PRACA MAGISTERSKAPRACA MAGISTERSKA

autor:Przemysław Kasprzyk

Politechnika ŚląskaWydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki

Instytut Automatyki

Badanie strefy ciszy w falowodzie akustycznym w funkcji odległości mikrofonu

błędu od głośnika aktywnego

Temat:

promotor:dr inż. Dariusz Bismor

Rozwinięcie tematu pracy:

Celem niniejszej pracy dyplomowej było generowanie strefy ciszy w falowodzie akustycznym metodami aktywnej redukcji hałasu oraz zbadanie jej właściwości - czyli przebadanie przestrzennego rozkładu tej strefy ciszy w falowodzie akustycznym zmieniając odległość mikrofonu błędu od głośnika aktywnego.

Rozwinięcie tematu pracy (cd.):

Strefa ciszy jest badana dla sygnałów sinusoidalnych z przedziału od 100Hz do 800Hz z rozdzielczością co 20Hz, oraz dla szumów szeroko pasmowych nagranych urządzeń rzeczywistych. Wszystkie badania przeprowadzone zostały dla dwóch przypadków : z wykorzystaniem filtrów antystroboskopowych i rekonstruujacych oraz bez ich użycia.

Aktywne tłumienie hałasu (ATH) - polega na takim sterowaniu dodatkowym źródłem dźwięku, aby w wybranym miejscu pola akustycznego otrzymać znaczne zmniejszenie natężenia dźwięku dzięki wystąpieniu destruktywnej interferencji fal akustycznych.

Interferencja fal - zjawisko nakładania się fal, w którym zachodzi stabilne w czasie ich wzajemne wzmocnienie w jednych punktach przestrzeni oraz osłabienie w innych, w zależności od stosunków fazowych fal.

Warunek tłumienia - wtórne źródło dźwięku generuje fale koherentne i przeciwne w fazie względem fali emitowanej przez pierwotne źródło dźwięku.

Stanowisko laboratoryjneSkłada się z:

• falowodu akustycznego który jest wykonany ze sklejki; jego długość wynosi 4 m, a przekrój 20 na 40 cm;

• karty DSP - DS1102 firmy dSpace zawierającej procesor zmiennoprzecinkowy TMS320C31 firmy Texas Instrumentsoraz wysokiej klasy przetworniki A/C i C/A;

•zestawu mikrofonów i głośników;

•komputera PC z zainstalowaną kartą DSP;

• zestawu przedwzmacniaczy, wzmacniaczy, przestrajalnych filtrów dolnoprzepustowych i innego drobnego sprzętu.

Schemat blokowy stanowiska ATH w falowodzie akustycznym

Umiejscowienie mikrofonów i głośników w falowodzie akustycznym

Wirtualne jednokierunkowe źródło dźwięku

Aby zminimalizować niekorzystny wpływ sprzężenia zwrotnego zastosowano źródło pola kompensującego składające się z dwóch głośników, które jest zaprojektowane tak, aby emitować fale dźwiękowe zasadniczo tylko w jednym kierunku. Dzięki wspomnianej kierunkowości poprawia on ogólną stabilność układu, oraz w wielu przypadkach zmniejsza poziom ciśnienia akustycznego w kierunku źródła hałasu, co powoduje zmniejszenie dalszych odbić fali akustycznej, a w rezultacie lepsze wyniki tłumienia po drugiej stronie falowodu.

Adaptacyjny układ ATH z wirtualnym jednokierunkowym źródłem dźwięku

Algorytm strojenia wirtualnego jednokierunkowego źródła dźwięku.

