16.

Napięcie dla sygnału elementu piezoelektrycznego przy włączonej redukcji hałasu wynosi

ok. 50V, natomiast polaryzacja ok. 100V. Widoczne jest wyraźne tłumienie amplitudy

sygnału błędu po włączeniu systemu ARH.

46

9. Analiza wyników

Pomiary poziomu ciśnienia akustycznego w odległości 20 cm od falowodu oraz

poziomu natężenia dźwięku w odległości kilku milimetrów od wylotu falowodu bez

ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego wykazały, że można przyjąć że fala akustyczna

pobudzająca ustrój jest falą płaską. Na całej powierzchni badanego ustroju poziom

ciśnienia akustycznego jest stały. Prędkości akustyczne zmierzone w kierunkach x i y

(kierunki prostopadłe do osi falowodu) są wielokrotnie niższe niż w kierunku z

(równoległym do osi falowodu).

Założenie ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego na wylocie falowodu

spowodowało obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego o ok. 30 dB (Rys. 28 i Rys. 29).

Zatem można przyjąć, że taka jest izolacyjność ustroju. Pomiary wykazały znaczne różnice

poziomu ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku emitowanego przez ustrój.

Włączenie systemu ARH w każdym pomiarze wpłynęło na obniżenie poziomu

ciśnienia akustycznego emitowanego przez ustrój osiągając skuteczności ARH od 3 do 16

dB. Poziom mierzony był w jednym punkcie (w miejscu umieszczenia mikrofonu błędu) w

odległości 20 cm od aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego.

W Tabeli 4 podano poziomy ciśnienia akustycznego dla włączonego i wyłączonego

systemu ARH, oraz skuteczność aktywnej redukcji hałasu dla sygnałów o różnej

częstotliwości i wzmocnieniu.

Poziom ciśnienia akustycznego [dB]

Skuteczność

aktywnej

redukcji

hałasu [dB]

Bez systemu

ARH

System ARH ze sterowaniem

ręcznym adaptacyjnym

Czę

stotl

iwość

[H

z]

100

Wzm

ocn

ien

ie

0,04 71,1 65,9 - 5,2

0,08 76,3 68,5 - 7,8

0,16 81,5 78,2 - 3,3

150

0,04 60 52 - 8

0,08 65,6 56,1 - 9,5

0,16 71,5 64,1 - 7,4

200

0,04 58,5 52 - 6,5

0,08 63,6 52 - 11,6

0,16 69 52,5 53,2 16,5

47

250

0,04 57,2 51,5 5,7

0,08 62,5 53,2 - 9,3

0,16 67,6 55,1 - 12,5

Tabela 4. Poziom ciśnienia akustycznego i skuteczność ARH dla sygnałów o różnej

częstotliwości i wzmocnieniu, mierzona przy zastosowaniu miernika poziomu ciśnienia

akustycznego w odległości 20cm od aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego

Pomiary przeprowadzone sondą pomiarową wykazały, że osiągnięcie dodatniej

wartości skuteczności ARH mierzonej punktowo nie zawsze przekłada się na zmniejszenie

promieniowania ustroju na całej jego powierzchni. Przykładowo dla sygnału hałasu o

częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,16 zarejestrowano skuteczności dochodzące do

14 dB, jednak skuteczność w punkcie mikrofonu błędu osiągnięto na poziomie jedynie 3

dB. Powodem tak słabego wyniku była jednoczesna degradacja skuteczności ARH w

innym miejscu na powierzchni ustroju o wartościach -7 dB. W zależności od częstotliwości

sygnału uzyskiwano różne rozkłady modów drgań ustroju. Największe tłumienie uzyskano

dla częstotliwości 200 Hz, gdy mody drgań ustroju pokrywały się z miejscem

zamocowania elementu czynnego. Wtedy też redukcja hałasu, zmierzona jako spadek

poziomu ciśnienia akustycznego w odległości 20cm od ustroju dźwiękochłonno-

izolacyjnego dochodziła do 16 dB. W tym przypadku wartości ARH zarejestrowane sondą

oscylowały w granicach 15 dB, jednak nie zarejestrowano wartości ujemnych. Skuteczność

ARH była tym większa, im bardziej równomiernie redukcja drgań była rozłożona na

płycie.

