Praca Dyplomowa – Magisterska

Transkrypt

Politechnika Warszawska
Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych
Instytut Radioelektroniki
Zakład Elektroakustyki
Rok akademicki 2011/2012
Praca Dyplomowa – Magisterska
Gracjan Szczęch
Opracowanie i badanie aktywnej przegrody
o zmiennej izolacyjności
Kierownik pracy:
dr inż. Maria Tajchert
Opiekun pracy:
mgr inż. Paweł Górski
Ocena: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.............................
Podpis Przewodniczącego Komisji
Egzaminu Dyplomowego
Specjalność: Radiokomunikacja i Techniki Multimedialne
Data urodzenia: 05.08.1987
Data rozpoczęcia studiów: 20.02.2007
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,
na kierunku „Elektronika, Informatyka i Telekomunikacja” o specjalizacji
„Radiokomunikacja i Techniki Multimedialne”. Dnia 18.02.2011 otrzymałem
tytuł inżyniera i kontynuowałem naukę na w/w kierunku na studiach
magisterskich.
Podczas studiów działałem aktywnie w Studenckiej Telewizji
Internetowej TVPW powstałej z ramienia Samorządu Studentów Politechniki
Warszawskiej, gdzie byłem operatorem i koordynatorem operatorów. Od
2009 do 2010 roku obejmowałem 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. Pracowałem również jako administrator
IT systemu produkcyjno-emisyjnego w telewizji OrangeSport.
.......................
Podpis
Egzamin dyplomowy:
Złożył egzamin dyplomowy w dniu: ……………………….
z wynikiem:
……………………….
Ogólny wynik studiów:
……………………….
Dodatkowe uwagi i wnioski Komisji: ……………………….
2
Streszczenie
W pracy opisano przegrodę aktywną, w której wykorzystano układ
aktywnej redukcji hałasu.
W ramach pracy zmodyfikowano stanowisko badawcze wykorzystane
w pracy inżynierskiej, złożone z falowodu akustycznego, aktywnego ustroju
dźwiękochłonno-izolacyjnego i systemu pomiarowego.
Skuteczność aktywnej redukcji hałasu wyznaczono na podstawie
badania rozkładu natężenia dźwięku emitowanego przez przegrodę oraz
pomiar ciśnienia akustycznego. W punkcie pomiaru osiągnięto obniżenie
poziomu ciśnienia akustycznego hałasu w zakresie od 0 dB do 26,1 dB.
Elaboration and research into active partition of variable
insulation.
Summary
This paper describes a sound-absorbing and insulating partition in
which the system of active noise reduction has been used.
As part of the paper, a testbed utilised in the engineering thesis
consisting of an acoustic waveguide, an active sound-absorbing and
insulating system, and a measurement system, has been modified.
The effectiveness of active noise reduction has been established by
testing the sound intensity distribution emitted by the partition and by
measuring acoustic pressure. In the metering site a fall in noise acoustic
pressure has been observed ranging from 0dB to 26,1 dB.
3
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.
4
Wykaz skrótów i oznaczeń
Skróty:
AG - Algorytm genetyczny
ARH – Aktywna Redukcja Hałasu
FIR - (ang. Finite Impulse Response) filtr o skończonej odpowiedzi
impulsowej
LMS – (ang. Least Mean Square) algorytm najmniejszych średnich
kwadratów
MFC – (ang. Macro Fiber Composite)
PZT – (ang. Plumb Circonate Titanate)
Oznaczenia:
e(n), e(t) – sygnał błędu, sygnał skompensowany
Px – moc sygnału wejściowego
x(t) – sygnał wejściowy, sygnał kompensowany
y(t) – sygnał wyjściowy, sygnał kompensujący
p0 - ciśnienie akustyczne odniesienia (20µPa)
SM - odchylenie standardowe
LAsr - uśredniony wynik pomiaru ciśnienia akustycznego, dB
Lpo - poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji
5
1.Spis treści
1.
Spis treści.................................................................................... 6
2.
Wstęp .......................................................................................... 7
3.
Cel i zakres pracy ..................................................................... 11
4.
Aktywna redukcja hałasu (ARH) ............................................. 14
4.1.
5.
Elementy wykonawcze w układach ARH ........................... 17
Model laboratoryjny przegrody aktywnej ................................ 22
5.1.
Kondycjonowanie sygnału ................................................... 24
5.2.
Układ sterowania ARH ........................................................ 26
5.3.
Algorytmy stosowane w systemach ARH ........................... 29
5.3.1. Algorytm genetyczny..................................................... 29
5.3.2. Filtr NOTCH adaptowany algorytmem LMS ................ 33
5.3.3. Sterowanie ręczne .......................................................... 36
6.
Stanowisko laboratoryjne ......................................................... 37
6.1.
Falowód akustyczny i źródło redukowanego dźwięku ........ 37
6.2.
Układ pomiarowy ................................................................ 39
7.
Badania laboratoryjne ............................................................... 51
8.
Analiza zmian skuteczności ARH ............................................ 70
8.1.
Badania wpływu zamocowania przegrody .......................... 70
8.2.
Badania wpływu zmiany konstrukcji przegrody ................. 74
8.3.
Badania wpływu zastosowanego sposobu sterowania ......... 76
8.4. Badania wpływu poziomu
ciśnienia akustycznego
emitowanego sygnału na skuteczność ARH .............................................. 79
9.
Wnioski i podsumowanie ......................................................... 82
Bibliografia ......................................................................................... 84
Załączniki ........................................................................................... 86
6
2.Wstęp
Stały rozwój przemysłu, środków transportu oraz urbanizacja
wpływają na powstawanie hałasu. Hałas zdefiniowany jest jako każdy
niepożądany dźwięk, który może być uciążliwy albo szkodliwy dla zdrowia
lub zwiększa ryzyko wypadku przy pracy [16]. Kwalifikacja dźwięku jako
hałasu bywa oceną subiektywną i indywidualną.
Hałas działa negatywnie na stan zdrowia i funkcjonowanie organizmu
biologicznego. Zaburzone zostają funkcje jego narządów i układów, przede
wszystkim narządu słuchu. Długotrwała ekspozycja na hałas o poziomie 90130 dB powoduje nieodwracalne ubytki słuchu. Zmiany fizjologiczne są tym
większe, im oddziaływanie hałasu jest dłuższe. Poziom graniczny bólu to 130
dB. Szczególne niebezpieczne są hałasy impulsowe o wysokim poziomie,
które mają miejsce np. podczas wybuchów. Stwarzają one wysokie
zagrożenie natychmiastowej utraty słuchu. Istotny jest również wpływ hałasu
na centralny układ nerwowy człowieka. Może on wywołać zmęczenie,
osłabienie, zmiany wegetatywne oraz bóle głowy.
Rys. 1. Mapy zagrożenia hałasem w Polsce. Tereny zagrożone hałasem
o poziomie ponadnormatywnym L A 60 dB, w % (po lewej); ludność zagrożona
hałasem zewnętrznym, w % (po prawej) wg J. Sadowskiego [2].
Wg szacunków, około 100 milionów mieszkańców (18%) Unii
Europejskiej narażonych jest na nadmierny hałas. W Polsce sytuacja
przedstawia się znacznie gorzej - spośród 38,6 mln mieszkańców, aż 13 mln
(33%) zagrożonych jest w/w zjawiskiem [2]. Najpowszechniejszy jest hałas
7
środków transportu i komunikacji. Możemy do niego zaliczyć hałas uliczny
(uciążliwy dla 61% badanych Polaków), osiedlowy (21%), lotniczy (8%),
kolejowy (7%) i przemysłowy (3%) [2]. Drugim ważnym miejscem
występowania hałasu jest środowisko pracy. W 2010 r. zagrożonych nim
było 199,0 tys. zatrudnionych (52,4% osobo-zagrożeń związanych ze
środowiskiem pracy) [3]. Zawodowe uszkodzenie słuchu, czyli obustronny
trwały ubytek słuchu typu ślimakowego spowodowany hałasem, wyrażony
podwyższeniem progu słuchu o wielkości co najmniej 45 dB w uchu lepiej
słyszącym, obliczony jako średnia arytmetyczna dla częstotliwości 1 kHz i 3
kHz (DzU 2002. nr 132, poz. 1115), obejmowało 11,3% wszystkich chorób
zawodowych w roku 2010 [Rys. 2].
Rys. 2. Choroby zawodowe o najwyższych współczynnikach
zapadalności w Polsce w 2010 roku.
Innym miejscem występowania niepożądanych dźwięków są budynki
mieszkalne i obiekty użyteczności publicznej. Hałasy bytowe (rozmowa,
krzyk, muzyka), instalacyjne (pompy, transformatory, dźwigarki) oraz
zewnętrzne często przekraczają dopuszczalne poziomy [2]. Na wielu
obszarach Polski panuje niekorzystny klimat akustyczny z punktu widzenia
zdrowia człowieka, a poziom hałasu znacznie przekracza dopuszczalne
wartości [Rys. 1].
Wymienione dane wskazują na zagrożenia wynikające z hałasu.
Pierwszym działaniem w celu jego eliminacji jest opracowanie odpowiednich
norm i przepisów prawnych określających wartości dopuszczalne w
8
zdefiniowanych warunkach. W Polsce jednym z aktów prawnych
stworzonych w tym celu są: ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 roku „Prawo
ochrony środowiska”, ustawa z dnia 7 lipca 1994 roku „Prawo budowlane”,
„ustawa o Inspekcji Ochrony Środowiska” z dnia 20 lipca 1991, czy kodeksie
pracy z 26 czerwca 1974 roku. Normy prawne określają maksymalne
dozwolone poziomy hałasu powiązane z maksymalnym czasem przebywania
w nim człowieka. Są one również bodźcem do wykorzystywania środków
technicznych w celu eliminacji lub redukcji hałasu.
Wśród sposobów eliminacji lub redukcji hałasu bardzo ważny jest
odpowiedni system planowania i gospodarowania przestrzennego. Pozwala to
na ograniczanie oddziaływania hałasu na określone obszary. Budynki i
pomieszczenia wymagające ciszy powinny być oddzielone od głośnych
budynków i pomieszczeń oraz grupowane według stopnia hałaśliwości. Takie
rozwiązania stosuje się przy rozmieszczeniu transformatorów elektrycznych,
czy serwerowni. W miejscach najgłośniejszych wskazane jest zastosowanie
mechanizacji i automatyki w procesie produkcyjnym. W powiązaniu z
kabinami sterowniczymi (dźwiękoizolacyjnymi) dla obsługi jest to jeden z
najbardziej skutecznych sposobów eliminacji zagrożenia hałasem, wibracją i
innymi czynnikami szkodliwymi (np. zapyleniem, wysoką temperaturą,
urazami). Większość stosowanych w przemyśle kabin zapewnia redukcję
hałasu rzędu 20-50 dB w zakresie częstotliwości powyżej 500 Hz.
Planowanie przestrzenne oraz wprowadzanie automatyzacji nie
zawsze jest możliwe. Bardzo dobre rezultaty można osiągnąć również
minimalizując emisję hałasu ze źródła. Metoda ta polega na unikaniu
procesów powodujących narażenie na hałas i zastępowanie ich innymi (np.
kucie młotem można zastąpić walcowaniem i tłoczeniem). Możliwe jest
również zmniejszenie hałaśliwości urządzeń i narzędzi poprzez stosowane
zmiany warunków aerodynamicznych i hydrodynamicznych (geometrii wlotu
i wylotu mediów energetycznych), minimalizację sił wzbudzających drgania
(wyrównoważenie elementów maszyn, zmiana oporów tarcia) oraz redukcję
współczynnika sprawności promieniowania (zmiana materiałów i wymiarów
9
elementów promieniujących energię wibroakustyczną). Metoda ta jako jedna
z niewielu ma charakter globalny.
Ograniczenie hałasu na drodze jego transmisji uzyskuje się przez
zastosowanie środków ochrony zbiorowej. Mogą to być tłumiki akustyczne,
obudowy i ekrany dźwiękochłonno-izolacyjne oraz materiały i ustroje
dźwiękochłonne. Tłumiki akustyczne zmniejszają hałas w przewodach, w
których odbywa się przepływ gazów, np. w instalacjach wentylacyjnych,
układach wlotowych i wylotowych sprężarek, dmuchaw, turbin, silników
spalinowych. Obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne instalowane są jako
zewnętrzny element maszyny, bądź jej hałaśliwej części. Wykonane z blachy
stalowej wyłożonej od wewnątrz masami tłumiącymi lub materiałami
dźwiękochłonnymi, zmniejszają poziom dźwięku o 10-25 dB. W przypadku
konieczności zastosowania w nich otworów wentylacyjnych, łączy się je z
tłumikami akustycznymi. Ekrany dźwiękochłonno-izolacyjne osłaniają
stanowiska pracy w celu wytłumienia go przed hałasem. Zbudowane są z
warstwy izolacyjnej w środku oraz warstwy dźwiękochłonnej na zewnątrz, a
ich skuteczność to ok. 5-15 dB 1,5m od ekranu. Ustroje dźwiękochłonne
zwiększają chłonność akustyczną pomieszczeń. Instalowane są na ścianach i
stropach.
Zmniejszają
poziom
ciśnienia
fal
odbitych.
Materiały
wykorzystywane do budowy w/w ustrojów to wełny szklane i mineralne oraz
porowate maty i płyty z tworzyw sztucznych. Efektywność takich rozwiązań
jest rzędu 3-7 dB spadku poziomu ciśnienia.
W miejscach, gdzie hałas nie może być wyeliminowany opisanymi
środkami technicznymi, konieczne jest stosowanie środków ochrony
indywidualnej. Ochronniki słuchu spełniają swoją rolę dla dźwięków o
natężeniu poniżej 85 dB.
Inną metodą ograniczania hałasu jest aktywna redukcja hałasu.
Opiera się ona na zjawisku wzajemnej kompensacji fal akustycznych.
Metoda ta znajduje zastosowanie dla dźwięków o częstotliwościach 20 500Hz.
10
3.Cel i zakres pracy
Niniejsza praca dyplomowa stanowi kontynuację pracy inżynierskiej
"Redukcja hałasu z wykorzystaniem aktywnego ustroju dźwiękochłonnoizolacyjnego" [1]. Obie prace dotyczą zastosowania metod aktywnych do
zwiększenia izolacyjności ustrojów dźwiękochłonno-izolacyjnych. Metody
aktywne
redukcji
hałasu
polegają
na
wzajemnej
kompensacji
fal
akustycznych źródła hałasu oraz fal akustycznych źródła wtórnego. Źródło
wtórne w postaci elementu wykonawczego wymaga dostarczenia dodatkowej
energii z zewnątrz. Element wykonawczy w systemie ARH przetwarza
elektryczny sygnał wyjściowy z układu ARH na odpowiednią wielkość
nieelektryczną. W obu pracach jako elementy wykonawcze wykorzystano
przetworniki piezoelektryczne. W odróżnieniu od głośników, przetworniki
mogą być umieszczane bezpośrednio na powierzchni elementu drgającego.
Traktując powierzchnię elementu drgającego jako źródło hałasu można
przyjąć, że redukcja hałasu ma miejsce u źródła, przez co nie jest
ograniczona
do
obszarów
lokalnych.
Przetworniki
piezoelektryczne
umieszczone bezpośrednio na powierzchni elementu drgającego (np.
obudowy dźwiękochłonno-izolacyjnej, przegrody akustycznej) wraz z
układami sterującymi mogą tworzyć aktywną przegrodę. Element pasywny
przegrody tłumi poziom składowych o wyższych częstotliwościach, zaś
system ARH z przetwornikami piezoelektrycznymi redukuje dźwięki
niskoczęstotliwościowe. Cała przegroda może zatem skutecznie obniżać
poziom sygnału szerokopasmowego.
W obu pracach skupiono się na przeprowadzeniu badań określających
zmiany izolacyjności akustycznej przegrody na skutek zastosowania w niej
systemu ARH. Przeprowadzono pomiary ciśnienia akustycznego w celu
określenia skuteczności ARH oraz pomiary natężenia dźwięku dla
wyznaczenia rozkładu natężeń dźwięku emitowanego przez przegrodę.
Natężenie
akustyczne
wyznaczone
było
na
podstawie
wyników
bezpośredniego pomiaru ciśnienia akustycznego i prędkości akustycznej.
11
Celem pracy było opracowanie przegrody aktywnej bazującej na
materiałach piezoelektrycznych do badania możliwości zastosowania jej
w
obudowach
dźwiękochłonno-izolacyjnych.
Rozwiązanie
to
eliminowałoby problemy związane z odprowadzaniem ciepła w przypadku
stosowania obudów o grubych ścianach. Badania przeprowadzono dla dwóch
modeli przegrody aktywnej.
W
pracy
inżynierskiej
[1]
aktywną
przegrodą
był
ustrój
dźwiękochłonno-izolacyjny, składający się z mosiężnej płyty o wymiarach
240x300x0,2mm oraz sterowanego przetwornika piezoelektrycznego MFC.
Pomiary ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku przeprowadzono dla
sygnałów hałasu o czterech częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250
Hz oraz trzech poziomów ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji.
Sterowanie systemem ARH odbywało się manualnie poprzez zmianę
amplitudy i opóźnienia sygnału kompensującego. W efekcie włączenia
systemu ARH osiągnięto dodatnie wartości skuteczności redukcji hałasu w
miejscu ustawienia mikrofonu błędu, w zakresie od 3 dB do 16 dB w
zależności od częstotliwości i poziomu ciśnienia kompensowanego sygnału.
Rozkład natężenia dźwięku emitowanego przez ustrój dźwiękochłonnoizolacyjny był nierównomierny.
W pracy magisterskiej zwiększono rozmiar aktywnej przegrody, jak i
ilość elementów piezoelektrycznych. Zbudowano dwa różne modele
przegród. W pierwszej zastosowano mosiężną płytę o rozmiarach 600mm x
400mm
x
0,2mm
z
naklejonymi
sześcioma
przetwornikami
piezoelektrycznymi PZT. W drugiej przegrodzie doklejono do przegrody
tłumiącą matę akustyczną o wymiarach 600mm x 400mm x 20mm.
Zastosowane w obu przegrodach przetworniki PZT są znacznie tańsze od
przetworników MFC, co ogranicza koszty zbudowania modelu przegrody. W
związku ze zwiększeniem rozmiarów modelu przegrody akustycznej
rozbudowano stanowisko laboratoryjne pracowni Aktywnych Metod
Redukcji Hałasu CIOP-PIB. Dołączono dodatkowy element falowodu o
większym przekroju. Wykonano dwa modele aktywnej przegrody. Do
pomiarów natężenia dźwięku zestawiono nową, sterowaną automatycznie
12
ramę pomiarową. Opracowano nowy kod sterujący procesem pomiarowym
uruchamiany na odpowiednio przygotowanym komputerze PC. Wykonano
pomiary skuteczności ARH dla siedmiu różnych częstotliwości: 100 Hz, 150
Hz, 200 Hz, 250 Hz, 300 Hz, 350 Hz, 400 Hz i czterech różnych poziomów
ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji: 60 dB, 65 dB, 70 dB, 75 dB.
Dla wybranych konfiguracji wykonano również pomiary natężenia dźwięku.
W pracy wykorzystano układ sterujący ARH, będący częścią wyposażenia
pracowni Aktywnych Metod Redukcji Hałasu CIOP-PIB. Zainstalowane w
nim sterowanie systemem ARH umożliwiło zastosowanie filtru FIR
adaptowanego algorytmem genetycznym oraz filtru NOTCH adaptowanego
algorytmem LMS. W celu porównania skuteczności algorytmów, sygnał
kompensujący ustawiano również manualnie. Wyniki uzyskane z pomiaru
skuteczności ARH poddano analizie, wyznaczając poziom średni oraz
odchylenie standardowe.
13
4. Aktywna redukcja hałasu (ARH)
Zasada działania aktywnej redukcji hałasu została przedstawiona na
Rys. 3. Sygnał x(t) emitowany jest przez źródło hałasu i nazwany jest
sygnałem
kompensowanym.
Sygnał
x(t)
poddawany
jest
redukcji
kompensacji z wykorzystaniem sygnału kompensującego y(t). Sygnał y(t)
emitowany jest przez dodatkowe źródło dźwięku i tworzony jest na
podstawie sygnału x(t). Sygnał x(t) ma identyczną amplitudę, lecz przeciwną
fazę w stosunku do sygnału y(t). Nałożenie sygnałów x(t) i y(t) prowadzi do
kompensacji sygnału x(t).
Rys. 3. Zasada działania aktywnej redukcji hałasu
W idealnych warunkach możliwe jest osiągnięcie całkowitej redukcji
hałasu. W warunkach rzeczywistych udaje się zmniejszyć amplitudę sygnału
e(t), otrzymanego w wyniku kompensacji sygnałów x(t) i y(t) w stosunku do
amplitudy sygnału x(t) [4]. Dzieje się tak, gdyż odchylenia amplitudy i fazy
sygnału y(t) od amplitudy i fazy sygnału y(t) powodują spadek skuteczności
układu ARH. W najgorszym przypadku możliwe jest nawet wzmocnienie
amplitudy sygnału e(t) w stosunku do amplitudy sygnału x(t). Najlepsze
rezultaty redukcji hałasu osiągane są dla niskich częstotliwości (20 Hz – 500
Hz). Fale dźwiękowe o takich częstotliwościach mają stosunkowo dużą
długość. Opóźnienie sygnału y(t) w stosunku do sygnału x(t) o jednakową
wartość
powoduje
mniejszy błąd
ustawienia
przesunięcia
sygnału.
Przykładowo opóźnienie o 0,0001 sekundy dla sygnału o częstotliwości
1000Hz powodowałoby 60% spadek skuteczności, zaś dla 100Hz jedynie 6%
spadek skuteczności. Innym ograniczeniem jest umieszczenie źródła sygnału
kompensującego w odległości większej niż długość fali redukowanej.
14
Obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego hałasu wystąpi wtedy głównie na
ograniczonym obszarze o średnicy długości fali redukowanej.
System ARH działa pod kontrolą układu sterującego. Jego zadaniem
jest przekształcenie sygnału odniesienia na sygnał kompensujący, aby po
wysterowaniu nim źródła wtórnego poziom ciśnienia akustycznego hałasu w
punkcie obserwacji był jak najmniejszy. Układ sterujący ARH zawiera
analogowe układy wejścia i wyjścia, zasilacz i część cyfrową wraz z
zaimplementowanym algorytmem. W części cyfrowej wykonywane są
obliczenia na sygnałach błędu i odniesienia przy użyciu zadanego algorytmu.
Służy on do sterowania procesem aktywnej redukcji. Obliczenia dokonane
przez układ ARH muszą być wykonane w czasie rzeczywistym, więc jego
moc obliczeniowa powinna być jak największa.
Rys. 4. Schemat układu aktywnej redukcji hałasu.[ 4]
W ARH stosowane są różne algorytmy adaptacyjne, m. in. algorytm
najszybszego spadku, algorytm najmniejszych średnich kwadratów (LMS),
rekurencyjny
algorytm
najmniejszych
kwadratów
(RLS),
algorytmy
genetyczne, sieci neuronowe.
Najpopularniejszym algorytmem adaptacyjnym stosowanym w ARH
jest LMS (least mean-square), aktualizujący współczynniki dla filtru FIR
(finite impulse response). Filtr FIR przechowuje wektor współczynników h
15
zapisanych w pewnym przedziale czasu. Na podstawie tych współczynników
generowany jest sygnał kompensujący. W systemach ARH stosowane są
różne modyfikacje algorytmu LMS w celu poprawy efektywności układu
ARH.
Algorytmy genetyczne oparte są na teorii ewolucji Karola Darwina,
sformułowanej w 1859 roku. Teoria ta opisuje zmiany organizmów
następujące pod wpływem oddziaływania z otoczeniem. Zmiany mają
prowadzić do lepszego przystosowania się organizmu do panujących
warunków i umożliwić przetrwanie danej populacji.
AG należą do grupy algorytmów heurystycznych. Łączą one elementy
przeszukiwania bezpośredniego i stochastycznego. Znajdowanie możliwe
najlepszego rozwiązania odbywa się przez jego optymalizację, a nie
przeszukanie
wszystkich wyników.
AG pozwalają
zbliżyć
się
do
optymalnego rozwiązania, chociaż nie gwarantują jego uzyskania. Inną
ważną cechą AG jest optymalizacja całej populacji potencjalnych rozwiązań.
Terminologia algorytmów genetycznych wykorzystuje słownictwo
stosowanie w naukach biologicznych:
Osobnik (łańcuch, chromosom) - ciąg genów, zbiór zakodowanych
parametrów rozwiązania problemu, będący punktem poszukiwań. Przyjęto,
że osobniki posiadają pojedyncze chromosomy – haploidalne,
Gen - pojedynczy element decydujący o jednej lub kilku jego cechach,
Populacja - zbiór osobników,
Genotyp - struktura chromosomów danego osobnika reprezentująca
potencjalne rozwiązanie zadania,
Fenotyp - zestaw wartości odpowiadający genotypowi, podlegających ocenie
środowiska,
Generacja - pojedyncze pokolenie,
Locus (pozycja) - miejsce genu w chromosomie, oznaczone liczbą,
Funkcja przystosowania - miara przystosowania danego osobnika.
Proces ewolucyjny AG polega na wytworzeniu populacji początkowej
oraz cyklicznym powtarzaniu operacji reprodukcji, krzyżowania i mutacji.
16
Pobieranie sygnałów błędu i odniesienia do układu sterującego ARH
odbywa się za pomocą elementów pomiarowych, zaś wysyłanie sygnału
kompensującego za pomocą elementów wykonawczych.
Elementy pomiarowe przetwarzają wielkości nieelektryczne na
sygnały elektryczne. W ARH jako elementy pomiarowe najczęściej stosuje
się mikrofony [4]. Ważnymi parametrami w tym przypadku są maksymalny
poziom ciśnienia akustycznego oraz stosunek sygnał/szum mikrofonu. Nie
jest wymagane stosowanie mikrofonów z płaską charakterystyką fazową i
amplitudową,
stąd
możliwe
jest
wykorzystanie
tanich
modeli
pojemnościowych lub elektretowych. W przypadku, gdy występuje problem
sprzężenia zwrotnego, uzasadnione jest wykorzystanie mikrofonu o silnie
kierunkowej charakterystyce.
4.1.
Elementy wykonawcze w układach ARH
Elementy wykonawcze w systemach ARH to najczęściej głośniki lub
elementy
piezoelektryczne
W
[4].
przypadku
głośników
ważnymi
parametrami są pasmo przenoszenia, prędkość objętościowa, wytrzymałość i
efektywność. Możliwe jest uzyskanie redukcji hałasu przekraczającej 40 dB
[4]. Nie zawsze jednak głośniki można umieścić przy źródle hałasu. W takich
sytuacjach korzystniejsze jest użycie materiałów piezoelektrycznych.
Przyłożenie pola elektrycznego do przeciwległych ścianek materiału
piezoelektrycznego
powoduje
zmianę
kształtu
materiału
(zjawisko
piezoelektryczne odwrotne), a odkształcenie materiału powoduje powstanie
ładunku elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne proste).
Stosunek pola elektrycznego do wywołanego nim odkształcenia ciała jest
liniowy i określony przez moduł piezoelektryczny d ij, wyrażony tensorem
trzeciego rzędu, gdzie:
i - kierunek pola elektrycznego,
j - kierunek normalnego obciążenia.
Wartości i oraz j oznaczane są cyframi 1, 2 i 3. Każda cyfra oznacza jeden
kierunek osi współrzędnych prostokątnych xyz. Do osi x przyporządkowana
17
jest cyfra 1, do y cyfra 2, zaś do osi z cyfra 3. Drganiom grubościowym
przyporządkowany jest moduł d33.
Elementy piezoelektryczne można przykleić na obudowie źródła
hałasu. Odpowiednie wysterowanie tych przetworników może doprowadzić
do zmniejszenia drgań elementów obudowy. Zmniejszając te drgania,
powoduje się obniżenie poziomu hałasu na całym obszarze wokół źródła
hałasu.
Rys. 5. Element wykonawczy w postaci elementu piezoelektrycznego.
Przykładem materiału piezoelektrycznego jest PZT (Plumb Circonate
Titanate). PZT to spiek tytanianu i cyrkonianu ołowiu z niewielkimi
domieszkami tlenku niklu i tlenku manganu. Wykorzystywany w pracy
przetwornik zawierający PZT składa się z mosiężnego dysku o średnicy
50 mm i grubości 0.2 mm, na który naklejony jest dysk piezoceramiczny o
średnicy 30 mm i grubości 0.22 mm (Rys. 8). Dzięki takiemu rozwiązaniu
przetwornik jest w stanie wytwarzać dźwięk. Ponadto jego elastyczność
zostaje zwiększona, gdyż sama ceramika PZT jest stosunkowo krucha.
18
Rys. 6. Przetwornik PZT – zdjęcie (po lewej) i schemat (po prawej).
Innym przykładem materiału piezoelektrycznego jest MFC (Macro
Fiber Composite). Zbudowany z niego przetwornik M-8528-P2 firmy Smart
Materials o wymiarach 106x34x0,4 [mm] wykorzystywany był w
poprzedniej pracy [1]. MFC został skonstruowany przez NASA w 1996 roku.
Stanowi połączenie:

prostokątnych włókien z piezoceramiki PZT,

polimerowej matrycy nośnej wykonanej z żywicy epoksydowej,

elektrod grzebieniowych osadzonych na taśmie poliamidowej.
Włókna PZT ułożone są równolegle względem siebie i pobudzane są
polem elektrycznym wytworzonym przez elektrody grzebieniowe. Włókna
PZT Umieszczone są wielowarstwowo, pomiędzy żywicą epoksydową,
elektrodą grzebieniową i polimidem filmu. Taka konstrukcja przetwornika
przekłada się na zwielokrotnienie efektu odkształcenia elementu MFC pod
wpływem przyłożonego napięcia. Każda kolejna elektroda zasilana jest
napięciem o przeciwnej fazie. Na Rys. 7 przedstawiona została budowa
wielowarstwowego elementu MFC z elektrodą grzebieniową.
19
Rys. 7. Budowa wielowarstwowego elementu MFC
Rys. 8. Schemat MFC
MFC w stosunku do monolitycznego PZT jest materiałem
elastyczniejszym i trwalszym. Ma większą tolerancję na uszkodzenia
zewnętrzne. Ze względu na skomplikowany proces wytwarzania i
ograniczenia patentowe, materiał ten jest znacznie droższy od PZT. Cena
jednego MFC wynosi ok. 500zł. Jeden krążek PZT, ze względu na prostą i
tanią technologię wytwarzania kosztuje poniżej 1zł.
Użycie przetworników piezoelektrycznych ograniczone jest przez
temperaturę punktu Curie. Przekroczenie tej temperatury przez przetwornik
powoduje zmianę orientacji dipoli. Prowadzi to do utraty możliwości
odkształceń
przetwornika
pod
wpływem
przykładanego
0
napięcia
0
elektrycznego. Dla PZT temperatura Curie wynosi ok. 200 C - 300 C.
Materiały piezoelektryczne w ARH wykorzystywane są między
innymi w celu tworzenia aktywnych obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych.
Obudowy takie, z racji wykorzystania materiałów pasywnych mają określone
tłumienie i izolacyjność akustyczną. Materiały piezoelektryczne, po
20
doprowadzeniu do nich energii mogą oddziaływać na materiały pasywne
zmieniając właściwości izolacyjne obudowy. Obudowy takie charakteryzują
się małą masą w stosunku do klasycznych rozwiązań oraz dobrą wymianą
ciepła z otoczeniem. Umożliwiają redukcję hałasu o 10 - 25 dB. Mogą one
być wykorzystywane do ograniczania hałasu maszyn i urządzeń, zazwyczaj
poprzez tworzenie całkowicie zamkniętych obudów. Stosuje się je np. do
agregatów
pompowych,
sprężarek,
napędów
maszyn
oraz
maszyn
automatycznych (pras automatycznych). Mogą mieć również zastosowanie w
ograniczaniu hałasu sprzętu domowego (np. zmywarek, pralek).
21
5.Model laboratoryjny przegrody
aktywnej
W
celu
weryfikacji
piezoelektrycznych
w
możliwości
obudowach
wykorzystania
materiałów
dźwiękochłonno-izolacyjnych
przeprowadzono badania skuteczności ARH na stworzonych modelach
aktywnej przegrody.
Aktywna przegroda zbudowana jest z:

materiału pasywnego (płyty mosiężnej),

materiałów piezoelektrycznych (PZT),

układów kształtowania (kondycjonowania) sygnału,

układu sterującego ARH.
Materiały
piezoelektryczne
zmieniają
izolacyjność
akustyczną
przegrody pod wpływem doprowadzanej energii.
Rys. 9.Schemat systemu redukcji hałasu z wykorzystaniem aktywnej
przegrody.
W celu przeprowadzenia badań laboratoryjnych zbudowano dwa różne
modele przegród akustycznych:

Model przegrody 1 został zbudowany z mosiężnej płyty o
wymiarach 600 mm na 400 mm. Do płyty przyklejono 6
elementów piezoelektrycznych PZT. Do elementów dolutowano
22
kable zasilające, łącząc je ze sobą równolegle. Kable zostały
podłączone do kondycjonera sygnałów sterujących, wzmacniacza
mocy STA 1508 oraz układu sterującego ARH.
Rys. 10. Schemat i zdjęcie modelu aktywnej przegrody 1.

