Устройство для активного гашения акустических шумов в вентиляционных каналах
DEVICE FOR ACTIVE DAMPING OF ACOUSTIC NOISE IN VENTILATION CHANNELS

Изобретение относится к средствам защиты от акустического шума, вызванного работающими системами вентиляции в жилых помещениях и в подвижных объектах.
Известно устройство для активного гашения акустического шума, содержащее возбудитель акустического поля (громкоговоритель), нагруженный на среду, и соответствующий акустический приемник давления (микрофон), расположенный напротив этого громкоговорителя. Инвертирующий усилитель и компенсатор включены в цепь обратной связи, в состав которой входят и громкоговоритель и микрофон, причем выход микрофона соединен с входом предварительного усилителя с электрически управляемым коэффициентом передачи, выход предварительного усилителя соединен с входом компенсатора, выход компенсатора соединен с входом инвертирующего усилителя, к выходу которого подключен громкоговоритель, а управляющий вход предварительного усилителя соединен с выходом формирователя управляющего напряжения, вход которого соединен с выходом микрофона.
Выходное напряжение микрофона поступает одновременно на вход предварительного усилителя с электрически управляемым коэффициентом передачи и на вход формирователя управляющего напряжения, обеспечивая возможность адаптивного изменения коэффициента передачи цепи обратной связи под действием управляющего напряжения, соответствующего перепадам воздушного давления (Патент США №5848169, МПК: G11K 11/00, 1998 г.). Недостатком данного устройства является его низкая эффективность снижения шума из-за невозможности быстрой адаптации устройства при изменениях уровня шума в вентиляционных системах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство, содержащее размещенный в герметичном корпусе громкоговоритель, излучающая поверхность которого расположена заподлицо в отверстии стенки вентиляционного канала перпендикулярно его оси, приемник давления, расположенный внутри вентиляционного канала вблизи излучающей поверхности громкоговорителя, электрически соединенный цепью обратной связи, включающий последовательно соединенные предварительный усилитель с электрически управляемым коэффициентом передачи, компенсатор и инвертирующий усилитель мощности, соединенный с излучателем (Патент РФ №2363992 МПК G10K 11/178 от 22.08.2008 г.).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность активного гашения акустических шумов, особенно при его установке в выходном сечении системы вентиляции.
Устройство для активного гашения является излучателем вторичного звукового поля, который формирует звуковую волну, инвертированную по амплитуде и фазе по отношению к падающей (первичной) за сечением, в котором установлено устройство.
В вентиляционном канале перед громкоговорителем образуются стоячие звуковые волны, образованные первичным и вторичным звуковыми полями.
Размещенный в герметичном корпусе громкоговоритель в прототипе является излучателем монопольного типа и эквивалентен «мягкой» границе, т.е. коэффициент отражения звуковых волн по давлению близок к (-1). Вблизи громкоговорителя со стороны падающей (первичной) звуковой волны образуется узел стоячей волны, что существенно снижает уровень полезного сигнала на управляющем микрофоне (примерно в с/4πfL раз, где f - частота, L - расстояние между микрофоном и громкоговорителем, с - скорость звука, по отношению к уровню звукового давления в падающей волне). При наличии шумовых помех в канале это приводит к снижению соотношения сигнал/шум на микрофоне, большим отклонениям управляющего сигнала от оптимального значения и, как следствие, снижению эффективности гашения шума.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности гашения шума в вентиляционном канале за счет повышения отношения «сигнал-шум» при измерении результирующего действия шума вентиляционной системы и сигнала громкоговорителя.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для активного гашения акустических шумов в вентиляционных каналах, содержащем размещенный в корпусе громкоговоритель, излучающая поверхность которого расположена заподлицо в отверстии стенки вентиляционного канала перпендикулярно его оси, приемник давления, расположенный внутри корпуса громкоговорителя вблизи излучающей поверхности громкоговорителя, электрически соединенный цепью обратной связи, включающей последовательно соединенные предварительный усилитель с электрически управляемым коэффициентом передачи, компенсатор и инвертирующий усилитель мощности, соединенный с громкоговорителем, причем корпус громкоговорителя выполнен с круглым отверстием, расположенным по оси вентиляционного канала вблизи громкоговорителя, и совпадающим с отверстием стенки вентиляционного канала, при этом диаметры отверстий в корпусе громкоговорителя и вентиляционного канала выполнены одинаковыми, а расстояния между осями громкоговорителя и отверстия в корпусе не превосходят одной шестой длины волны на верхней граничной частоте подавляемого акустического шума.
Изобретение поясняется рисунком, на котором представлен эскиз устройства для активного гашения акустических шумов в вентиляционных каналах.
Устройство для активного гашения акустических шумов в вентиляционных системах содержит громкоговоритель 1, установленный в вентиляционном канале 2 заподлицо в отверстии стенки вентиляционного канала 2 перпендикулярно его оси, корпус 3 с круглым отверстием 4, совпадающим с отверстием стенки вентиляционного канала 2, приемник давления (микрофон) 5, соединенный последовательно с предварительным усилителем 6 с электрически управляемым коэффициентом передачи, компенсатором 7 и инвертирующим усилителем мощности 8, соединенным с громкоговорителем 1.
Работа устройства активного гашения акустических шумов в вентиляционных каналах происходит следующим образом. Акустические волны, вызванные шумом вентилятора, распространяются по вентиляционному каналу 2 и через отверстие 4 и излучающую поверхность громкоговорителя 1 достигают приемника давления (микрофона) 5. Электрическое напряжение, снимаемое с микрофона 5, усиливается предварительным усилителем 6 с электрически управляемым коэффициентом передачи и через компенсатор 7 поступает на инвертирующий усилитель мощности 8, соединенный с громкоговорителем 1. Громкоговоритель 1, размещенный в герметичном корпусе 3 с круглым отверстием 4 является излучателем дипольного типа и акустически эквивалентен жесткой границе, т.е. коэффициент отражения звуковых волн по давлению близок к +1. Вблизи устройства со стороны падающей (первичной) звуковой волны образуется пучность стоячей волны, что увеличивает уровень звукового давления на управляющем микрофоне 5 на 6 дБ по отношению к уровню звукового давления в падающей волне. При этом расстояния между осями громкоговорителя и отверстия в корпусе составляют много меньше длины волны на верхней граничной частоте подавляемого акустического шума. Увеличение уровня звукового давления на микрофоне 5 на 6 дБ дает возможность увеличить отношение «сигнал-шум» в два раза и, тем самым, повысить точность управляющего сигнала на громкоговорителе 1. Размещение микрофона внутри корпуса 3 обеспечивает уменьшение воздействия на него помехи - пульсаций давления турбулентного потока в воздуховоде. Таким образом, данное устройство активного гашения звука существенно, в несколько раз увеличить динамический диапазон управления системы гашения шума, что позволяет расширить полосу подавляемых колебаний и тем самым повысить эффективность снижения шума.