Jednokierunkowe źródło dźwięku stroimy algorytmem FXLMS pobudzanym białym szumem w celu uzyskania nastaw filtrów cyfrowych W1 i W2. Algorytm uaktualnia współczynniki filtrów zgodnie z wzorami :

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅⋅−⋅+

⋅−⋅−⋅−=+

Δ−

nPinxznxnm

nPnmnxnWnW ii

12

122

11

11111

111 ββμ

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅⋅−⋅+

⋅−⋅−⋅−=+

Δ−

nPinxznxnm

nPnmnxnWnW ii

22

222

21

12122

111 ββμ

WNi K0= 1,0∈β

Schemat blokowy układu strojenia jednokierunkowego źródła dźwięku

Badania identyfikacyjne

Celem przeprowadzenia doświadczeń identyfikacyjnych było wyznaczenie parametrów torów elektro-akustycznych. Zostało to zrealizowane poprzez przeprowadzenie identyfikacji odpowiedzi impulsowej, która to pozwala nam określić dynamikę obiektu, orazopóźnienia występujące w poszczególnych torach elektroakustycznych. Oprócz eksperymentu identyfikacyjnego odpowiedź impulsowa uzyskana została na skutek pobudzenia układu impulsem Kroneckera. Doświadczenie to zostało wykonane celem weryfikacji poprawności otrzymanych wyników identyfikacyjnych. Kolejnym powodem wykorzystania odpowiedzi impulsowej było przebadanie jak jednokierunkowe źródło dźwięku wpływa na dynamikę w falowodzie, zatem przeprowadzono badania z wykorzystaniem jednokierunkowego źródła dźwięku, oraz bez stosując jako źródło pola kompensującego głośnik G2.

Badania identyfikacyjne (2)

Wszystkie eksperymenty identyfikacyjne przeprowadzone były przy następujących założeniach:

• Częstotliwość próbkowania była równa 2kHz• Dane zebrane z mikrofonów były poddane identyfikacji odpowiedziimpulsowej metodą korelacyjną oraz metodą najmniejszych

kwadratów • Sygnałem pobudzającym był wielosinusoidalny biały szum o płaskim

widmie w zakresie częstotliwości od 0 Hz do 1 kHz.• Sygnał pobudzający składał się z 500 próbek• Dane zostały przetworzone przy pomocy programu Matlab

Badania identyfikacyjne były przeprowadzone przy występującym w torze elektro-akustycznym filtrze rekonstruującym o paśmie przepustowym do 800 Hz oraz powtórzone przy braku tego filtru.

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 6.5cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda korelacyjna

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 14cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda korelacyjna

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 24cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda korelacyjna

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 6.5cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda MNK

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 14cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda MNK

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 24cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda MNK

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 6.5cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda definicyjna

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 14cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda definicyjna

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Pomiar dla mikrofonu błędu oddalonego 24cm od głośnika G2 oraz JŹD (jako głośnika aktywnego)- metoda definicyjna

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla głośnika G2

Odpowiedź impulsowa bez filtrów i z filtrami dla JŹD

Głośnik G2 JŹD

bez filtru z filtrem bez filtru z filtrem

6.5 cm 2 5 4 6

14 cm 3 6 5 7

24 cm 4 7 6 8

Długośćtoru

akustycznego

Opóźnienia występujące w torach elektro-akustycznych

>150140>150>15024 cm

1008013010014 cm

904080306.5 cm

z filtrembez filtruz filtrembez filtru

JŹDGłośnik G2

Długośćtoru akustycznego

Długości odpowiedzi impulsowych poszczególnych torów elektro-akustycznych

Układ ATH z algorytmem korelacyjnym FXLMS jako algorytmem adaptacyjnym

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego w odległości 14 cm.

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego w odległości 24 cm.

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego w odległości 24 cm

i zwiększoną długością filtru dla toru wtórnego przy wykorzystaniu filtrów i bez.

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego w odległości 6.5 cm.

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego w odległości 6,5 cm

Algorytm z odsprzęganiem.

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym i pomiarbłędu jako średniej ważonej z trzech mikrofonów.

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wynik ATH dla mikrofonów z filtrami (kolor niebieski) oraz bez filtrów (kolor czerwony)

Wyniki aktywnego tłumienia szumów szerokopasmowych.