Model przegrody 2 został zbudowany podobnie jak model
przegrody 1. Różnicą było doklejenie maty dźwiękochłonnej o
wymiarach 580 mm na 380 mm na 20 mm do materiału
pasywnego, w celu zwiększenia jego izolacyjności.
Rys. 11. Schemat i zdjęcie modelu aktywnej przegrody 2.
Zastosowanie
piezoelektrycznych
wykorzystania
w
obu
PZT
miało
znacznie
piezoelektryczne
zabezpieczyło je
zostały
modelach
na
celu
przegrody
elementów
sprawdzenie
możliwości
tańszego materiału od MFC.
przyklejone
do
materiału
Przetworniki
pasywnego,
przed uszkodzeniami mechanicznymi.
co
Klej został
23
rozprowadzony na całej powierzchni mosiężnego dysku przetwornika i
odizolował je galwanicznie od elementu pasywnego.
Poprzednie
pomiary,
w
których
uczestniczyłem
jako
współwykonawca [12] wykazały, że zwiększenie ilości użytych materiałów
piezoelektrycznych prowadzi do poprawienia skuteczności systemu ARH. Z
tego powodu zdecydowano o naklejeniu 6 elementów piezoelektrycznych dla
jednego modelu przegrody.
Przetworniki piezoelektryczne wymagają dostarczenia odpowiednich
sygnałów sterowania. W tym celu niezbędne jest przeprowadzenie obróbki
sygnału, zwanej kondycjonowaniem. Wymaga to użycia wzmacniacza oraz
kondycjonera.
5.1.
Kondycjonowanie sygnału
Sygnały
sterowania
docierające
do
przetworników
piezoelektrycznych powinny charakteryzować się odpowiednią amplitudą.
Przyjęto, że dla PZT amplituda ta powinna wynosić 100V. Ponadto sygnały
muszą być spolaryzowane napięciem dodatnim w zakresie od 0V do 30V.
Jest to związane z tym, że możliwość odkształcenia elementów
piezoelektrycznych jest większa dla napięć dodatnich, a mniejsza dla
ujemnych. Dostarczenie sygnału posiadającego składową stałą przesuwającą
punkt pracy zapobiega zniekształceniu sygnału generowanemu przez
elementy piezoelektryczne.
24
Rys. 12. Wzmacniacz mocy STA-1508 (na dole) i kondycjoner sygnałów
sterujących (na górze).
W celu przystosowania sygnałów sterowania do przetworników
piezoelektrycznych wykorzystano:

wzmacniacz mocy STA-1508,

kondycjoner sygnałów sterujących.
Kompensujący sygnał niskonapięciowy z układu ARH był wstępnie
wzmacniany za pomocą wzmacniacza STA-1508. Następnie sygnał
przesyłany był do kondycjonera sygnałów sterujących, który został
zaprojektowany i wykonany w pracowni Aktywnych Metod Redukcji Hałasu
CIOP-PIB. Kondycjoner zwiększał amplitudę napięcia sygnału sterującego i
dodawał do niego stałe napięcie polaryzujące. Kondycjoner zawiera 8 wejść
sygnałowych (We1-We8) oraz 8 wyjść (Wy1-Wy8). W pomiarach
wykorzystano tylko pierwsze wejście i wyjście, gdyż wszystkie przetworniki
piezoelektryczne określonego modelu aktywnej przegrody zostały połączone
równolegle. Schemat kondycjonera umieszczono na Rys. 13.
25
Rys. 13. Schemat blokowy kondycjonera sygnałów sterujących.
W celu zwiększenia amplitudy sygnału sterującego w kondycjonerze
użyto transformatorów, oznaczonych na Rys. 13 jako Tw1-Tw8. Elementy
obwodów prądu zmiennego oznaczono kolorem granatowym, natomiast
elementy obwodów prądu stałego kolorem fioletowym. Transformatory
wyjściowe zostały sprzęgnięte z obwodami polaryzującymi. Wytworzenie
napięć polaryzujących z zakresu od 0 V do 200 V (Upol) odbywało się za
pomocą dwóch zasilaczy, oznaczonych na Rys. 13 jako „Zasilacz1” i
„Zasilacz2”. Wartość napięcia ustalana była przy pomocy potencjometru i
kontrolowana woltomierzem LCD, zamontowanym na przednim panelu
układu. Wybór napięcia polaryzującego dla danego wyjścia sygnałowego
ustalany był za pomocą przełączników P1 – P8.
5.2.
Układ sterowania ARH
Układ sterowania ARH wykorzystany w badaniach przetwarzał
sygnały odniesienia i błędu pochodzące z mikrofonów pomiarowych i
wysyłał do elementów wykonawczych sygnał kompensujący. W efekcie jego
działania obserwowano obniżenie ciśnienia akustycznego w otoczeniu
mikrofonu błędu.
Układ sterowania ARH został zbudowany na bazie komputera PC,
pracującego pod kontrolą systemu MS-DOS. Gwarantowało to wykonywanie
wszystkich operacji w czasie rzeczywistym. Ponadto system startował w
26
krótkim czasie od jego włączenia, z racji na jego małą objętość. Komputer
wykorzystywany
był
do
generowania
sygnału
hałasu
i
sygnału
kompensującego.
Układ sterowania zawierał również:

kartę przetworników A/C i C/A Egmont Instruments LC-1015-1622,

wzmacniacz mocy,

zasilacz układów analogowych.
umieszczone w obudowie komputera PC.
Rys. 14. Uniwersalny układ sterujący – widok z przodu.
Wykorzystywana karta przetworników Egmont Instruments LC-1015-1622 zawierała 16 wejść analogowych i 2 analogowe wyjścia. Wszystkie
były obsługiwane w rozdzielczości 12 bitów i zostały podłączone do modułu
układów wejściowych i wyjściowych.
Moduł zawierający układy wejściowe służy do ukształtowania
sygnału z elementów pomiarowych przed wysłaniem go na wejście
przetwornika A/C. W każdym z układów wejściowych dodany został
antyaliasingowy filtr dolnoprzepustowy, oraz wzmacniacz dopasowujący o
regulowanym wzmocnieniu. Na płycie czołowej modułu zamieszczono
wejście bezpośrednie dla sygnałów napięciowych oraz z napięciem
27
polaryzującym zawierające przedwzmacniacz, zaprojektowane w celu
podłączania mikrofonów elektretowych.
Rys. 15. Wnętrze układu sterującego (1. karta przetworników, 2.
wzmacniacz mocy, 3. zasilacz części analogowej).
Układy wyjściowe przetwarzały sygnał wychodzący z karty
przetwornika C/A przed podaniem go na wejście wzmacniacza mocy. Każdy
kanał
wyjściowy
zawierał
układ
filtru
dolnoprzepustowego
oraz
przedwzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu.
Rys. 16. Moduł wejścia-wyjścia.
Na komputerze PC umieszczone zostało oprogramowanie do ARH,
napisane w języku C i C++. Elementy odpowiedzialne za sterowanie kartami
A/C i C/A opracowano w języku C. Pozostałe z nich, w których nie
28
występują dokładne wymagania czasowe napisano w języku C++.
Oprogramowanie umożliwia zmianę częstotliwości i amplitudy sygnałów
oraz opóźnienia sygnału kompensującego w stosunku do sygnału hałasu. W
tym celu wykorzystano realizację dwóch różnych metod sterowania:
automatyczną i ręczną. W metodzie automatycznej wykorzystano dwa
rodzaje filtrów:

filtr FIR adaptowanego z zastosowaniem algorytmu genetycznego
(AG),

5.3.
filtr NOTCH adaptowanego z zastosowaniem algorytmu LMS.
Algorytmy stosowane w systemach ARH
W pracy wykorzystano dwa algorytmy adaptacji:

algorytm genetyczny, adaptujący współczynniki filtra FIR

algorytm LMS, adaptujący współczynniki filtra NOTCH
Dla porównania wyników zastosowano także sterowanie ręczne.
5.3.1. Algorytm genetyczny
Algorytm genetyczny wykorzystywany jest do znalezienia optymalnej
postaci filtru FIR. Sposób zastosowania algorytmu genetycznego w systemie
ARH przedstawiono na Rys. 17.
29
Rys. 17. Sposób zastosowania algorytmu genetycznego w systemie
ARH.
Jak wcześniej wspomniano poszukiwanie najlepszego rozwiązania z
zastosowaniem AG polega na wytworzeniu populacji początkowej oraz
cyklicznym powtarzaniu operacjach reprodukcji, krzyżowania i mutacji.
Generowanie populacji początkowej wymaga określenia struktury
danych dla osobników. Pojedyncze rozwiązanie reprezentowane jest
najczęściej w postaci wektora. Jego składowe mogą być liczbami binarnymi,
rzeczywistymi, całkowitymi lub symbolami alfabetu. Rozmiar osobnika
zależy od ilości zmiennych i sposobu kodowania. Liczebność generowanej
populacji AG nie powinna być zbyt mała, by algorytm nie zatrzymywał się w
pewnym obszarze parametrów oraz zbyt duża, gdyż pochłonie dużo czasu i
mocy obliczeniowej. Przy generowaniu populacji początkowej istotne jest
zachowanie jak największej różnorodności osobników. Zmniejsza to ryzyko
30
zbiegania algorytmu do lokalnego maksimum, z racji tego, że AG nie posiada
żadnych informacji o błędzie względnym w stosunku do optimum.
Rys. 18. Schemat działania AG.
Populacja
początkowa
może
być
generowana
losowo
lub
deterministycznie. Dla pierwszej strategii osobniki generowane są w oparciu
o zmienną losową o rozkładzie równomiernym. Taka metoda nie zawsze jest
efektywna, gdyż nie odwołuje się do wiedzy o rozwiązywanym problemie.
Niektóre lub wszystkie osobniki mogą więc zostać specjalnie zaprojektowane
lub wyznaczone analitycznie metodą przeszukiwania przestrzeni rozwiązań.
Dla ARH generowaną populacją jest zestaw filtrów cyfrowych FIR, z
których każdy jest oddzielnym chromosomem.
Po wygenerowaniu populacji dokonywana jest ocena osobników
funkcją celu f(x) danego problemu. Argument x reprezentuje wartość
rzeczywistą chromosomu osobnika.
31
Wyniki oceny rozwiązań wykorzystywane są w kolejnym kroku
algorytmu - selekcji. Tworzony jest w nim zbiór rodziców z bieżącej
populacji, w celu wytworzenia jak najlepszych osobników potomnych.
Materiał genetyczny dający najwyższe wartości funkcji celu ma większe
prawdopodobieństwo przejścia do zbioru rodziców. Nie przekreśla to szans
przekazania materiału genetycznego gorszym rozwiązaniom, mogącym mieć
jakąś część dobrego materiału genetycznego, ale znacznie je zmniejsza.
Istnieją różne mechanizmy selekcji. W pracy wykorzystano tzw. koło ruletki
polegające
na
wybieraniu
rodziców
z
prawdopodobieństwem
proporcjonalnym do ich dostosowania. Wielkość wycinka koła ruletki dla
danego osobnika ustalana jest jako odniesienie wartości jego przystosowania
do sumy przystosowań wszystkich rozwiązań populacji. Osobniki lepiej
przystosowane mają większy wycinek koła ruletki, stąd większe są szanse ich
wylosowania do zbioru rodziców. Wadą tego rozwiązania jest duży błąd
stochastyczny selekcji.
Krzyżowanie
i
mutacja
są
podstawowymi
operatorami
genetycznymi. Podczas krzyżowania mieszane są geny osobników ze zbioru
rodziców. Prowadzi to do połączenia ich cech w chromosomach potomków.
Oczekiwane jest dziedziczenie najlepszych genów i stworzenie potomka
bardziej dostosowanego do środowiska. Dwa nowe osobniki tworzone są
poprzez losowe określenie miejsc podziału chromosomu (losowe wybranie
locus) oraz wymianę i złączenie powstałych w ten sposób podsekwencji.
Rys. 19. Rozmnażanie przez krzyżowanie.
Rolą mutacji jest zmiana wartości losowego genu wybranego
chromosomu na przeciwny. Zadaniem takiej operacji jest zagwarantowanie,
by materiał genetyczny był stale urozmaicany, a poszukiwanie rozwiązania
nie ograniczało się do lokalnych maksimów. Prawdopodobieństwo mutacji
32
powinno być bardzo małe, gdyż jego zwiększenie może powodować utratę
najlepszych rozwiązań i brak zbieżności algorytmu.
Rys. 20. Rozmnażanie przez mutację.
Po krzyżowaniu i mutacji dostępne są dwa zbiory - potomków i
rodziców. Stare pokolenie może zostać w całości zastąpione nowym. Inną
strategią jest częściowa wymiana populacji wprowadzająca rywalizację o
przetrwanie pomiędzy dwoma pokoleniami.
Każda kolejna iteracja algorytmu ma na celu reprodukcję
pożądanych rozwiązań i lepsze przystosowanie osobników do stawianego im
zadania. AG zostaje zatrzymany po określonej liczbie iteracji, bądź po
osiągnięciu z góry założonej wartości docelowej.
5.3.2. Filtr NOTCH adaptowany algorytmem LMS
Algorytm LMS zastosowano do adaptacji współczynników filtru typu
NOTCH. Filtr wycinający NOTCH umożliwia redukcję hałasu o charakterze
tonalnym. Do poprawnego działania filtru powinna być znana częstotliwość
kompensowanego tonu.
Załóżmy, że sygnał kompensowany d(n) ma postać tonu o pulsacji ω0
i przesunięciu fazy φ0:
5.1
Sygnał kompensujący wyznaczany jest na podstawie dwóch
sinusoidalnych sygnałów odniesienia przesuniętych względem siebie o 90°
(
i
), o pulsacji zgodnej z pulsacją sygnału
redukowanego:
5.2
5.3
Sygnały x1 x2 wytwarzane są przez generator zsynchronizowany ze
źródłem hałasu tonalnego.
33
W wyniku ważonego sumowania sygnałów x1, x2 (filtrowania)
powstaje jeden sygnał sinusoidalny:
5.4
Zmiana wartości amplitudy sygnałów x1 i x2 wpływa na zmianę
amplitudy i przesunięcia sygnału
dowolnego sygnału sinusoidalnego
przesu ę u faz wemu względem
. Możliwe jest więc wytworzenie
o wymaganej amplitudzie i
yg ału kompensowanego d(n).
Przykładowe przebiegi sygnałów powstałych z połączenia dwóch sygnałów
sinusoidalnych przesuniętych względem siebie o 90° i wymnożonych przez
wagi zostały przedstawione na Rys. 21.
Rys. 21. Przykładowe przebiegi sygnałów powstałych z połączenia
dwóch sygnałów sinusoidalnych przesuniętych względem siebie o 90° i
wymnożonych przez wagi.
W celu uzyskania różnych wartości amplitudy i faz sygnałów x1 i x2,
zostają one filtrowane przez wagi w0 i w1. Sygnał kompensujący y(n) ma
wtedy postać:
5.5
Wagi w0 i w1 generowane są przez algorytm najmniejszych średnich
kwadratów LMS (least mean-square) i przechowywane jako wektor. Na
34
podstawie wag generowany jest sygnał kompensujący. Wartości w0 i w1
aktualizowane są po każdym odczycie wartości sygnału błędu zgodnie z
zależnościami:
w
5.6
gdz e
5.7
µ - wartość współczynnika adaptacji,
– kolejny numer próbki.
Zminimalizowany
sygnał
błędu
e(t)
wykorzystywany
jest
jednocześnie do adaptacji wag w0 i w1.
Rys. 22. System aktywnej redukcji hałasu z filtrem NOTCH. d(n) sygnał kompensowany, y0(n) - sygnał kompensujący, e(n) sygnał błędu
AG w stosunku do algorytmu LMS adaptującego współczynniki filtru
NOTCH różnią się zasadą pracy. W przypadku algorytmu LMS kolejne kroki
iteracyjne polegają na adaptacji współczynników filtru cyfrowego. Nowe
wartości współczynników filtru wyznaczane są na podstawie starych i
korygowane są w zależności od wartości sygnału z detektora błędu. W AG
filtr cyfrowy kolejnej iteracji tworzony jest od nowa z zestawu populacji
filtrów. AG jest nie wrażliwy na chwilowe zmiany sygnału hałasu. Ponadto
algorytm ten umożliwia wybór dowolnej struktury filtru, gdyż jest od niej
niezależny.
35
5.3.3. Sterowanie ręczne
Sterowanie ręczne ARH poległo na manualnej zmianie opóźnienia
(fazy) i amplitudy sygnału kompensującego. Celem była redukcja sygnału
hałasu, w najlepszym przypadku przez osiągnięcie poziomu ciśnienia
akustycznego tła.
Rys. 23. Przebieg czasowy sygnału z mikrofonu błędu (żółty) oraz
sygnału elementu piezoelektrycznego (fioletowy) dla wyłączonego systemu
ARH (po lewej stronie) i włączonego (po prawej).
Sterowanie ręczne wymaga obserwacji poziomu ciśnienia sygnału
błędu oraz przebiegu czasowego sygnału błędu i sygnału kompensującego.
Po lewej stronie Rys. 23 widoczny jest przebieg czasowy sygnału z
mikrofonu błędu (kolor żółty) przy wyłączonym sygnale kompensującym
(kolor fioletowy). Po prawej stronie widoczny jest przebieg czasowy sygnału
z mikrofonu błędu (kolor żółty) po włączeniu i regulacji amplitudy oraz fazy
sygnału kompensującego (kolor fioletowy). Zmniejszenie amplitudy sygnału
z mikrofonu błędu (kolor żółty) po włączeniu sygnału kompensującego
oznacza zmniejszenie poziomu ciśnienia akustycznego hałasu w punkcie
pomiaru.
36
6. Stanowisko laboratoryjne
Stanowisko laboratoryjne jest elementem pracowni Aktywnych
Metod Redukcji Hałasu CIOP-PIB i składa się z:

falowodu akustycznego i źródła redukowanego dźwięku,

systemu ARH,

układu pomiarowego do pomiaru poziomu ciśnienia akustycznego
oraz natężenia dźwięku.
Rys. 24. Schemat układu pomiarowego.
6.1.
Falowód akustyczny i źródło redukowanego
dźwięku
Falowód akustyczny wykorzystywany w pracy służył do transmisji
sygnałów akustycznych od źródła hałasu do aktywnej przegrody. Fale
akustyczne biegnące wzdłuż kanału odbijały się wielokrotnie od jego granic
na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia.
Podstawowy moduł falowodu akustycznego, wykorzystanego w pracy
inżynierskiej miał długość 200 cm, a jego przekrój był kwadratem o boku
równym 40 cm. Podane wartości były wymiarami zewnętrznymi. Falowód
37
został zbudowany ze złączonych ze sobą płyt tekstolitowych, a od wewnątrz
wypełniony był kilkucentymetrową warstwą gąbki pochłaniającej dźwięk.
Ze względu na zwiększenie rozmiarów modeli aktywnej przegrody
badanej w niniejszej pracy, konieczne było rozbudowanie falowodu, tzn.
zwiększenie jego rozmiarów poprzecznych. Dołączono do niego dodatkowy
moduł o przekroju 80 cm x 80 cm i długości 72 cm. Wygląd dodatkowego
modułu przedstawiono na Rys. 25. Moduł został umieszczony na
odpowiednio wypoziomowanym stojaku i połączony z częścią główną
falowodu za pomocą 8 śrub.
Rys. 25. Wygląd dodatkowego moduł falowodu akustycznego po
zamontowaniu na stanowisku laboratoryjnym
Na wylocie dobudowanego modułu falowodu zamocowano stalową
płytę (Rys. 26) o grubości 10 mm, w której znajdowało się prostokątne okno
o wymiarach 60 cm x 40 cm. Okno to umożliwiało montaż modelu aktywnej
przegrody, której działanie było przedmiotem badań prowadzonych na
rozbudowanym stanowisku laboratoryjnym.
38
Rys. 26. Stalowa płyta z oknem prostokątnym
Falowód z drugiej strony został zamknięty głośnikiem. Głośnik
wykorzystywany był jako źródło hałasu. Został on podpięty do układu
sterującego ARH. W układzie tym generowane i wzmacniane były sygnały
sinusoidalne, służące jako hałas. Generowanie hałasu odbywało się
niezależnie od działania systemu ARH.
6.2.
Układ pomiarowy
Do rejestracji poziomu ciśnienia akustycznego wykorzystano miernik
Svan 948, widoczny na Rys. 27. Do miernika Svan podłączono mikrofon
pomiarowy, umieszczony w odległości 200 mm od modelu przegrody
aktywnej, naprzeciw jej geometrycznego środka.
39
Rys. 27. Miernik ciśnienia akustycznego SVAN 948
ARH z wykorzystaniem elementów piezoelektrycznych różni się od
tej z wykorzystaniem głośników sposobem kompensacji fal dźwiękowych. W
drugim przypadku redukcja hałasu następuje w powietrzu, zaś dla elementów
piezoelektrycznych dąży się do redukcji drgań źródła hałasu i tym samym
promieniowanego przez nie dźwięku. Istotne informacje o redukcji hałasu
przynosiła obserwacja rozkładu natężenia dźwięku emitowanego przez
przegrody.
Całkowita energia przepływająca przez powierzchnię zamkniętą
otaczającą źródło jest stała i nie zależy od odległości. Wyraża się iloczynem:
6.1
Gdzie: r – odległość od źródła energii
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:
6.2
gdzie:
- moc fali akustycznej
40
Natężenie dźwięku w konkretnym punkcie pola akustycznego jest
odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła.
Rys. 28. Rozkład natężenia dźwięku źródła kulistego [15]
Pomiar natężenia dźwięku przynosi informacje o wektorowym
charakterze pola akustycznego, tzn. o kierunkach przepływu energii.
Użyteczne metody pomiaru natężenia dźwięku były nieosiągalne aż
do 1977 roku. Wtedy powstała klasyczna metoda pomiaru. Polegała ona na
mierzeniu gradientu ciśnienia fali płaskiej na drodze między dwoma
mikrofonami skierowanymi czołowo. Wartość prędkości uzyskiwano na
podstawie obliczeń teoretycznych. Metoda była obarczona błędem fazy,
wynikającym z różnic charakterystyk fazowych mikrofonów. Sonda
pomiarowa do mierzenia natężenia była dość duża, przez co zakłócała pole
akustyczne.
Powyższe wady zostały wyeliminowane w opracowanej przez firmę
Microflown bezpośredniej metodzie pomiaru natężenia dźwięku. Polega ona
na pomiarze prędkości cząstki akustycznej i wartości ciśnienia akustycznego,
a tym samym amplitudy i fazy wektora natężenia dźwięku, zgodnie ze
wzorem:
6.3
gdzie:
p - wartość ciśnienia akustycznego,
- prędkość akustyczna cząstki.
41
Prędkość akustyczna w powyższym wzorze określa prędkość drgań
cząstki w polu fali akustycznej. Jest ona pochodną przesunięcia x cząstki po
czasie:
6.4
Jeśli
6.5
gdz e
6.6
gdzie:
– pulsacja (
f)
– amplituda przesunięcia cząstki [m]
- amplituda prędkości cząstki [m/s],
6.7
Prędkość akustyczna rośnie ze wzrostem ciśnienia i częstotliwości. Jej
wartość w porównaniu z prędkością rozchodzenia się dźwięku c jest
niewielka, dochodzi do 0,1 m/s
SondaMicroflown USP [13, 14] umożliwia bezpośredni pomiar
ciśnienia akustycznego i prędkości akustycznej w trzech kierunkach.
Zbudowana jest z trzech prostopadle umieszczonych czujników prędkości
akustycznej i jednego miniaturowego mikrofonu ciśnieniowego 1/10˝
umieszczonego w środku geometrycznym sondy. Wymiary czujnika bez
obudowy są mniejsze niż 5×5×5mm, dzięki czemu pole nie było zakłócane aż
do częstotliwości 11333 Hz [14]. Sonda posiada szeroki zakres częstotliwości
pomiarowych (~2 Hz-20 kHz), a niewielkie rozmiary czujników umożliwiają
pomiary w bliskiej odległości od elementu promieniującego dźwięk.
Wykorzystuje cztery kanały do pełnego, trójwymiarowego opisu pola
akustycznego.
Miniaturowy
mikrofon
umieszczony
w
sondzie
przetwarza
akustyczne fale dźwiękowe na sygnał elektryczny. Prędkość cząstek
powietrza w jednym z trzech czujników mierzona jest za pomocą dwóch
małych (400 razy cieńszy od ludzkiego włosa) drucików z platyny,
ogrzewanych do temperatury 2000 C. Kiedy powietrze przepływa przez
druciki, pierwszy z nich nieznacznie stygnie. Następnie drugi drucik,
42
znajdujący się za pierwszym jest chłodzony w mniejszym stopniu. Dzieje się
tak, gdyż przepływa przez niego cieplejsze powietrze, ogrzane już przez
pierwszy drucik. Różnica temperatur występująca na przewodach drucika
pierwszego i drugiego zmienia ich opór elektryczny. Powstaje różnica
napięcia, która jest proporcjonalna do prędkości cząstek akustycznych. Efekt
jest kierunkowy - w przypadku odwrócenia różnicy temperatur, zmieni się
kierunek przepływu powietrza.
Rys. 29. Czujniki prędkości akustycznej (oznaczone jako x, y, z) oraz
mikrofon ciśnieniowy w sondzie Microflown USP
Sonda Microflown może być używana do pomiarów w rzeczywistych
warunkach, z obecnymi szumami tła oraz odbiciami. Wynika to z różnicy w
polarnej reakcji ciśnienia akustycznego i prędkości cząstki akustycznej.
Mikrofon mierzący ciśnienie akustyczne ma charakterystykę dookólną.
Prędkość dźwięku jest mierzona tylko z jednej strony, więc jest wektorem i
jest kierunkowa. Podatność sondy na szumy tła w porównaniu do mikrofonu
jest mniejsza o 40 dB.
Układ do pomiaru natężenia dźwięku obejmował:

sondę natężeniową Microflown USP z układami kondycjonowania
sygnałów,

ramę pomiarową do automatycznego pozycjonowania sondy
natężeniowej,
43

komputer PC z oprogramowaniem sterującym ramą pomiarową
(Mach3)
i
oprogramowaniem
do
przetwarzania
sygnałów
pomiarowych (Matlab)