Podczas badań przyjęto dolną granicę rejestrowanego sygnału hałasu na poziomie

50 dB. Powodem tego założenia był wysoki poziom tła akustycznego generowany przez

układy chłodzenia aparatury pomiarowej oraz możliwości pomiarowe sondy.

Wykorzystywana sonda pomiarowa pracuje w dwóch trybach. Pierwszy o niskich

wzmocnieniach i drugi o wysokich. Przy pomiarach poziomów dochodzących do 100 dB

konieczne było użycie niskiego wzmocnienia. Poziom szumów w tym trybie

uniemożliwiał zarejestrowanie wyników o poziomach poniżej 50 dB. Z tego też względu

minimalne poziomy uzyskanego ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku oscylowały w

tych granicach.

Jest to też powodem, dla którego najczęściej największe poziomy tłumienia

uzyskiwano dla sygnałów o wyższym wzmocnieniu. Jednak dla sygnałów hałasu o

częstotliwości 100 i 150 Hz przy zwiększeniu wzmocnienia z 0.08 do 0.16 zanotowano

48

spadek skuteczności. Powodem tego stanu rzeczy może być niewystarczająca moc

zastosowanego elementu czynnego w tym zakresie częstotliwości.

Dokonane pomiary zależności ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału

elementu piezoelektrycznego w stosunku do sygnału hałasu z włączonym i wyłączonym

systemem ARH umożliwiły zbadanie wpływu błędu kąta przesunięcia sygnału na

skuteczność ARH. Dla każdej częstotliwości kąt przesunięcia sygnału dla uzyskania

najwyższego tłumienia był inny. Dla 100 Hz wynosił on 58°, dla 150 Hz - 339°, a dla

200Hz - 280°. Przebieg sygnału osiągał globalne minimum w znacznie węższym zakresie

kątów, niż globalne maksimum. Przez ten fakt trudniej było dobrać odpowiednią wartość

opóźnienia dla sygnałów o wyższych częstotliwościach, gdyż zwiększało się próbkowanie

sygnału, a tym samym zmniejszał się możliwy krok przesunięcia kąta sygnału opóźnienia.

Weryfikacja sygnału oscyloskopem wskazuje na znaczną liczbę zakłóceń w torze

pomiarowym. Różnice amplitudy przed włączeniem elementu piezoelektrycznego i po

włączeniu są niemal dwukrotnie większe.

Pomiar poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dla częstotliwości 200

Hz i wzmocnienia 0,16 z włączonym systemem ARH wykonano w dwóch wariantach. W

pierwszym standardowo wartość sygnału kompensującego została określona ręcznie. W

drugim przypadku użyto adaptacyjnego algorytmu wykorzystującego filtr Notch.

Tłumienie uzyskane w drugim przypadku było o ok. 0,7 dB niższe. Powodem tego mógł

być hałas od układu pozycjonowania sondy, który wpływał na minimalne pogorszenie

sprawności algorytmu.

49

10. Podsumowanie

Wykorzystując zrealizowane stanowisko badawcze wykonano pomiary

skuteczności aktywnej redukcji hałasu ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. Mierzono

poziom ciśnienia akustycznego w odległości 20 cm od wylotu falowodu oraz poziom

natężenia dźwięku w odległości kilku milimetrów od wylotu falowodu. Pomiary

zrealizowano bez zamontowanego ustroju oraz po zamontowaniu ustroju z wyłączonym i

włączonym systemem ARH. Przeprowadzono je dla sygnałów hałasu o czterech

częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz oraz trzech wzmocnieniach: 0,04,

0,08, 0,16. W efekcie włączenia systemu ARH osiągnięto skuteczność ARH przekraczającą

16 dB (Rys. 43), co oznacza analogiczne zwiększenie izolacyjności akustycznej ustroju w

stosunku do wersji bez systemu ARH. W pobliżu ustroju skuteczność osiągała 16 dB (Rys.

41), natomiast na krańcach obszaru pomiarowego ok. 0 dB. Rozkład skuteczności ARH na

powierzchni płyty jest nierównomierny. W niektórych przypadkach obserwowana była

degradacja skuteczności ARH dochodząca do -7 dB (Rys. 32). W miejscu mikrofonu błędu

we wszystkich przypadkach osiągnięto wartości dodatnie, jednak oscylowały one od 3 do

16 dB (Tabela 4).

