СИСТЕМА АКТИВНОГО ШУМОПОДАВЛЕНИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
SYSTEM OF ACTIVE NOISE DAMPING AND ITS APPLICATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системам активного шумоподавления, обеспечивающим активное ослабление по меньшей мере одной первичной звуковой волны, излучаемой первичным возбудителем, за счет особого расположения вторичных возбудителей, обеспечивающих уменьшение прохождения звуковых волн через открытую граничную область между двумя объемами. Кроме того, изобретение относится к компоновке системы активного шумоподавления, к способу активного подавления звуковых волн и к применению системы активного шумоподавления, предназначенной для активного ослабления звуковых волн в частично открытом контролируемом объеме.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как хорошо известно в технике, звуковые волны, в частности помеховые звуковые волны, такие как шумы, могут быть подавлены либо пассивными средствами с использованием шумопоглощающих устройств, либо активными средствами с использованием систем активного шумоподавления (АШП).
Известные системы АШП, в принципе, действуют следующим образом:
Первичный возбудитель, например источник шума, возбуждает по меньшей мере одну первичную звуковую волну, имеющую, например, синусоидальную форму. Для того чтобы снизить уровень этой помеховой первичной звуковой волны или даже полностью подавить ее при активном шумоподавлении, на эту первичную звуковую необходимо наложить вторичную звуковую волну или волну шумоподавления, имеющую такую же амплитуду и частоту, но фаза которой сдвинута на 180°. Для этой цели используется регулирующее устройство АШП. В этом регулирующем устройстве осуществляется обработка опорного сигнала, синхронного с первичной звуковой волной, который вырабатывается опорным датчиком, и сигнала ошибки, который измеряется датчиком ошибки, например соответствующим микрофоном, и в результате формируется вторичный сигнал, частота которого равна частоте опорного сигнала, а амплитуда и фаза отличаются. Этот вторичный сигнал подается во вторичные возбудители звуковых волн, например в громкоговорители, которые преобразуют вторичный сигнал в волну или волны шумоподавления. Затем суммарные волны снова измеряются датчиком ошибки, и процесс регулирования продолжается таким образом, чтобы минимизировать суммарную звуковую волну.
Известно, например, как это указывается в докладе "Настоящее и будущее промышленного применения активного шумоподавления", сделанном на конференции "ACTIVE-04", состоявшейся в г.Вильямсбург, штат Вирджиния, 20-22 сентября 2004 г.(Группа активного подавления шумов и вибраций, факультет машиностроения, университет г.Аделаида, штат Южная Австралия 5005, Австралия, chansen@mecheng.adelaide.edu.au), об использовании системы АШП для ослабления или снижения уровня звуковых волн в трубе, которая представляет собой полуоткрытый объем с двумя открытыми зонами прохождения звука. Однако это простая система, которая используется для случая распространения волны в одном измерении, и система активного ослабления звуковых волн может быть легко реализована размещением внутри трубы одного вторичного возбудителя.
Кроме того, известны способы и системы активного ослабления звуковых волн в закрытом объеме.
В докладе "Активное шумоподавление на палубе самолета "Hercules С-130", также сделанном в рамках конференции "ACTIVE-04", состоявшейся в г.Вильямсбург, штат Вирджиния, 20-22 сентября 2004 г. (Jon Gorman, Richard Hinchliffe и Ian Stothers, подразделение компании "Ultra Electronics Controls", Витриум Билдинг, Сейнт-Джонс инновейшн парк, Каули Роуд, г.Кембридж, СВ4 0WS, Англия, jon.Gorman@ultracontrols.aero), описывается система АШП, которая обеспечивает снижение уровня шумов в локальных зонах замкнутого объема, а именно внутри фюзеляжа самолета, или уменьшает первичные звуковые волны в локальных зонах.
В докладе "Активное шумоподавление для окон с тройным стеклопакетом", сделанном в рамках 33-го "Международного конгресса по технологиям подавления шума" (Inter-noise 2004), проходившего 22-25 августа 2004 г. в г.Прага, Чешская Республика (A.Jakob, R.Bauers, М.Moser, Институт прикладной акустики, Технический университет г.Берлин, Эйнштейнуфэр 25, D-10587, г.Берлин, Германия, andre.jakob@tu-berlin.de). описывается система АШП для окна с тройным стеклопакетом. В этом случае также активное снижение уровня первичных звуковых волн осуществляется в замкнутом объеме между двумя стеклами окна с тройным стеклопакетом. В этой системе вторичные возбудители звуковых волн размещены на границе пространства между двумя стеклами для снижения уровня звуковых волн внутри закрытого контролируемого объема. В этом случае может быть уменьшено прохождение звука через закрытое окно в находящееся за ним пространство.