kartę dźwiękową ESI Maya 44 USB podłączoną do komputera PC.
Na stanowisku laboratoryjnym wykonywane były badania natężenia
dźwięku emitowanego przez modele aktywnej przegrody z użyciem sondy
Microflown USP.
Rys. 30. Sonda Microflown USP
Sondę Microflown połączono z 4-kanałowym kondycjonerem MFSC4. Jego zadaniem jest zasilanie sondy oraz wzmocnienie sygnałów.
Kondycjoner posiada 4 wyjścia BNC - pierwsze do przesyłania sygnału
ciśnienia akustycznego oraz trzy pozostałe do przesyłania sygnału prędkości
akustycznej. Sygnały z wyjść kondycjonera mogą być bezpośrednio
przesłane do karty dźwiękowej komputera PC.
Kondycjoner został podłączony czterema kablami z wejściami karty
dźwiękowej Maya 44 USB. W ten sposób dane o prędkościach x,y,z oraz
ciśnieniu akustycznym były przesłane do komputera PC. Oprogramowanie
umożliwiało zapis wyników z każdego punktu pomiarowego do pliku
tekstowego. Na podstawie danych zapisanych w tych plikach zostały
wygenerowane wykresy natężenia dźwięku.
W pomiarach wykorzystano metodę stałych punktów, tzn. sonda
pomiarowa umieszczana była w stałych punktach. Punkty te tworzyły siatkę
na płaszczyźnie równoległej do badanej płyty. Metoda pomiaru umożliwiała
44
graficzną analizę wektorowego opisu pola akustycznego. Na tej podstawie
przeprowadzono analizę zachodzących zjawisk wibroakustycznych. Badano
niejednorodności
pola
-
obszary
o
zróżnicowanych
poziomach
promieniowanej energii akustycznej.
Rys. 31. Metoda stałych punktów pomiarowych.[źródło: 15]
Rama pomiarowa, w której zamontowano sondę Microflown USP
została przedstawiona na Rys. 32 oraz Rys. 33. Sondę umieszczono na
dodatkowym uchwycie wysuniętym na odległość 400 mm poza płaszczyznę
ramy. Odległość sondy od powierzchni modeli aktywnej przegrody wynosiła
20 mm.
Rys. 32. Rama pomiarowa – rysunek techniczny
45
Rys. 33. Rama pomiarowa
Rama pomiarowa, widoczna jest na pierwszym planie Rys. 33. Jej
uchwyt, w którym zamontowano sondę Microflown USP połączony został z
dwoma silnikami krokowymi sterowanymi elektronicznie. Dzięki temu
możliwe jest pozycjonowanie sondy pomiarowej w zadanych punktach
pomiarowych płaszczyzny xy. Dokładność silników krokowych wynosi 0,1
mm. Z racji tego, że punkty pomiarowe powinny być rozmieszczone na
płaszczyźnie równoległej do powierzchni badanego układu, należało
dokładnie wypoziomować i ustawić ramę względem układu badanego. Do
tego celu wykorzystano poziomnicę laserową. System sterowania ramą
składał
się
z
dołączonych
do
niej
elementów
elektronicznych,
komunikujących się przez port LPT z komputerem PC. Proces przesuwania
sondy i rejestrowania wyników z kolejnych punktów pomiarowych został
zaprojektowany tak, by odbywał się automatycznie.
Komputer PC jest głównym blokiem systemu pomiarowego.
Umożliwia on sterowanie ramą pomiarową oraz przetwarzanie wyników
uzyskanych przez sondę Microflown. Komputer pracuje pod kontrolą
systemu
operacyjnego
Windows
XP.
W
celu
współpracy
z
oprogramowaniem Mach3 został poddany procesowi optymalizacji. Polegała
46
ona na wyłączeniu zaawansowanego interfejsu zarządzania konfiguracją i
energią ACPI.
W celu realizacji pomiarów ramę pomiarową z wbudowanym
elektronicznym sterownikiem silników krokowych podłączono do komputera
PC z zainstalowanym oprogramowaniem Mach3 (Rys. 34). Jest to
oprogramowanie wykorzystywane standardowo do sterowania obrabiarek
CNC. Generuje ono sekwencje sterujące dla sterownika silników krokowych
na podstawie pliku wsadowego zawierającego współrzędne kolejnych
punktów pomiarowych.
Rys. 34. Okno programu Mach3.
Na
komputerze
służącym
do
sterowania
ramą
pomiarową
zainstalowano również oprogramowanie Matlab. Służyło ono pobieraniu
danych pomiarowych z sondy. Do właściwej realizacji sekwencji pomiarowej
konieczne było zapewnienie synchronizacji programu sterującego ruchem
sondy pomiarowej i programu rejestrującego dane pomiarowe, tak aby
pomiary wykonywane były w odpowiednim czasie i punktach pomiarowych.
Taka synchronizacja mogła odbywać się jedynie na drodze sprzętowej
poprzez sygnały wysyłane lub pobierane przez oba programy do/z
odpowiednich portów komputera. Program Mach3 wykorzystywał port LPT.
Możliwe było zaprogramowanie w nim procedury, która powodowała
47
przejście do kolejnego punktu pomiarowego po podaniu na wejście portu
LPT sygnału sterującego. W programie Matlab możliwe było bezpośrednie
sterowanie parametrami portu LPT, jednak uruchomiony program Mach3
blokował dostęp do tego portu. Z tego względu zaproponowano inne
rozwiązanie problemu synchronizacji programów. Program Matlab z
wykorzystaniem kanału wyjściowego karty dźwiękowej ESI MAYA 44 USB
generował krótki sygnał tonalny o częstotliwości 500 Hz. Sygnał ten
podawany był
na
układ elektroniczny przekaźnika.
Jego schemat
przedstawiono na Rys. 35, zaś na Rys. 36 przedstawiono schemat montażowy
jego płytki drukowanej. W układzie tym sygnał był prostowany i wyzwalał
przerzutnik monostabilny zrealizowany w oparciu o układ SE555. Wyjście
przerzutnika sterowało przekaźnikiem podłączonym do sterownika silników
krokowych, symulując ogranicznik końcowy. Wygenerowanie sygnału
tonalnego powodowało zwarcie przekaźnika, co z kolei prowadziło do
wygenerowania odpowiedniego sygnału dla programu Mach3. Sygnał ten
oznaczał przejście do kolejnego punktu pomiarowego.
Rys. 35. Układ przekaźnika – schemat.
48
Rys. 36. Układ przekaźnika – schemat montażowy płytki drukowanej.
Algorytm zrealizowanego procesu pomiarowego z uwzględnieniem
sterowania ramą pomiarową przedstawiono na Rys. 37.
Rys. 37. Algorytm pomiaru natężenia dźwięku sondą Microflown USP
Sterowanie elementami elektronicznymi ramy pomiarowej odbywało
się na komputerze PC poprzez oprogramowanie Mach3 wraz z makrami
dostarczonymi przez producenta ramy. Sonda pomiarowa przesuwana była
po stałych punktach oddalonych od siebie o 40 mm. Łączna powierzchnia
pomiaru wynosiła 2400 cm2. Po ręcznym ustawieniu sondy pomiarowej w
punkcie początkowym, ładowany był do programu Mach3 kod sterujący,
zamieszczony w załączniku 2. Zaznaczenie w programie Mach3 opcji
„Ignore M calls while loading” powodowało zatrzymanie przesuwania ramy
na
czas
pomiaru
sondą.
Jednostkowy
pomiar
trwał
2
sek.
Po
przeprowadzeniu 126 pomiarów następowało generowanie wyników w
Matlabie i zakończeniu pomiaru.
Kod programu Matlab zamieszczono w załączniku 1. Jego zadaniem,
oprócz wysyłania sygnału do ramy pomiarowej, było pobieranie wyników
49
pomiaru przeprowadzonego przez sondę Microflown urządzeniem Maya 44
USB. Standardowo Matlab obsługuje tylko 2 wejścia audio. W przypadku
pobierania danych z sondy niezbędne było dostarczenie sygnału z 4 wejść
jednocześnie. Rozszerzono więc funkcjonalność programu Matlab o
dodatkowe narzędzie pa-wavplay. Umożliwiało ono obsługę dźwięku
wielokanałowego, oraz wspierało sterowniki karty dźwiękowej ASIO (Audio
Strem Input Output). Sterowniki ASIO zmniejszały opóźnienie pomiędzy
wydaniem rozkazu do komputera, a czasem reakcji podłączonych do karty
elementów. Czas ten został ograniczony do 2ms.
Karta dźwiękowa ESI Maya 44 USB pobierała sygnał wychodzący z
kondycjonera sygnału sondy Microflown czterema wyjściami analogowymi.
Jej zadaniem było przetworzenie sygnału analogowego na cyfrowy. Wysyłała
ona również krótkie sygnały tonalne do układu sterującego ramą. Karta
połączona była z komputerem PC za pomocą interfejsu USB 2.0.
Rys. 38. Karta dźwiękowa ESI Maya 44 USB
50
7. Badania laboratoryjne
W trakcie badań laboratoryjnych przeprowadzono pomiary poziomu
ciśnienia akustycznego oraz pomiary natężenia dźwięku przechodzącego
przez płytę w odległości 20 mm i 200 mm od powierzchni przegrody. Na
podstawie tych pomiarów badano skuteczność ARH, zdefiniowaną jako
różnicę poziomów ciśnienia akustycznego zmierzoną dla modeli aktywnej
przegrody z włączonym i wyłączonym systemem ARH. Pomiary poziomu
ciśnienia
akustycznego
przeprowadzone
były
w
celu
wyznaczenia
skuteczności ARH dla siedmiu różnych częstotliwości: 100 Hz, 150 Hz, 200
Hz, 250 Hz, 300 Hz, 350 Hz, 400 Hz oraz czterech różnych poziomów
sygnału w punkcie obserwacji: 60 dB, 65 dB, 70 dB, 75 dB. Za punkt
obserwacji przyjęto miejsce ustawienia mikrofonu błędu i mikrofonu
miernika Svan 948. Punkt ten znajdował się w odległości 200 mm od modelu
przegrody aktywnej, naprzeciw jej geometrycznego środka. Wszystkie
pomiary dla danej częstotliwości i danego poziomu w punkcie obserwacji
przeprowadzono od 6 do 15 razy. Z nich wyznaczono wartości średnie i
odchylenia standardowe. Im bardziej wyniki były rozbieżne, tym więcej
przeprowadzono jednostkowych pomiarów, w celu zminimalizowania
błędów pomiarowych.
Szczegółowe pomiary rozkładu natężenia dźwięku w pobliżu
przegrody przeprowadzono dla wybranych warunków, przy których
osiągnięto najwyższe skuteczności ARH podczas pomiarów poziomu
ciśnienia akustycznego.
Dla modelu przegrody 1 przeprowadzono pomiary natężenia dźwięku
w odległości 20 mm dla częstotliwości i poziomów ciśnienia akustycznego w
punkcie obserwacji zamieszczonych w Tab. 1.
51
Tab. 1. Warunki pomiarów natężenia dźwięku przeprowadzone w odległości
20mm dla modelu przegrody 1.
Częstotliwość
[Hz]
Poziom ciśnienia
akustycznego w punkcie
obserwacji [dB]
100
65
150
65
200
65
250
60
300
75
350
70
400
70
Dla modelu przegrody 2 dokonano pomiaru natężenia dźwięku w
odległości 20 mm dla częstotliwości i poziomów ciśnienia akustycznego w
punkcie obserwacji zamieszczonych w Tab. 2
Częstotliwość
[Hz]
Poziom ciśnienia
obserwacji [dB]
100
65
200
75
300
75
400
70
Dla modelu przegrody 2 dokonano również pomiaru natężenia
dźwięku w odległości 200 mm od jej powierzchni dla częstotliwości i
poziomów ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji zamieszczonych w
Tab. 3
52
Poziom ciśnienia
Częstotliwość
[Hz]
obserwacji [dB]
300
75
400
70
Wyniki pomiarów ciśnienia akustycznego uśredniono wg wzoru nr
7.1.
lg
7.1
gdzie:
n – liczba próbek w serii pomiarowej,
LAk – wynik k-tego pomiaru, dB
Na podstawie zmierzonych poziomów ciśnienia akustycznego oraz
obliczonej
wartości
średniej,
wyznaczono
wartości
odchylenia
standardowego wg wzoru nr 7.2
7.2
gdzie:
SM - odchylenie standardowe poziomu ciśnienia akustycznego
Lpi – uśredniony poziom ciśnienia akustycznego w i-tej próbie
pomiaru, w dB,
Lpm
–
średnia
arytmetyczna
wartość
poziomów
ciśnienia
akustycznego, zmierzonych dla danej częstotliwości i danego
poziomu ciśnienia w punkcie obserwacji, w dB.
Dla modelu przegrody 1 pomiary wykonano z wykorzystaniem dwóch
różnych metod sterowania: automatycznej
i
ręcznej. W metodzie
automatycznej wykorzystano dwa rodzaje adaptacji: filtru FIR adaptowanego
z zastosowaniem AG oraz filtru NOTCH adaptowanego z zastosowaniem
algorytmu LMS. Dla modelu przegrody 2 pomiary wykonano z
53
wykorzystaniem automatycznej metody sterowania z wykorzystaniem filtru
NOTCH adaptowanego z zastosowaniem algorytmu LMS.
W sterowaniu ręcznym faza i amplituda sygnału sterującego była
korygowana
manualnie
na
podstawie
pomiarów poziomu ciśnienia
akustycznego dźwięku w punkcie obserwacji miernikiem Svan 948. W
metodzie automatycznej z wykorzystaniem filtru FIR AG wykorzystywany
był w celu adaptacji parametrów filtru o 24 współczynnikach. Selekcja
dokonywana była przy użyciu koła ruletki z prawdopodobieństwem 0,6.
Zastosowano
mutację
równomierną
z
prawdopodobieństwem
0,001.
Wielkość populacji wynosiła 12.
Rys. 39. Okno programu umożliwiającego zmianę parametrów
kontrolera pracującego w oparciu o AG
Poziom tła przy pomiarach wynosił ok. 48 dB, a powodowany był
głównie przez szum układów chłodzenia aparatury pomiarowej.
Dla częstotliwości 350Hz i 400Hz nie było możliwe uzyskanie
poziomu ciśnienia akustycznego 75 dB w odległości 200 mm od powierzchni
modelu.
Sumaryczne wyniki pomiarów poziomów ciśnienia akustycznego
przedstawiono w poniższych tabelach. Jako średni czas zbiegania przyjęto
średni
czas
ustalania
sygnału
kompensującego.
Poziomy
ciśnienia
akustycznego podano wraz z odchyleniem standardowym.
W Tab. 4 podano poziomy ciśnienia akustycznego dla włączonego i
wyłączonego systemu ARH z wykorzystaniem algorytmu LMS do adaptacji
54
filtrów NOTCH dla sygnałów o różnych częstotliwościach i poziomach w
punkcie obserwacji dla modelu przegrody 1. W przypadku modelu przegrody
1 włączenie systemu ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS) powodowało
obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego w każdym punkcie pomiaru.
Osiągnięto skuteczność ARH od 3,3 do 25,6 dB.
Tab. 4. Poziom ciśnienia akustycznego i skuteczność ARH (filtr NOTCH,
algorytm LMS) dla sygnałów o różnych częstotliwościach i poziomach w
punkcie obserwacji; odległość 200 mm od modelu aktywnej przegrody 1
Średni
Częstotliwość czas
[Hz]
zbiegania
[s]
100
100
100
100
150
150
150
150
200
200
200
200
250
250
250
250
300
300
300
300
350
350
350
350
400
400
400
400
8,3
9,8
7,5
4,0
5,7
8,2
8,4
5,0
6,0
8,4
7,2
6,8
5,3
5,8
5,2
5,0
5,4
7,3
9,4
10,5
5,4
6,8
7,4
5,3
7,0
7,2
Poziom
ciśnienia
akustycznego
[dB]
ARH
wyłączona
60,5 ±1,5
65,3 ±1,3
70 ±1,3
75 ±0,7
60 ±1,0
65,3 ±0,5
70 ±0,4
75 ±0,2
60,2 ±1,3
65 ±0,9
70 ±0,7
75 ±0,4
60,1 ±0,7
65,2 ±1,0
70 ±0,5
75,1 ±0,5
60 ±0,7
65 ±0,6
70 ±0,3
75 ±0,2
60,1 ±0,4
65 ±0,3
70 ±0,6
75
60,1 ±0,7
65 ±0,5
70 ±0,2
75
Średni poziom
ciśnienia
akustycznego
Skuteczność