Dla wariantu o najwyższej skuteczności aktywnej redukcji hałasu uruchomiono

system ARH z adaptacyjnym algorytmem LMS z cyfrowymi filtrami wycinającymi Notch.

Tłumienie uzyskane było o ok. 0,7 dB niższe niż w przypadku sterowania ręcznego.

Powodem tego mógł być hałas od układu pozycjonowania sondy, który wpływał na

minimalne pogorszenie sprawności algorytmu.

Celem pracy było określenie zmiany izolacyjności akustycznej ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnego na skutek zastosowania w nim systemu ARH. Można zatem

uznać, że podstawowy cel pracy został zrealizowany.

Wyniki realizacji zadania badawczego będą wykorzystane do wykonania ustroju

dźwiękochłonno-izolacyjnego, a tym samym umożliwią konstruowanie systemów ARH w

zastosowaniach dotąd niedostępnych dla metod aktywnych

50

Bibliografia

1. BTM Cordah Sp. z o.o., Mapa akustyczna Miasta Gdańska,

http://mapaakustyczna.bmtcordah.pl/hlp/MAPA%20AKUSTYCZNA%20MIASTA%20G

DA%C5%83SKA_portal2_pliki/image010.gif, 3.01.2011

2. EEA, Perception of noise as a problem in European cities compared to road noise,

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/perception-of-noise-all-sources-1,

4.01.2011

3. Engel Z. i inni; Metody aktywne redukcji hałasu, CIOP, Warszawa 2001.

4. Górski P., Redukcja hałasu w środowisku z wykorzystaniem metod aktywnych, XXX

Międzynarodowa Konferencja Ekologiczna” HAŁAS A ŚRODOWISKO”, Fundacja

Edukacji Ekologicznej i Zrównoważonego Rozwoju Zielonych RP, Łódź, Wrzesień 2008

str. 81-86

5. Honda Legend Review,

http://www.drive.com.au/Editorial/ArticleDetail.aspx?ArticleID=49966&vf=24,

25.01.2011

6. Jacobsen Finn, “A comparison of two different sound intensity measurement principles”,

The Jounal of the Acoustical Society of America Vol. 118, No. 3, str. 1510-1517, 2005

7. Lightspeed Technologies, ANR 101: A tutorial on Active Noise Reduction Headsets, 1998

8. Prezydent Miasta Stołecznego Warszawy, Mapy Akustyczne Warszawy,

http://mapaakustyczna.um.warszawa.pl, 6.01.2011

9. Makarewicz G., Wybrane cyfrowe systemy aktywnej redukcji hałasu, CIOP-PIB,

Warszawa 2002.

10. Microflown Technologies, USP Regular, http://www.microflown.com/products/standard-

probes/usp-regular.html, 10.01.2011.

11. Microflown Technologies, Sound Intensity Measurments,

http://www.microflown.com/files/media/library/books/microflown_ebook/ebook_5_intensi

ty.pdf, 11.01.2011

12. Morzyński L., Puto D., Hałas w środowisku pracy, PIP, Warszawa 2005

13. Nelson P. A., Elliott S. J.: Active Control of Sound. London, Academic Press 1992.

14. Politechnika Śląska, Zakład Pomiarów i Systemów Sterowania, Instytut Automatyki,

Przykłady zastosowań metod aktywnego tłumienia hałasu,

http://www.zpss.aei.polsl.pl/content/dydaktyka/ATD/W_10.pdf, 8.01.2011.

http://mapaakustyczna.bmtcordah.pl/hlp/MAPA%20AKUSTYCZNA%20MIASTA%20GDA%C5%83SKA_portal2_pliki/image010.gif

http://mapaakustyczna.bmtcordah.pl/hlp/MAPA%20AKUSTYCZNA%20MIASTA%20GDA%C5%83SKA_portal2_pliki/image010.gif

http://www.drive.com.au/Editorial/ArticleDetail.aspx?ArticleID=49966&vf=24

http://mapaakustyczna.um.warszawa.pl/

http://www.microflown.com/products/standard-probes/usp-regular.html

http://www.microflown.com/products/standard-probes/usp-regular.html

http://www.microflown.com/files/media/library/books/microflown_ebook/ebook_5_intensity.pdf

http://www.microflown.com/files/media/library/books/microflown_ebook/ebook_5_intensity.pdf

http://www.zpss.aei.polsl.pl/content/dydaktyka/ATD/W_10.pdf

51

15. proGEO Sp. z o.o. Wrocław, Obliczenia oddziaływania na środowisko w zakresie

uciążliwości akustycznej, http://www.siskom.waw.pl/dw/724/halas_tekst.pdf, 5.01.2011.