Недостатком вышеописанных систем является то, что активное подавление звуковых волн возможно либо только в закрытых контролируемых объемах, либо в объемах с простой геометрической формой, в которых волны распространяются лишь в одном измерении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечение эффективного активного подавления первичных звуковых волн, которые распространяются в нескольких направлениях в контролируемом объеме или пространстве, которое по меньшей мере частично открыто, причем подавление звуковых волн осуществляется не только в локальных зонах, но и во всем контролируемом объеме.
Эта цель может быть достигнута с помощью системы активного шумоподавления с особым расположением вторичных возбудителей звуковых волн для уменьшения уровня звука, проходящего через открытую зону, разграничивающую два объема, с характеристиками, указанными в независимом п.1 формулы изобретения; кроме того, цель настоящего изобретения может быть достигнута использованием компоновки системы активного шумоподавления, способа активного ослабления звуковых волн и применением системы активного шумоподавления для активного ослабления звуковых волн в заданном объеме, который является открытым по меньшей мере частично, с характеристиками, указанными в других независимых пунктах формулы.
Предлагаемая в настоящем изобретении система активного шумоподавления содержит по меньшей мере одно регулирующее устройство, по меньшей мере один датчик ошибки, по меньшей мере один опорный датчик и один или несколько вторичных возбудителей. Вторичные возбудители предназначены для излучения звуковых волн, обеспечивающих шумоподавление (волны шумоподавления). Датчик ошибки, который соединен с регулирующим устройством, измеряет суммарные звуковые волны и передает измеренный сигнал ошибки в регулирующее устройство по соответствующей линии связи. Датчик опорного сигнала, который также соединен с регулирующим устройством, измеряет первичную звуковую волну и передает соответствующий опорный сигнал в регулирующее устройство по соответствующей линии связи. Регулирующее устройство, к которому подключены возбудители вторичных звуковых волн, обрабатывает сигнал ошибки и опорный сигнал и вырабатывает вторичный сигнал, который передается по соответствующим линиям связи в возбудители для осуществления управления ими в соответствии с сигналом ошибки таким образом, чтобы возбудители излучали звуковые волны, обеспечивающие уменьшение сигнала ошибки для достижения оптимального ослабления первичной звуковой волны.
В такой схеме возбудители вторичных звуковых волн располагают таким образом, чтобы они находились на границе прохода, который является открытым по меньшей мере частично и содержит границу, и через него проходят первичные звуковые волны для того, чтобы обеспечивать активное ослабление первичных звуковых волн с помощью волн шумоподавления, которые формируют "акустическую завесу" по меньшей мере в той части пространства, которая находится за проходом и которая является открытой по меньшей мере частично.
Далее в изобретении предлагается компоновка системы активного шумоподавления в заданном объеме с использованием вышеописанной системы активного шумоподавления для активного ослабления первичных звуковых волн в заданном объеме.
В предлагаемом в настоящем изобретении способе активного ослабления по меньшей мере одной звуковой волны, излучаемой первичным возбудителем, осуществляют измерение первичной звуковой волны с помощью опорного датчика. Далее с помощью датчика ошибки измеряют сигнал ошибки, соответствующий суммарным звуковым волнам. Затем измеренный сигнал ошибки и опорный сигнал передаются в регулирующее устройство. После этого в регулирующем устройстве осуществляется оценка принятых сигналов и вырабатывается вторичный сигнал. Вторичный сигнал передается в возбудители вторичных звуковых волн по соответствующим линиям связи. Возбудители вторичных волн располагают на границе открытого прохода для первичных звуковых волн. Далее в соответствии с вторичным сигналом вторичные возбудители излучают вторичные звуковые волны, которые накладываются друг на друга для создания "акустической завесы" в открытом проходе, так что первичные звуковые волны, которые распространяются через этот проход, по меньшей мере ослабляются и/или полностью подавляются, при этом вышеуказанные стадии повторяются циклически и/или непрерывно выполняются в системе активного шумоподавления, которая выполнена как система автоматического управления.
Далее в соответствии с изобретением предлагается применение системы активного шумоподавления для активного ослабления звуковых волн в заданном объеме, открытом по меньшей мере частично.
Основная идея изобретения заключается в использовании в системе активного шумоподавления нескольких вторичных возбудителей, которые располагают так, чтобы они находились на краю, а именно вдоль границы открытого прохода для первичных звуковых волн, и чтобы они излучали вторичные звуковые волны или звуковые волны шумоподавления, которые в открытом проходе накладываются на первичные звуковые волны, обеспечивая ослабление или полное подавление первичных звуковых волн. Таким образом, может быть создана "акустическая завеса", при прохождении которой первичными звуковыми волнами в направлении их распространения после прохода они могут быть по меньшей мере ослаблены.