[dB]
ARH [dB]
ARH włączona
48,7
49,4
63,6
71,7
48,2
48,5
55,4
66,7
48,3
48,9
54,4
61,1
50,3
55,9
61,5
68,1
48,3
48,2
48,3
49,4
48,3
50,0
53,2
±0,3
±0,3
±0,1
±0,4
±0,4
±0,4
±2,2
±0,9
±0,4
±0,3
±0,2
±0,3
±0,3
±0,1
±0,1
±0,2
±0,4
±0,2
±0,4
±0,3
±0,3
±0,1
±0,2
48,6 ±0,3
52,5 ±3,0
53,5 ±0,2
11,8
15,9
6,4
3,3
11,8
16,8
14,6
8,3
11,9
16,1
15,6
13,9
9,8
9,3
8,5
7,0
11,7
16,8
21,7
25,6
11,8
15,0
16,8
±3,5
±3,2
±2,8
±2,1
±2,8
±1,7
±5,2
±2,2
±3,4
±2,5
±1,8
±1,3
±2,0
±2,2
±1,1
±1,4
±2,2
±1,6
±1,3
±1,0
±1,4
±0,8
±1,5
11,5 ±2,0
12,5 ±7,0
16,5 ±0,8
55
Jak
wcześniej
wspomniano
dla
wybranych
konfiguracji
przeprowadzono pomiary rozkładu poziomu natężenia dźwięku. Na Rys. 40.
przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od
modelu przegrody 1 dla częstotliwości 100 Hz i poziomu ciśnienia
akustycznego w punkcie obserwacji (Lpo) 65 dB przy wyłączonym i
włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS).
Rys. 40. Poziom natężenia dźwięku dla modelu przegrody 1; f = 100
Hz; L po = 65 dB z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem
ARH
Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia
dźwięku zawierały się w przedziale od 81 do 85 dB. Rozkład natężenia
dźwięku był równomierny niemal na całej powierzchni. Na krawędziach
obszaru pomiarowego widoczny był spadek poziomu natężenia o kilka dB.
Po uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 75
do 88 dB. Wraz z włączeniem ARH zmienił się rozkład natężenia. Poziom
ciśnienia akustycznego w odległości 200 mm od ustroju wynosił 65,3 dB dla
wyłączonego systemu ARH, a 49,4 dB dla włączonego.
Na Rys. 41 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w
odległości 20 mm od modelu przegrody 1 dla częstotliwości 150 Hz i
poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 65 dB przy
wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS).
56
Rys. 41. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 1; f = 150 Hz;
L po = 65 dB z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH
dźwięku wynosiły od 75 do 91 dB. Rozkład natężenia dźwięku był
nierównomierny. Na krawędziach bocznych obszaru pomiarowego widoczny
był spadek poziomu natężenia dźwięku poniżej 82 dB. Po uruchomieniu
systemu ARH poziomy natężenia dźwięku wzrosły o ok. 8 dB na całej
powierzchni przegrody. Rozkład natężenia dźwięku emitowanego przez
przegrodę był bardzo zbliżony do rozkładu uzyskanego przed włączeniem
systemu ARH. Poziom ciśnienia akustycznego zmierzonego w odległości
200 mm od ustroju wynosił 65,3 dB dla wyłączonego systemu ARH, a 48,5
dB dla włączonego.
57
nierównomierny. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia
dźwięku wynosiły od 68 dB do 83 dB. W kilku lokalnych obszarach
natężenie dźwięku wyraźnie zmniejszyło się. Rozkład natężenia dźwięku
emitowanego przez przegrodę zmienił się i był nierównomierny. Poziom
ciśnienia akustycznego zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju
wynosił 65 dB dla wyłączonego systemu ARH, a 48,9 dB dla włączonego.
58
stosunkowo równomierny. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy
natężenia dźwięku wzrosły na całej powierzchni przegrody o ok. 9 dB i
zawierały się w przedziale od 76 dB do 92 dB. Rozkład natężenia dźwięku
emitowanego przez przegrodę zmienił się. Poziom ciśnienia akustycznego
zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju wynosił 60,1 dB dla
dźwięku nie zmieniły się znacząco i zawierały się w przedziale od 71 dB do
90 dB. Włączenie systemu ARH spowodowało zmianę rozkładu natężenia
dźwięku emitowanego przez przegrodę. Poziom ciśnienia akustycznego
zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju wynosił 75 dB dla
59
dźwięku wynosiły od 73 dB do 83 dB. Rozkład natężenia dźwięku
emitowanego przez przegrodę był zbliżony do rozkładu uzyskanego przed
włączeniem systemu ARH. Poziom ciśnienia akustycznego zmierzonego w
odległości 200 mm od ustroju wynosił 70 dB dla wyłączonego systemu ARH,
a 53,2 dB dla włączonego.
Na Rys. 46 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku 20
mm od modelu przegrody 1 dla częstotliwości 400 Hz i poziomu ciśnienia
akustycznego w punkcie obserwacji 70 dB przy wyłączonym i włączonym
systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS).
60
dźwięku wynosiły od 73 do 82 dB. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy
natężenia dźwięku zawierały się w przedziale od 73 dB do 81 dB.
Zaobserwowano zmniejszenie poziomów natężenia dźwięku. Rozkład
natężenia dźwięku emitowanego przez przegrodę był zbliżony do rozkładu
uzyskanego przed włączeniem systemu ARH. Poziom ciśnienia akustycznego
zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju wynosił 70 dB dla
W dalszej kolejności przeprowadzono analogiczne pomiary poziomu
ciśnienia akustycznego dla dwóch kolejnych wersji sterowania układem
aktywnym.
W Tab. 5 podano poziomy ciśnienia akustycznego dla włączonego i
wyłączonego systemu ARH z wykorzystaniem filtru FIR adaptowanego z
zastosowaniem AG oraz skuteczność aktywnej redukcji hałasu dla sygnałów
o różnej częstotliwości i poziomie ciśnienia akustycznego w punkcie
obserwacji dla modelu przegrody 1. W przypadku modelu przegrody 1 i
układu ARH z wykorzystaniem filtru FIR adaptowanego z zastosowaniem
AG włączenie systemu ARH prawie zawsze powodowało obniżenie się
poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie pomiaru. Dla poziomu ciśnienia
akustycznego 75 dB i częstotliwości 100Hz oraz 250Hz skuteczność ARH
była równa zeru. W pozostałych przypadkach osiągnięto skuteczność ARH
od 2 dB do 24,1 dB.
61
Tab. 5. Poziom ciśnienia akustycznego i skuteczność ARH (filtr FIR, AG) dla
sygnałów o różnej częstotliwości i poziomie w punkcie obserwacji; odległość
200 mm od modelu aktywnej przegrody 1
Średni
[Hz]
zbiegania
[s]
100
100
100
100
150
150
150
150
200
200
200
200
250
250
250
250
300
300
300
300
350
350
350
350
400
400
400
400
64,0
21,3
22,7
21,3
24,0
49,3
27,2
40,0
46,7
36,0
52,0
29,3
69,3
21,3
30,7
44,0
52,0
54,7
61,3
48,0
34,7
38,7
45,3
41,6
Poziom
ciśnienia
akustycznego
[dB]
ARH
wyłączona
60,5 ±1,5
65,3 ±1,3
70 ±1,3
75
60 ±1,0
65,3 ±0,5
70 ±0,4
75 ±0,2
60,2 ±1,3
65 ±0,9
70 ±0,7
75 ±0,4
60,1 ±0,7
65,2 ±1,0
70 ±0,5
75,1
60 ±0,7
65 ±0,6
70 ±0,3
75 ±0,2
60,1 ±0,4
65 ±0,3
70 ±0,6
75
60,1 ±0,7
65 ±0,5
70 ±0,2
75
Średni poziom
ciśnienia
akustycznego
Skuteczność
[dB]
ARH [dB]
ARH włączona
50,6
60,1
66,9
75
50,3
53,5
53,7
72,3
54,0
49,9
50,2
52,9
50,2
59,7
68,0
75,1
48,7
48,5
48,8
50,9
48,1
49,4
52,0
75
53,0
61,0
65,2
±1,0
±0,5
±0,3
±0,6
±0,4
±1,2
±0,1
±1,1
±0,5
±0,3
±0,5
±0,2
±0,7
±0,1
±0,8
±0,4
±0,4
±0,3
±0,4
±0,7
±0,7
±0,6
±0,4
±0,5
9,9
5,2
3,1
0
9,7
11,8
16,3
2,7
6,2
15,1
19,8
22,1
9,9
5,5
2,0
0
11,3
16,5
21,2
24,1
12,0
15,6
18,0
0
7,1
4,0
4,8
±4,9
±3,5
±3,2
±3,2
±1,7
±3,1
±0,6
±4,7
±2,9
±2,1
±1,9
±1,9
±3,5
±1,3
±2,9
±2,0
±1,4
±0,9
±1,6
±2,1
±2,5
±2,6
±1,9
±1,3
W Tab. 6 podano poziomy ciśnienia akustycznego oraz skuteczność
ARH dla włączonego i wyłączonego systemu ARH z wykorzystaniem
manualnej zmiany amplitudy i fazy dla sygnałów o różnej częstotliwości i
poziomie ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji dla modelu
przegrody 1. Dla modelu przegrody 1 i układu ARH z wykorzystaniem
manualnej zmiany amplitudy i fazy włączenie systemu ARH prawie zawsze
62
powodowało obniżenie się poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie
pomiaru. Jedynie dla poziomu ciśnienia akustycznego 75 dB i częstotliwości
250Hz skuteczność ARH była równa zeru. W pozostałych przypadkach
osiągnięto skuteczność ARH od 4,2 dB do 20,1 dB.
Tab. 6. Poziom ciśnienia akustycznego i skuteczność ARH (manualne
ustawienia) dla sygnałów o różnej częstotliwości i poziomie w punkcie
obserwacji; odległość 200 mm od modelu aktywnej przegrody 1
Średni
[Hz]
zbiegania
[s]
100
100
100
100
150
150
150
150
200
200
200
200
250
250
250
250
300
300
300
300
350
350
350
350
400
400
400
400
-
Poziom
ciśnienia
akustycznego
[dB]
ARH
wyłączona
60,5 ±1,5
65,3 ±1,3
70 ±1,3
75 ±0,7
60 ±1,0
65,3 ±0,5
70 ±0,4
75 ±0,2
60,2 ±1,3
65 ±0,9
70 ±0,7
75 ±0,4
60,1 ±0,7
65,2 ±1,0
70 ±0,5
75,1 ±0,5
60 ±0,7
65 ±0,6
70 ±0,3
75 ±0,2
60,1 ±0,4
65 ±0,3
70 ±0,6
75
60,1 ±0,7
65 ±0,5
70 ±0,2
75
Średni poziom
ciśnienia
akustycznego
Skuteczność
[dB]
ARH [dB]
ARH włączona
49,1
52,5
58,3
68,3
48,1
49,5
57,7
70,8
48,6
50,3
53,8
60,4
49,3
50,9
55,2
63,1
49,9
49,8
51,5
54,9
50,9
51,8
51,8
±0,3
±0,5
±0,2
±0,1
±0,3
±0,4
±0,3
±0,3
±0,3
±0,3
±0,3
±0,1
±0,4
±0,3
±0,2
±0,2
±0,5
±0,4
±0,2
±0,1
±0,4
±0,4
±0,3
51,4 ±0,6
56,5 ±0,1
60,8 ±0,1
11,4
12,8
11,7
6,7
11,9
15,8
12,3
4,2
11,6
14,7
16,2
14,6
10,8
14,3
14,8
12,0
10,1
15,2
18,5
20,1
9,2
13,2
18,2
±3,6
±3,6
±3,1
±1,6
±2,6
±1,8
±1,4
±1,1
±3,1
±2,3
±2,0
±0,9
±2,2
±2,6
±1,4
±1,5
±2,5
±1,9
±1,0
±0,6
±1,6
±1,4
±1,8
8,7 ±2,7
8,5 ±1,3
9,2 ±0,6
W Tab. 7 podano poziomy ciśnienia akustycznego oraz skuteczność
ARH dla włączonego i wyłączonego systemu ARH z wykorzystaniem filtru
63
NOTCH adaptowanego z zastosowaniem algorytmu LMS dla sygnałów o
różnej częstotliwości i poziomie ciśnienia akustycznego w punkcie
obserwacji dla modelu przegrody 2. W przypadku modelu przegrody 2
włączenie systemu ARH powodowało obniżenie się poziomu ciśnienia
akustycznego w punkcie pomiaru. Osiągnięto skuteczność ARH od 3,3 do
26,1 dB.
64
Tab. 7. Poziom ciśnienia akustycznego i skuteczność ARH (filtr NOTCH,
algorytm LMS) dla sygnałów o różnej częstotliwości i poziomie w punkcie
obserwacji; odległość 200 mm od modelu aktywnej przegrody 2
Średni
[Hz]
zbiegania
[s]
100
100
100
100
150
150
150
150
200
200
200
200
250
250
250
250
300
300
300
300
350
350
350
350
400
400
400
400
7,3
10,7
5,9
4,0
10,3
17,3
20,9
8,8
4,4
6,0
7,8
10,0
9,2
14,0
11,6
6,2
4,7
6,4
7,3
9,5
5,0
5,0
5,8
4,6
6,7
10,0
Poziom
ciśnienia
akustycznego
[dB]
ARH
wyłączona
60,5 ±1,5
65,3 ±1,3
70 ±1,3
75 ±0,7
60 ±1,0
65,3 ±0,5
70 ±0,4
75 ±0,2
60,2 ±1,3
65 ±0,9
70 ±0,7
75 ±0,4
60,1 ±0,7
65,2 ±1,0
70 ±0,5
75,1 ±0,5
60 ±0,7
65 ±0,6
70 ±0,3
75 ±0,2
60,1 ±0,4
65 ±0,3
70 ±0,6
75
60,1 ±0,7
65 ±0,5
70 ±0,2
75
Średni poziom
ciśnienia
akustycznego
Skuteczność
[dB]
ARH [dB]
ARH włączona
49,3
52,6
60,4
70,5
50,4
53,9
59,7
68,6
48,1
48,3
48,3
48,9
50,2
53,4
59,3
68,3
48,6
48,4
49,9
51,9
56,6
62,2
64,2
±0,5
±0,4
±0,4
±0,3
±0,3
±0,3
±0,6
±0,4
±0,5
±0,3
±0,4
±0,5
±0,5
±0,1
±0,2
±0,3
±0,4
±0,4
±0,5
±0,5
±0,4
±0,1
±0,2
49,2 ±0,5
50,0 ±0,8
52,2 ±0,4
11,2
12,7
9,6
4,5
9,6
11,4
10,3
6,4
12,1
16,7
21,7
26,1
9,9
11,8
10,7
6,8
11,4
16,6
20,1
23,1
3,5
2,8
5,8
±4,0
±3,3
±3,4
±2,0
±2,6
±1,7
±2,0
±1,2
±3,5
±2,4
±2,3
±1,8
±2,4
±2,3
±1,3
±1,6
±2,2
±2,0
±1,6
±1,4
±1,5
±0,9
±1,5
10,9 ±2,3
15,0 ±2,6
17,8 ±1,2
65
nierównomierny. Widoczne były lokalne minima i maksima natężeń, jak i
spadków (np. na krawędziach bocznych). Po uruchomieniu systemu ARH
poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 78 do 91 dB. Widoczne były dwa
duże obszary wzmocnienia natężenia dźwięku. Wektory prędkości cząstki
akustycznej miały zbliżone wartości. Poziom ciśnienia akustycznego
66
natężenia dźwięku wzrosły na całej powierzchni przegrody o ok. 5 dB i
zawierały się w przedziale od 77 dB do 91 dB. Rozkład natężenia dźwięku
emitowanego przez przegrodę zmienił się. Poziom ciśnienia akustycznego
dźwięku wzrosły o ok. 8 dB i zawierały się w przedziale od 83 dB do 91 dB.
Włączenie systemu ARH spowodowało zmianę rozkładu natężenia dźwięku
emitowanego przez przegrodę. Poziom ciśnienia akustycznego zmierzonego
w odległości 200 mm od ustroju wynosił 75 dB dla wyłączonego systemu
ARH, a 51,9 dB dla włączonego.
67
natężenia dźwięku wzrosły o ok. 11 dB i zawierały się w przedziale od 82 dB
do 93 dB. Rozkład natężenia dźwięku emitowanego przez przegrodę zmienił
się w stosunku do rozkładu uzyskanego przed włączeniem systemu ARH.
Poziom ciśnienia akustycznego zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju
wynosił 70 dB dla wyłączonego systemu ARH, a 52,2 dB dla włączonego.
Rys. 51. Poziom natężenia dźwięku zmierzony w odległości 200 mm od
modelu przegrody 2; f = 300 Hz; L po = 75 dB z wyłączonym (po lewej) i
włączonym (po prawej) systemem ARH
68
dźwięku wynosiły od 77 do 80 dB, a jego rozkład był dość równomierny. Po
uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia dźwięku zmniejszyły się o
kilka dB i wynosiły od 74 dB do 78 dB. Rozkład natężenia dźwięku w obu
przypadkach był podobny. Poziom ciśnienia akustycznego zmierzonego
miernikiem SVAN w odległości 200 mm od ustroju wynosił 70 dB dla
poziomie ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 70 dB przy
Rys. 52. Poziom natężenia dźwięku zmierzony w odległości 200 mm od
modelu przegrody 2; f = 400 Hz; L po = 70 dB z wyłączonym (po lewej) i
włączonym (po prawej) systemem ARH
dźwięku wynosiły od 75 do 78 dB, a jego rozkład był dość równomierny. Po
uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia dźwięku zmniejszyły się w
pasie wzdłuż jednej z przekątnych przegrody, zaś w pozostałych miejscach
uległy zwiększeniu. Amplituda natężeń dźwięku po włączeniu systemu ARH
wzrosła o 6 dB. Poziomy natężenia dźwięku zawierały się w przedziale od 72
do 81 dB. Poziom ciśnienia akustycznego zmierzonego miernikiem SVAN w
odległości 200 mm od ustroju wynosił 70 dB dla wyłączonego systemu ARH,
a 52,2 dB dla włączonego.
69
8.Analiza zmian skuteczności ARH
W obecnej pracy przeprowadzono:
8.1.