16. Weyna S. Rozpływ energii akustycznych źródeł rzeczywistych, Warszawa, 2005

http://www.siskom.waw.pl/dw/724/halas_tekst.pdf

52

Załącznik 1 Wybrane kody programów napisane i wykorzystywane w pracy

Kod programu Matlab realizujący rejestrację danych z sondy i generującym wyniki clear all

clc

%Ustawienie danych pomiarowych

m_f = 150; %[Hz] mierzona częstotliwość

m_l = 80; %[dB] mierzony poziom

m_s = 'ON'; %ON-OFF stan systemu ARH

m_u = 'U1'; %Oznaczenie mierzonego ustroju

nx = 13; %ilość punktów pomiarowych w osi x (poziomej)

ny = 10; %ilość punktów pomiarowych w osi y (pionowej)

t0 = 1.5; %[s] czas ustalenia sondy (1.5)

t1 = 2; %[s] czas pojedynczego pomiaru (2)

t2 = 1; %[s] czas postoju sondy po pomiarze (1)

t3 = 1.01; %[s] czas przemieszczenia sondy do kolejnego punktu (1.01)

dx = 300; %[mm] wymiar x powierzchni pomiarowej

dy = 240; %[mm] wymiar y powierzchni pomiarowej

p_min = 60; %[dB]

p_max = 100; %[dB]

v_min = 0; %[mm/s]

v_max = 100; %[mm/s]

%Ustawienie stałych fizycznych

po = 2e-5; %[Pa] Poziom odniesienia ciśnienia akustycznego

Io = 10e-12; %[W/m2] Poziom odniesienia natężenia akustycznego

%Ustawienie danych wejściowych sondy

sensitivity_p = 52.5; %[mV/Pa]

%High gain

sensitivity_v1 = 62.02; %[V/(m/s)] -blue

sensitivity_v2 = 74.79; %[V/(m/s)] -red

sensitivity_v3 = 21.82; %[V/(m/s)] -green

%Low gain

% sensitivity_v1 = 1.1969; %[V/(m/s)] -blue

% sensitivity_v2 = 0.5941; %[V/(m/s)] -red

% sensitivity_v3 = 0.1734; %[V/(m/s)] -green

%Ustawienie danych wejściowych karty

firstchannel = 1;

lastchannel = 4;

time = t1; %w sekundach

samplerate = 44100; %częstotliwośc próbkowania

deviceid = 0; %id karty dźwiękowej MAYA44 USB

devicetype = 'asio';

correction_ch1 = 1.079746;




nsamples = time * samplerate;

ny_start=ny;

ny_end=1;

d = -1;

pause(2);

for i = 1:nx

for n = ny_start:d:ny_end

53

clc;

pause(t0);

disp(['Measuring: (x,y) => (' int2str(i) ',' int2str(n) ')']);

%Pobieranie próbek

inputbuffer = pa_wavrecord(firstchannel, lastchannel, nsamples,

samplerate, deviceid, devicetype);

p(n,i)

=(correction_ch1*sum(inputbuffer(:,1).^2)/length(inputbuffer))/(sensitivi

ty_p); %[Pa]

v1(n,i)=(correction_ch2*(sum(inputbuffer(:,2).^2)/length(inputbuffer))*10

00)/(sensitivity_v1); %[mm/s]

v2(n,i)=(correction_ch3*(sum(inputbuffer(:,3).^2)/length(inputbuffer))*10

00)/(sensitivity_v2); %[mm/s]

v3(n,i)=correction_ch4*(sum(inputbuffer(:,4))/length(inputbuffer));

%[mm/s]

lp(n,i)=20*log10(p(n,i)/po);

v(n,i)=sqrt(v1(n,i)^2+v2(n,i)^2+v3(n,i)^2)/1000;