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego w odległości 14cm od JŹD (tłumienie w dB) Blad M1 M2 M3 M4 M5 M6 filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru

Mikser 13,50 15,01 1,57 0,85 9,02 7,70 1,08 0,79 5,29 4,98 3,90 6,07 7,01 4,02 Trafo 19,53 21,43 8,42 11,22 13,01 10,38 8,18 9,66 6,77 11,79 7,93 14,05 -0,08 -2,74 Turbina 10,95 16,57 -1,00 2,74 -0,99 -0,20 -0,55 1,18 -0,80 3,80 -4,22 0,65 -8,09 -8,41 Wentylator1 9,61 21,82 -2,61 3,25 -4,10 1,30 -0,83 -0,81 -2,79 5,05 -4,44 5,87 -12,26 -11,55 Wentylator2 9,15 13,64 -3,83 -3,44 -2,01 -1,10 -2,06 -3,23 -3,07 4,23 -6,73 -1,73 -17,73 -16,79 y250350 26,24 49,70 -2,76 7,71 8,04 9,58 -0,59 5,94 -1,50 17,62 -0,84 17,39 -11,31 -8,46 y250450 16,71 38,33 7,85 1,75 6,02 0,18 5,28 12,38 4,89 7,82 3,63 3,80 -0,24 -5,79 y350450 14,41 59,74 -6,92 1,46 -3,63 -7,05 -1,99 7,29 -4,56 12,12 -3,83 8,56 -13,71 -10,63

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym i mikrofonie błędu ustawionego w odległości 24cm od JŹD (tłumienie w dB) Blad M1 M2 M3 M4 M5 M6 filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru

Mikser 4,78 12,19 -0,11 1,01 4,19 4,65 -1,69 -0,72 2,11 4,94 3,07 6,21 4,55 4,63 Trafo 5,68 5,80 4,52 -16,10 7,23 -6,39 3,68 -14,65 2,38 -15,15 6,52 0,79 -1,44 -8,93 Turbina 5,78 14,03 2,92 -7,08 -3,91 -4,95 -1,57 -2,65 -2,68 -4,29 -1,29 2,31 -7,81 -7,11 Wentylator1 8,80 23,06 2,15 -10,11 2,71 -8,06 0,24 -10,72 1,20 -3,39 5,48 0,35 -9,62 -18,96 Wentylator2 6,45 9,01 -0,85 -14,34 -1,84 -10,56 0,20 -6,82 1,13 -9,06 -2,50 -1,87 -12,03 -15,55 y250350 7,62 7,02 -8,21 -25,33 -2,92 -17,07 -6,93 -25,09 -11,26 -19,87 12,91 -11,19 -3,04 -24,95 y250450 2,38 40,83 5,65 4,02 3,81 -7,32 5,40 -0,53 3,61 -1,52 2,83 1,47 -2,85 -2,94 y350450 5,17 7,86 -13,03 -28,22 -9,05 -25,44 -10,23 -24,55 -12,77 -24,54 3,38 -20,32 -9,13 -30,75

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym dla mikrofonu błędu ustawionego pod JŹD w odległości 6.5cm (tłumienie w dB) Blad M1 M2 M3 M4 M5 M6 filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru

Mikser 12,24 18,01 1,83 1,99 8,25 2,43 0,32 1,51 3,24 6,14 7,33 7,10 8,65 6,82 Trafo 25,82 39,74 9,43 5,86 15,33 12,35 9,93 3,94 10,57 8,91 8,80 8,55 -1,24 -2,53 Turbina 4,23 12,96 0,53 -1,02 -0,50 -2,56 0,42 -2,42 -0,31 -1,24 -0,62 -0,56 -4,37 -3,74 Wentylator1 11,06 21,38 4,28 1,19 3,98 -0,02 2,78 -1,69 4,53 0,96 4,86 2,63 -3,09 -5,59 Wentylator2 7,41 12,66 -3,51 -3,33 -0,06 0,29 -1,64 -2,35 -0,62 -2,19 -3,86 -0,88 -12,23 -6,97 y250350 34,02 52,07 -2,22 -3,50 9,03 8,89 -0,16 -6,04 -1,14 2,46 2,21 4,49 -7,61 -7,36 y250450 42,69 14,60 1,72 2,16 9,77 3,99 6,53 8,44 4,65 5,76 7,25 6,72 -4,79 -2,90 y350450 29,98 52,89 -7,32 -7,05 -1,51 -6,76 -1,91 -4,84 -4,10 -0,88 -0,10 2,08 -10,59 -7,88