badania wpływu zamocowania modelu przegrody bez ARH,

badania wpływu zmiany konstrukcji modelu przegrody,

badania wpływu zastosowanego sposobu sterowania,

badania wpływu poziomu hałasu.
Badania wpływu zamocowania przegrody
W ramach analizy wpływu zamocowania przegrody sprawdzono
rozkład natężenia dźwięku emitowanego przez falowód akustyczny bez
zamocowanej przegrody. Następnie wykonano pomiary natężenia dźwięku z
wyłączonym systemem ARH w zależności od stopnia dokręcenia przegrody
do stalowej płyty z oknem prostokątnym oraz sprawdzono powtarzalność
wyników.
Mocowanie aktywnej przegrody na stanowisku laboratoryjnym
przedstawiono na Rys. 53.
Rys. 53. Stalowa płyta z oknem prostokątnym
70
Rys. 54. Zestawiony do badań, rozbudowany falowód z dołączoną ramą
stalową i z przykręconą przegrodą aktywną .
Pomiary natężenia dźwięku emitowanego u wylotu falowodu
przeprowadzono dla sygnału o częstotliwości 100Hz i poziomie ciśnienia
akustycznego 90 dB zmierzonego w odległości 200 mm od wylotu falowodu.
Wyniki pomiaru przedstawiono na Rys. 55.
Rys. 55. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu
falowodu bez zamontowanej przegrody; f = 100 Hz; L po = 90 dB
Na
całej
powierzchni
wylotu
falowodu
poziom
ciśnienia
akustycznego i natężenia dźwięku był prawie stały. Występujące wahania
w/w wartości na krawędziach nie przekroczyły 3 dB. Prędkości akustyczne
zmierzone w kierunkach x i y (kierunki prostopadłe do osi falowodu) były
wielokrotnie niższe niż w kierunku z (równoległym do osi falowodu).
Sprawdzono również wpływ dokręcenia przegrody na rozkład
natężenia emitowanego dźwięku. Dokonano pomiaru poziomu ciśnienia
akustycznego oraz poziomu natężenia dźwięku modelu przegrody 1 dla
sygnałów o częstotliwości 100 Hz i 200 Hz i o poziomie ciśnienia
akustycznego 75 dB zmierzonego w odległości 200 mm od wylotu falowodu
71
dla dwóch konfiguracji. W pierwszej wszystkie śruby były odkręcone o 180 0
w stosunku do maksymalnego dokręcenia (Rys. 56, Rys. 57). Dla drugiej
konfiguracji przegroda była dokręcona z maksymalną siłą (Rys. 58, Rys. 59).
Rys. 56. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku przy
powierzchni modelu przegrody 1 dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i o
poziomie dźwięku 90 dB oraz z dla śrub odkręconych o 180 0 w stosunku do
maksymalnego dokręcenia
Rys. 57. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku przy
powierzchni modelu przegrody 1; f = 200 Hz; L po = 90 dB oraz z dla śrub
odkręconych o 180 0 w stosunku do maksymalnego dokręcenia
Rys. 58. Poziom natężenia dźwięku przy powierzchni modelu
przegrody 1 dla; f = 100 Hz; L po = 90 dB dla śrub odkręconych z maksymalną
siłą (dwie oddzielne próby).
72
przegrody 1; f = 200 Hz; L po = 90 dB dla śrub odkręconych z maksymalną siłą
(dwie oddzielne próby).
Pomiary wykazały wyraźne różnice poziomu natężenia dźwięku
emitowanego przez niedokręcony model przegrody 1. Amplituda natężenia
dźwięku osiągała wartości 15 dB dla częstotliwości 100 Hz i 200 Hz. Przy
maksymalnym dokręceniu śrub różnice poziomu natężenia na całym obszarze
były małe i nie przekroczyły 5 dB.
W celu sprawdzenia powtarzalności wyników w zależności od
ponownego przykręcania modelu przegrody 1 dokonano pomiaru poziomu
natężenia dźwięku dla czterech prób przykręceń. Pomiary wykonano dla
trzech różnych częstotliwości: 100 Hz, 200 Hz oraz 300 Hz i dla poziomu
ciśnienia akustycznego równego 90 dB, zmierzonego w odległości 200 mm
od wylotu falowodu. Wybrane wyniki przedstawiono na Rys. 58, Rys. 59
oraz Rys. 60.
przegrody 1; f = 300 Hz; L po = 90 dB dla śrub odkręconych z maksymalną siłą
(dwie oddzielne próby).
73
Dla częstotliwości 100 Hz (Rys. 58) wyniki uzyskane przy kolejnych
próbach dokręcenia modelu przegrody 1 były niemal identyczne. Dla 200 Hz
(Rys. 59) i 300 Hz (Rys. 60) widoczne są nieznaczne różnice sięgające 3 dB,
np. dla częstotliwości 200 Hz delikatne obniżenie poziomu natężenia
dźwięku występowało na różnych krawędziach. Niemniej widoczna jest
tendencja zachowania zbliżonego rozkładu natężenia dźwięku emitowanego
przez model przegrody 1 dla w/w częstotliwości przy różnych próbach
dokręcenia.
8.2.
Badania wpływu zmiany konstrukcji
przegrody
Badania wpływu zmiany konstrukcji przegrody przeprowadzono na
modelu przegrody 1 i modelu przegrody 2. Do sterowania układem ARH
zastosowano filtr NOTCH o współczynnikach adaptowanych algorytmem
LMS.
Skuteczność ARH [dB]
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
Przegroda 1
4,0
Przegroda 2
2,0
0,0
100
150
200
250
300
Częstotliwość [Hz]
350
400
Rys. 61. Wpływ zmiany konstrukcji przegrody na skuteczność ARH;
L po = 60 dB.
74
18,0
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
Przegroda 1
Przegroda 2
100
150
200
250
300
350
400
Rys. 62. Wpływ zmiany konstrukcji przegrody na skuteczność ARH;
L po = 65 dB
25,0
20,0
15,0
Przegroda 1
10,0
Przegroda 2
5,0
0,0
100
150
200
250
300
350
400
Rys. 63. Wpływ zmiany konstrukcji przegrody na skuteczność; L po =
70 dB.
Analiza wyników przedstawiona na Rys. 61, Rys. 62, Rys. 63 oraz
Rys. 64 wskazuje na nierównomierność skuteczności ARH dla dwóch modeli
przegród przy różnych częstotliwościach. Model przegrody 1 lepiej
redukował najniższe częstotliwości (100 Hz i 150 Hz). Jedynie dla Lpo = 70
dB wynik skuteczności modelu przegrody 1 był gorszy o 3 dB. Wyraźnie
widoczna jest różnica przy 350 Hz dla wszystkich poziomów ciśnienia
akustycznego w punkcie obserwacji. Dla modelu przegrody 1 osiągnięto
skuteczność ARH wynoszącą 16,8 dB, a dla modelu przegrody 2 5,8 dB, co
daje wynik gorszy o 11 dB. Dla obu modeli przegród charakterystyczny jest
spadek skuteczności dla częstotliwości 250 Hz. Model przegrody 2 wykazuje
75
ponadto lepszą skuteczność dla poziomu ciśnienia akustycznego 70 dB w
punkcie obserwacji przy częstotliwości 200 Hz.
30,0
25,0
20,0
15,0
Przegroda 1
10,0
Przegroda 2
5,0
0,0
100
150
200
250
300
350
400
Rys. 64. Wpływ zmiany konstrukcji przegrody na skuteczno ść ARH;
L po = 75 dB.
Model przegrody 1 gwarantował bardziej stabilne wyniki w całym
spektrum badanych częstotliwości. Z tego powodu wybrano go w celu
dalszych badań.
8.3.
Badania wpływu zastosowanego sposobu
sterowania
W celu określenia wpływu zastosowanego sterowania systemem ARH
na skuteczność ARH wykorzystano dwie różne metody sterowania:
automatyczną i ręczną. W metodzie automatycznej wykorzystano dwa
rodzaje filtru sterującego:

filtr
FIR
adaptowany
z
zastosowaniem
algorytmu
genetycznego (AG)