I(n,i)=p(n,i)*v(n,i);

li(n,i)=10*log10(I(n,i)/Io);

disp(['Stop measurement']);

disp(['Moving probe - next point']);

pause(t2+t3);

end

if(d==1) d=-1; ny_start=ny; ny_end=1; else d=1; ny_start=1; ny_end=ny;

end

end

%Rysowanie wykresów

x = (0:dx/(nx-1):dx);

y = (0:dy/(ny-1):dy);

figure1=figure('Name','1','Position',[50 50 750 400]);

subplot(2,2,1);

pcolor(x,y,p);

grid on,

shading('interp');

c=[0 po*10^(p_max/20)];

caxis(c);

title('Ciśnienie akustyczne [Pa]');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;

set(gcf,'Color','white')

subplot(2,2,2);

pcolor(x,y,v1);

grid on,

shading('interp');

c=[v_min v_max];

caxis(c);

title('Prędkość akustyczna [mm/s] - oś x');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


subplot(2,2,3);

pcolor(x,y,v2);

grid on,

shading('interp');

c=[v_min v_max];

54

caxis(c);

title('Prędkość akustyczna [mm/s] - oś y');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


subplot(2,2,4);

pcolor(x,y,v3);

grid on,

shading('interp');

c=[v_min v_max];

caxis(c);

title('Prędkość akustyczna [mm/s] - oś z');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


figure2=figure('Name','2','Position',[50 50 750 400]);

subplot(2,2,1);

pcolor(x,y,lp);

grid on,

shading('interp');

c=[p_min p_max];

caxis(c);

title('Poziom ciśnienia akustycznego [dB]');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


subplot(2,2,2);

pcolor(x,y,li);

grid on;

shading('interp');

hold on;

quiver(x,y,v1,v2,'r');

hold off;

c=[p_min p_max];

caxis(c);

title('Poziom natężenia dźwięku [dB]');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


subplot(2,2,3);

pcolor(x,y,v3);

grid on,

shading('interp');

c=[v_min v_max];

caxis(c);

title('Prędkość akustyczna [mm/s] - oś z');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


subplot(2,2,4);

pcolor(x,y,v*1000);

55

grid on,

shading('interp');

c=[v_min v_max];

caxis(c);

title('Prędkość akustyczna [mm/s]');

xlabel('[mm]');

ylabel('[mm]');

colorbar;


%Zapisywanie danych

save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_' int2str(m_l) 'dB_' m_s '_p.txt'], 'x',

'p', '-ASCII');

save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_' int2str(m_l) 'dB_' m_s '_v1.txt'],

'x', 'v1', '-ASCII');


'x', 'v2', '-ASCII');


'x', 'v3', '-ASCII');

56

Kod programu Matlab generujący kod sterujący w programie Mach2

clear all

clc

%współrzędne punktów krańcowych powierzchni pomiarowej (10mm margines)

dx_start = 10;

dx_stop = 210;

dy_start = 10;

dy_stop = 270;

%odległość pomiędzy punktami pomiarowymi

nx = 20;

ny = 20;

x_line = 0;

x_start = ((dx_stop - dx_start)-nx*fix((dx_stop - dx_start)/nx))/2

y_start = ((dy_stop - dy_start)-ny*fix((dy_stop - dy_start)/ny))/2

x = x_start;

y = y_start;

line = 0;

d = 1;

while y<=(dy_stop-ny)

y = y + ny;

y_line = y;

while x<=(dx_stop-nx) && x>=0

line=line+1;

if(d==1) x = x + nx; x_line = x; else x = x - nx; x_line = x + 2*nx;

end

v1(line) = ['G1 x' int2str(fix(y_line)) ' y' int2str(fix(x_line)) '

G4 P10'];

end

d=d*(-1);

if(d==1) x = x_start; else x = x - nx; end

end

v1=v1';

%save( 'mach2_kod.txt', '', 'v1', '-ASCII');

57

Załącznik 2. Wyniki pomiarów.

Rys. 28. Ciśnienie i prędkość akustyczna u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości

100 Hz i wzmocnieniu 0,04

Rys. 29. Ciśnienie i prędkość akustyczna u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości

100 Hz i wzmocnieniu 0,08

Ciśnienie i prędkość akustyczna u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i

wzmocnieniu 0,16

58

Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o

częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,04





59







60

Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości

100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji hałasu


100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z włączonym systemem aktywnej redukcji hałasu

Skuteczność aktywnej redukcji hałasu ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru

natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04

61







62







63







64







65







66







67







68







69


200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym adaptaycjnym systemem aktywnej redukcji

hałasu (filtr notch)





70







71



PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA - Gracjan...

Documents

Transcript of PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA - Gracjan...