Rozkład strefy ciszy w falowodzie akustycznym i pomiarze błędu jako średniej ważonej z 3 mikrofonów

(tłumienie w dB) Blad 1 M1 Blad 2 M3 Blad 3 M5 M6 filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru filtr bez filtru

Mikser 15,37 19,01 -1,92 -1,56 5,29 4,67 -1,78 -2,36 4,39 4,50 10,75 6,53 4,73 0,26 Trafo 17,79 27,41 12,11 14,36 13,19 8,73 10,85 12,77 10,20 13,79 15,27 9,21 -2,25 -8,16 Turbina 10,90 11,66 2,15 0,11 -2,68 -3,61 0,23 -3,49 -1,27 2,58 5,24 2,74 -4,81 -5,85 Wentylator1 12,54 19,81 -0,63 4,10 -1,78 1,69 1,52 -1,62 0,52 3,71 5,69 7,10 -9,43 -8,65 Wentylator2 6,58 11,43 -8,65 -4,45 -1,28 -3,05 -3,07 -4,05 -5,28 3,53 2,07 1,54 -15,01 -12,04 y250350 10,21 40,97 4,36 8,02 10,39 8,71 7,88 7,03 5,52 13,82 13,78 14,77 -3,94 -5,64 y250450 17,71 39,68 6,99 3,87 5,30 0,31 5,81 11,85 3,62 7,85 8,94 3,06 -2,88 -9,53 y350450 27,37 54,57 -0,97 0,78 -0,29 -7,09 2,44 8,37 2,13 10,84 6,44 7,50 -8,15 -9,84

PodsumowanieBadania zostały przeprowadzone dla sygnałów sinusoidalnych z przedziału od 100Hz do 800Hz z rozdzielczością co 20Hz, oraz dlaszumów szeroko pasmowych nagranych urządzeń rzeczywistych.Strefa ciszy powstająca wokół mikrofonu błędu w porównaniu ze strefami ciszy powstającymi wokół pozostałych mikrofonów, posiada bardzo duży poziom tłumienia i swym zasięgiem obejmuje duży zakres częstotliwości. Maksymalny poziom tłumienia występujący w tej strefie ciszy, prawie 70dB, został wytworzony w układzie gdzie mikrofon błędu był ustawiony 6,5 cm od głośnika aktywnego. Poziom tłumienia wokół pozostałych mikrofonów w porównaniu ze strefą ciszy opisaną powyżej jest niewielki, swym zasięgiem obejmujący mały przedział częstotliwości, a dodatkowo, częstotliwości tłumione są poprzeplatane z częstotliwościami, dla których wystąpiło wzmocnienie. Z wyników badań okazało się, że najlepsze rezultaty tłumienia namikrofonach umieszczonych przy wylocie otrzymano dla układu z pomiarem błędu jako średniej z trzech mikrofonów.

Literatura:

1. Dariusz Bismor: Adaptive Algorithms for Active NoiseControl in an Acoustic Duct, Gliwice 1999.

2. Dariusz Bismor: Porównanie kilku algorytmów tłumienia hałasu w falowodzie akustycznym, Sprawozdanie na Otwarte Seminarium z Akustyki OSA’98, Poznań-Kiekrz 1998.

3. Z.Engel, G. Makarewicz, L. Morzyński, W. M. Zawieska : „Metody aktywne redukcji hałasu”, CIOP, Warszawa 2001

4. Kuo S. M., Morgan D. R.: „Active noise Control Systems”, John Wiley & Sons, New York, 1996.