filtr NOTCH adaptowany z zastosowaniem algorytmu LMS
Analizę skuteczności sposobu sterowania przedstawiono na Rys. 65,
Rys. 66, Rys. 67 oraz Rys. 68. Dla niektórych częstotliwości wyniki dla
wszystkich sposobów sterowania były podobne (np. dla 300 Hz, 350 Hz), a
różnice w skuteczności wynosiły do 3 dB dla wszystkich poziomów ciśnienia
akustycznego w punkcie obserwacji. W pozostałych przypadkach uzyskane
wyniki były różne.
76
Najniższe skuteczności najczęściej osiągano przy zastosowaniu filtru
FIR adaptowanym z zastosowaniem AG. Może to być spowodowane przez
zbyt małą liczbę wygenerowanych populacji, bądź przez rodzaj użytego
filtra cyfrowego. Inną wadą AG był kilka razy dłuższy czas ustalania sygnału
kompensującego, w porównaniu do algorytmu LMS. Osiągane wartości
skuteczności ARH wykazywały dodatkowo większe odchylenie standardowe.
Dla częstotliwości 250Hz najwyższe wyniki osiągnięto sterowaniem
manualnym. Dla innych częstotliwości sterowanie manualne było mniej
skuteczne, co było prawdopodobnie związane ze zbyt dużym krokiem zmian
fazy i częstotliwości sygnału kompensującego.
Najwyższe wartości skuteczności były osiągane dla filtru NOTCH
adaptowanego algorytmem LMS. Różnice w porównaniu do AG sięgały 11
dB (dla częstotliwości 100Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie
obserwacji 65 dB). W porównaniu do sterowania manualnego różnice
skuteczności były mniejsze i nie przekraczały 6 dB. Ponadto przy sterowaniu
algorytmem LMS nie zaobserwowano sytuacji zerowej skuteczności ARH,
co miało np. miejsce dla innych metod sterowania przy sygnale o
częstotliwości 250Hz i poziomie ciśnienia akustycznego w punkcie
obserwacji 75 dB.
14,0
12,0
10,0
8,0
AG
6,0
LMS
4,0
Manualny
2,0
0,0
100
150
200
250
300
350
400
Rys. 65. Wpływ zmiany algorytmu sterującego na skuteczność ARH;
L po = 60 dB.
77
18,0
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
AG
LMS
Manualny
100
150
200
250
300
350
400
L po = 65 dB.
25,0
20,0
15,0
AG
10,0
LMS
Manualny
5,0
0,0
100
150
200
250
300
350
400
L po = 70 dB.
30,0
25,0
20,0
15,0
AG
10,0
LMS
Manualny
5,0
0,0
100
150
200
250
300
350
400
Rys. 68. Wpływ zmiany algorytmu sterującego na skuteczność ARH; L po = 75
dB.
78
8.4.
Badania wpływu poziomu ciśnienia
akustycznego emitowanego sygnału na skuteczność
ARH
Przeprowadzone pomiary poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie
umieszczenia mikrofonu błędu wykazały, że włączenie systemu ARH prawie
zawsze wpływało na obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego. Uzyskane
wartości skuteczności ARH osiągały wartości od 2,8 dB do 26,1 dB. Brak
redukcji hałasu zaobserwowano jedynie dla sterowania wykorzystującego
filtr FIR z AG przy częstotliwościach 100 Hz oraz 250 Hz dla poziomu
ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 75 dB.
W zakresie niskich częstotliwości obserwowany był spadek
skuteczności ARH wraz ze wzrostem poziomu ciśnienia akustycznego w
punkcie
obserwacji.
dostarczały
Zastosowane
wystarczającej
mocy.
przetworniki
Próba
piezoelektryczne
zwiększenia
nie
wzmocnienia
elementów piezoelektrycznych powodowała dodatkowo wygenerowanie
wyższych harmonicznych. To z kolei powodowało spadek skuteczności
ARH, gdyż pomimo redukcji niskich częstotliwości, wyższe harmoniczne
powodowały wzrost poziomu ciśnienia akustycznego
Największe skuteczności ARH osiągnięto dla częstotliwości 200 Hz
modelu przegrody 2 - osiągały one wartość 26,1 dB. Tak wysoka skuteczność
została również osiągnięta dla modelu przegrody 1 przy częstotliwości 300
Hz i wynosiła 25,6 dB.
Pomiary przeprowadzone sondą Microflown wykazały, że osiągnięcie
dodatniej wartości skuteczności ARH mierzonej punktowo w większości
przypadków nie przekładało się na zmniejszenie poziomów rozkładu
natężenia
dźwięku
emitowanego
przez
modele
przegród.
Często
obserwowany był wzrost poziomów natężenia dźwięku na całej jej
powierzchni. Dla modelu przegrody 1 i częstotliwości 250Hz oraz poziomu
ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 65 dB wzrost ten wynosił ok. 9
dB. Jednocześnie zmierzona skuteczność systemu ARH dla tej konfiguracji
wyniosła 9,3 dB, co może wskazywać, że przegroda stawała się dodatkowym
źródłem dźwięku.
79
Wystąpiły również przypadki, w których amplituda natężenia
dźwięku zmieniła się w bardzo małym stopniu, natomiast zmiana rozkładu
natężenia dźwięku emitowanego przez przegrodę wpłynęła na zredukowanie
hałasu w miejscu ustawienia mikrofonu błędu. Taka sytuacja miała miejsce
np. dla modelu przegrody 1 przy częstotliwości 300 Hz i poziomie ciśnienia
akustycznego w punkcie obserwacji 75 dB, gdzie osiągnięto skuteczność
ARH 25,6 dB. Podobnie przedstawiała się sytuacja dla modelu przegrody 2,
dla częstotliwości 200 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie
obserwacji 75 dB, gdzie osiągnięto skuteczność 26,1 dB. W tym przypadku
zmienił się rozkład natężenia dźwięku emitowanego przez przegrodę oraz
poziomy natężenia dźwięku o ok. 5 dB.
W niektórych pomiarach osiągnięcie dodatniej skuteczności ARH
wiązało się ze zmniejszeniem natężenia dźwięku emitowanego przez
przegrodę (Rys. 40, Rys. 42, Rys. 46). Miało to miejsce np. dla modelu
przegrody 1, przy częstotliwości 100Hz i poziomie ciśnienia akustycznego w
punkcie obserwacji 65 dB oraz przy częstotliwości 400Hz i poziomie
ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 70 dB. Osiągnięto kolejno
skuteczności ARH wynoszące 15,9 dB oraz 16,5 dB.
Dla wybranych pomiarów, w których poziomy natężeń dźwięku przy
powierzchni przegrody zwiększyły się, przeprowadzono pomiary natężenia
dźwięku w odległości 200 mm od przegrody. Miały one miejsce dla modelu
przegrody 2 oraz częstotliwości 300Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w
punkcie obserwacji 75 dB oraz częstotliwości 400Hz i poziomu ciśnienia
akustycznego w punkcie obserwacji 70 dB. Rozkłady natężeń dźwięku w
odległości 200 mm od przegrody (Rys. 51, Rys. 52) różniły się od rozkładów
natężeń dźwięku w odległości 20 mm od przegrody (Rys. 49, Rys. 50).
Rozkłady natężeń dźwięku w odległości 200 mm potwierdziły redukcję
hałasu w miejscach umieszczenia mikrofonu błędu. Może to prowadzić do
wniosku, że przetworniki PZT w niektórych przypadkach zmniejszały hałas
w miejscu ustawienia mikrofonu błędu, działając na zasadzie dodatkowego
źródła dźwięku (Rys. 41, Rys. 43, Rys. 47, Rys. 48, Rys. 49, Rys. 50). Mogło
80
się to wiązać z nieszczelnością ścianek falowodu, na co wskazywał
zmierzony poziom ciśnienia przy jego ścianach
81
9.Wnioski i podsumowanie
Celem pracy była analiza możliwości zastosowania materiałów
piezoelektrycznych do obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych aby zwiększyć
ich izolacyjności.
Wykorzystując zmodyfikowane stanowisko badawcze kontynuowano
pomiary skuteczności ARH wykonane podczas pracy inżynierskiej [1] z
zastosowaniem materiałów piezoelektrycznych. W pracy magisterskiej
zwiększono wymiary przegrody, zastosowano większą liczbę elementów
wykonawczych oraz w modelu przegrody 2 zastosowano dodatkowe
pasywne elementy pochłaniające dźwięk. Mierzono poziom ciśnienia
akustycznego w odległości 200 mm od powierzchni przegrody aktywnej oraz
poziom natężenia dźwięku w odległości 20 mm od przegrody aktywnej.
Pomiary zrealizowano z wyłączonym i włączonym systemem ARH przy
różnych rodzajach sterowania. Przeprowadzono je od 6 do 15 razy dla
sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250
Hz, 300 Hz, 350 Hz, 400 Hz oraz czterech poziomach ciśnienia akustycznego
w punkcie obserwacji: 60 dB, 65 dB, 70 dB, 75 dB zmierzonych w odległości
200 mm od przegrody aktywnej. W punkcie położenia mikrofonu błędu
prawie we wszystkich przypadkach osiągnięto dodatnie skuteczności ARH,
osiągające wartości od 2,8 dB do 26,1 dB. W pobliżu ustroju obserwowano
wzmocnienie lub osłabienie natężenia dźwięku, jak również zmianę rozkładu
natężenia dźwięku emitowanego przez przegrodę. Aktywna przegroda w
pewnych sytuacjach działała jako dodatkowe źródło dźwięku.
Przeprowadzono analizę skuteczności systemu ARH dla dwóch
modeli przegród. Pomiary wykazały, że wykorzystując model przegrody 1
(bez naklejonej maty dźwiękochłonnej) osiągano wyższe skuteczności ARH
dla większości badanych częstotliwości (Rys. 61, Rys. 62, Rys. 63, Rys. 64).
Zbadano wpływ zastosowanego algorytmu sterującego na skuteczność
ARH. Wykorzystano dwa rozwiązania sterowania automatycznego: z filtrem
NOTCH adaptowanym z zastosowaniem algorytmu LMS oraz z filtrem FIR
adaptowanym z zastosowaniem AG oraz sterowanie ręczne. Wyniki
82
przeprowadzonych badań wskazują na najlepszą skuteczność ARH oraz
najkrótszy czas
jej
osiągania
przez
filtr
NOTCH adaptowany z
zastosowaniem algorytmu LMS. W przypadku filtru FIR adaptowanego z
zastosowaniem AG wyniki skuteczności ARH były gorsze nawet o 11 dB.
Problemem w przypadku AG był również długi czas ustalania sygnału
kompensującego. Zaletą AG była poprawa stabilności systemu ARH w
przypadku nagłych, nieprzewidzianych zmian parametrów hałasu lub
środowiska akustycznego. Związane było to ze sposobem działania AG,
który po ustaleniu parametrów algorytmu przechodził do trybu pracy, w
którym współczynniki filtra nie podlegały adaptacji
Dla częstotliwości 100Hz i 150Hz obserwowany był maksymalny
poziom dźwięku, po którego przekroczeniu następował gwałtowny spadek
skuteczności ARH. Było to związane z brakiem wystarczającej mocy użytych
materiałów piezoelektrycznych.
Przeprowadzone
badania
wykazały,
że
celowe
jest
zastosowanie materiałów piezoelektrycznych do konstrukcji aktywnych
obudów
dźwiękochłonno-izolacyjnych
zwiększające
ich
izolacyjność
akustyczną. Ich zastosowanie musi jednak zostać poprzedzone bardziej
szczegółowymi badaniami.
83
Bibliografia
1.
Szczęch G. - Redukcja hałasu z wykorzystaniem aktywnego ustroju
dźwiękochłonno-izolacyjnego, Warszawa 2011
2.
Komitet Akustyki Polskiej Akademii Nauk, Centralny Instytut Ochrony
Pracy - Państwowy Instytut Badawczy - Ochrona środowiska przed
hałasem w Polsce w świetle przepisów europejskich; opracowanie
zbiorowe pod redakcją Zbigniewa W. Engela i Jerzego Sadowskiego,
Warszawa 2005
3.
Główny Urząd Statystyczny, Warunki pracy w 2010 r., Warszawa 2011
4.
Engel Z. i inni; Metody aktywne redukcji hałasu, CIOP, Warszawa 2001.
5.
Makarewicz G., Wybrane cyfrowe systemy aktywnej redukcji hałasu,
CIOP-PIB, Warszawa 2002.
6.
prof. dr hab. inż Zenon Jagodziński, Przetworniki ultradźwiękowe,
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1997
7. Smart Material - MFC, http://www.smart-material.com/MFC-productmain.html, 8.01.2012
8. Macro
Fiber
Composite
(MFC)
brochure,
http://www.smart-
material.com/media/Datasheet/MFC-V2.0-2011-web.pdf, 8.01.2012
9.
Makarewicz G., Zawieska W., Zastosowanie algorytmów genetycznych
do aktywnej redukcji hałasu, BEZPIECZEŃSTWO PRACY - nauka i
praktyka, 2003, nr 1, s. 4-6
10. Michalewicz Z. Algorytmy genetyczne + struktury danych = programy
ewolucyjne, WNT, Warszawa, 1996
11. Gwiazda T. Algorytmy genetyczne Kompendium t.1, PWN/Mikom,
Warszawa 2009
12. Górski P., Morzyński L., Sprawozdanie z realizacji pracy: Opracowanie
modelu aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego o zmiennych
tłumieniu i izolacyjności, CIOP-PIB, 2009 – 2010
13. Microflown
Technologies,
USP
Regular,
http://www.microflown.com/products/standard-probes/usp-regular.html,
10.01.2012.
84
14. Microflown
Technologies,
Sound
Intensity
Measurments,
http://www.microflown.com/files/media/library/books/microflown_eboo
k/ebook_5_intensity.pdf, 11.01.2012
15. Weyna S. Rozpływ energii akustycznych źródeł rzeczywistych,
Warszawa, 2005
16. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 5 sierpnia 2005 r. w
sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy pracach związanych z
narażeniem na hałas lub drgania mechaniczne (Dz. U. Nr 157, poz. 1318
z dnia 19 sierpnia 2005 r.)
85
Załączniki
Załącznik 1.Kod programu Matlab realizujący rejestrację
danych z sondy i generującym wyniki
clear all
clc
%Ustawienie danych pomiarowych
m_f = 100; %[Hz] mierzona częstotliwość
m_l = '75'; %[dB] mierzony poziom
m_s = 'OFF'; %ON-OFF stan systemu ARH
m_u = 'Zplyta'; %Oznaczenie mierzonego ustroju
nx = 14; %ilość punktów pomiarowych w osi x (poziomej)
ny = 9; %ilość punktów pomiarowych w osi y (pionowej)
%całkowity czas pomiaru 14:11 - czasy to=2.1, t1=2 t2=1 t3=1.01
%całkowity czas pomiaru 13:01 - czasy to=1.57, t1=2 t2=1 t3=1.01
t0 = 3; %[s] czas ustalenia sondy (2)
t1 = 2; %[s] czas pojedynczego pomiaru (2)
dx = 600; %[mm] wymiar x powierzchni pomiarowej
dy = 400; %[mm] wymiar y powierzchni pomiarowej
p_min = 60; %[dB]
p_max = 120; %[dB]
v_min = 0; %[mm/s]
v_max = 250; %[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 = 0.4926; %[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';
%devicetype = 'win';
86
correction_ch1 = 10000*1.079746;
correction_ch2 = 40*1.081119;
nsamples = time * samplerate;
%Generacja sygnału dźwiękowego
t=1;
% czas próbki [s]
freq = 500; %[Hz] częstotliwośc sygnału sin
xx=(0:1/samplerate:t-(1/samplerate));
yy=sin(2*pi()*xx*freq)+ sin(2*pi()*xx*10*freq);
ny_start=1;
ny_end=ny;
nx_start=nx;
nx_end=1;
d = 1;
%Ustawienie startowe sondy
disp('Ustawienie startowe sondy1');
buffer(:,2) = yy';
pa_wavplay(buffer, samplerate, deviceid, devicetype);
pause(t0);
pause(t0);
for i = nx_start:-1:nx_end
for n = ny_start:d:ny_end
clc;
%Przesunięcie sondy
disp(['Moving: (x,y) => (' int2str(i) ',' int2str(n) ')']);
buffer(:,2) = yy';
pa_wavplay(buffer, samplerate, deviceid, devicetype);
pause(t0);
disp(['Measuring: (x,y) => (' int2str(i) ',' int2str(n) ')']);
%Pobieranie próbek
inputbuffer = pa_wavrecord(firstchannel, lastchannel, nsamples, samplerate,
deviceid, devicetype);
p =correction_ch1*inputbuffer(:,1)/sensitivity_p; %[Pa]
p_sr(n,i) = sqrt(sum((p).^2)/length(inputbuffer));
lp(n,i)=20*log10((sqrt(sum(p.^2)/length(inputbuffer)))/po);
v1=correction_ch2*inputbuffer(:,2)/sensitivity_v1; %[m/s]
v1_sr(n,i) = 1000*sqrt(sum((v1).^2)/length(inputbuffer));%[mm/s]
v=sqrt(v1.^2+v2.^2+v3.^2);%[m/s]
v_sr(n,i) = 1000*sqrt(sum((v).^2)/length(inputbuffer));%[mm/s]
I=sqrt(sum((p.*v).^2)/length(inputbuffer));
Iz=sqrt(sum((p.*v3).^2)/length(inputbuffer));
li(n,i)=10*log10(I/Io);
liz(n,i)=10*log10(Iz/Io);
87
disp(['Stop measurement']);
disp(['Moving probe - next point']);
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_sr);
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_sr);
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_sr);
grid on,
shading('interp');
c=[v_min v_max];
caxis(c);
title('Prędkość akustyczna [mm/s] - oś y');
xlabel('[mm]');
ylabel('[mm]');
colorbar;
subplot(2,2,4);
pcolor(x,y,v3_sr);
grid on,
shading('interp');
c=[v_min v_max];
caxis(c);
title('Prędkość akustyczna [mm/s] - oś z');
xlabel('[mm]');
88
ylabel('[mm]');
colorbar;
saveas(figure1,[m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_a.fig'])
saveas(figure1,[m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_a.bmp'])
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,liz);
grid on;
shading('interp');
hold on;
quiver(x,y,v1_sr,v2_sr,'black');
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_sr);
grid on,
shading('interp');
c=[v_min v_max];
caxis(c);
title('Prędkość akustyczna w osi z [mm/s]');
xlabel('[mm]');
ylabel('[mm]');
colorbar;
subplot(2,2,4);
pcolor(x,y,v_sr);
grid on,
shading('interp');
c=[v_min v_max];
caxis(c);
title('Prędkość akustyczna [mm/s]');
xlabel('[mm]');
ylabel('[mm]');
89
colorbar;
saveas(figure2,[m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_b.fig'])
saveas(figure2,[m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_b.bmp'])
%
% %Zapisywanie danych
save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_lp.txt'], 'x', 'lp', '-ASCII');
save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_li.txt'], 'x', 'liz', '-ASCII');
save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_p.txt'], 'x', 'p_sr', '-ASCII');
save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_gain' m_l '_' m_s '_v1.txt'], 'x', 'v1_sr', '-ASCII');
90
Załącznik 2. Kod programu Mach3 do sterowania położenia
sondy pomiarowej
f1000
M200
G1 x40 y40
G1 x40 y80
G1 x40 y120
G1 x40 y160
G1 x40 y200
G1 x40 y240
G1 x40 y280
G1 x40 y320
G1 x40 y360
G1 x80 y360
G1 x80 y320
G1 x80 y280
G1 x80 y240
G1 x80 y200
G1 x80 y160
G1 x80 y120
G1 x80 y80
G1 x80 y40
G1 x120 y40
G1 x120 y80
G1 x120 y120
G1 x120 y160
G1 x120 y200
G1 x120 y240
G1 x120 y280
G1 x120 y320
G1 x120 y360
G1 x160 y360
G1 x160 y320
G1 x160 y280
G1 x160 y240
G1 x160 y200
G1 x160 y160
G1 x160 y120
G1 x160 y80
G1 x160 y40
G1 x200 y40
G1 x200 y80
G1 x200 y120
G1 x200 y160
G1 x200 y200
G1 x200 y240
G1 x200 y280
G1 x200 y320
G1 x200 y360
G1 x240 y360
G1 x240 y320
G1 x240 y280
G1 x240 y240
G1 x240 y200
G1 x240 y160
G1 x240 y120
G1 x240 y80
G1 x240 y40
G1 x280 y40
G1 x280 y80
G1 x280 y120
G1 x280 y160
G1 x280 y200
G1 x280 y240
G1 x280 y280
G1 x280 y320
G1 x280 y360
G1 x320 y360
G1 x320 y320
G1 x320 y280
G1 x320 y240
G1 x320 y200
G1 x320 y160
G1 x320 y120
G1 x320 y80
G1 x320 y40
G1 x360 y40
G1 x360 y80
G1 x360 y120
G1 x360 y160
G1 x360 y200
G1 x360 y240
G1 x360 y280
G1 x360 y320
G1 x360 y360
G1 x400 y360
G1 x400 y320
G1 x400 y280
G1 x400 y240
G1 x400 y200
G1 x400 y160
G1 x400 y120
G1 x400 y80
G1 x400 y40
G1 x440 y40
G1 x440 y80
G1 x440 y120
G1 x440 y160
G1 x440 y200
G1 x440 y240
G1 x440 y280
G1 x440 y320
G1 x440 y360
G1 x480 y360
G1 x480 y320
G1 x480 y280
G1 x480 y240
G1 x480 y200
G1 x480 y160
G1 x480 y120
G1 x480 y80
G1 x480 y40
G1 x520 y40
G1 x520 y80
G1 x520 y120
G1 x520 y160
G1 x520 y200
G1 x520 y240
G1 x520 y280
G1 x520 y320
G1 x520 y360
G1 x560 y360
G1 x560 y320
G1 x560 y280
G1 x560 y240
G1 x560 y200
G1 x560 y160
G1 x560 y120
G1 x560 y80
G1 x560 y40
91
OŚWIADCZENIE
Oświadczam, że Pracę Dyplomową pod tytułem „Opracowanie i
badanie aktywnej przegrody o zmiennej izolacyjności”, którą kierowała
dr inż. Maria Tajchert, wykonałem samodzielnie, co poświadczam
własnoręcznym podpisem.
.........................
Gracjan Szczęch
92

Praca Dyplomowa – Magisterska

Transkrypt

Podobne dokumenty

Matla G._Referat_SYSTEM LEKKIEGO SZKIELETU STALOWEGO