В общем случае первичные волны являются звуковыми волнами шума. Соответственно, вторичные волны или волны шумоподавления являются звуковыми волнами шума, сдвинутыми по фазе. Соответственно, в качестве вторичных возбудителей таких шумовых волн используются громкоговорители.
Открытый проход - это зона, окруженная замкнутой границей, сквозь которую первичная звуковая волна (волны) проникает в объем, в котором необходимо осуществлять шумоподавление (контролируемый объем).
Граница может иметь любую замкнутую геометрическую форму. Однако при практической реализации граница может быть размещена в одной плоскости. Например, граница может быть устроена как периметр, имеющий простую геометрическую форму: треугольник, круг, овал, эллипс, прямоугольник, многоугольник, квадрат, трапеция, ромбовидные формы и др.
Граница также может быть устроена как, чтобы получить так называемую огибающую кривую, которая охватывает первичный возбудитель, являющийся источником шума. В этом случае во всем окружающем пространстве вне этой огибающей будет происходить ослабление первичной звуковой волны.
Вторичные возбудители предпочтительно располагают на одинаковом расстоянии друг от друга по границе прохода. В этом случае может быть достигнуто оптимальное ослабление первичной звуковой волны. Эквидистантное распределение вторичных возбудителей вдоль границы дает возможность упростить компьютерные модели и использовать более простые алгоритмы управления для системы активного шумоподавления, в результате чего достигается более эффективное ослабление первичных звуковых волн.
Количество вторичных возбудителей, необходимое для эффективного подавления первичных звуковых волн зависит от различных параметров, таких как геометрическая схема защищаемого пространства (контролируемого объема), геометрическая схема прохода для первичной звуковой волн, спектральный состав первичной звуковой волны (волн), амплитуда и/или частота первичной звуковой волны (волн), частотная полоса первичной звуковой волны (волн), необходимая степень подавления и т.п.
Термин "защищаемое пространство" относится к пространству или к контролируемому объему, в котором должно осуществляться активное подавление первичных звуковых волн.
Вообще говоря, чем плотнее "акустическая завеса" шумоподавления и лучше работа регулирующего устройства (прежде всего это касается его характеристик по быстродействию и точности), тем выше степень подавления первичных звуковых волн. Это означает, что для достижения эффективного ослабления первичных звуковых волн необходимо обеспечить соответствующее качество и/или количество вторичных возбудителей и соответствующее качество регулирующего устройства или вообще процесса регулирования.
В случае узкополосного акустического шума необходимы только узкополосные вторичные возбудители. В случае первичных звуковых волн, имеющих большую амплитуду, необходимо использовать более мощные вторичные возбудители или, соответственно, большее их количество. Однако ввиду большого числа возможных применений практически невозможно указать все возможные варианты построения систем активного шумоподавления, которые зависят от сочетания различных параметров.
То же относится и к типу вторичных возбудителей. Здесь так же, как и в предыдущем случае необходимо отметить, что тип вторичных возбудителей, необходимый для эффективного подавления первичных звуковых волн, зависит от различных параметров, таких как геометрия пространства или контролируемого объема, в котором должно осуществляться шумоподавление, геометрия прохода для первичной звуковой волн, спектральный состав первичной звуковой волны (волн), амплитуда и/или частота первичной звуковой волны (волн), частотная полоса первичной звуковой волны (волн), необходимая степень подавления и т.п.
Аналогично, как и в случае первичной звуковой волны, имеющей большую амплитуду, может потребоваться использовать большее количество вторичных возбудителей, или же при том же их количестве они должны излучать звуковые волны шумоподавления большей амплитуды. Если частота первичной звуковой волны лежит в нижнем частотном диапазоне, то может быть достаточным использовать только вторичные возбудители, работающие в этом нижнем частотном диапазоне.
Аналогично, поскольку все параметры взаимно связаны друг с другом, то нет возможности перечислить все возможные комбинации и/или варианты осуществления. Однако в некоторых конкретных сочетаниях параметров, например при большом количестве высококачественных вторичных возбудителей и при быстром и высококачественном регулировании, достигается эффективное ослабление первичных звуковых волн, при этом также должны быть приняты в расчет размеры конструкции, в частности размеры вторичных возбудителей.
Кроме того, на эффективность действия системы активного шумоподавления может влиять размещение датчиков ошибки.
Так же, как и в случае типа и количества вторичных возбудителей, количество и/или тип датчиков ошибки зависит от таких параметров, как геометрическая схема защищаемого объема, геометрическая схема прохода для первичной звуковой волны (волн), спектральный состав первичной звуковой волны (волн), амплитуда и/или частота первичной звуковой волны (волн), необходимая степень ослабления и т.п.
Далее датчик опорного сигнала и датчик ошибки могут быть сконструированы таким образом, чтобы их можно было совместить в одном датчике. В этом случае могут использоваться системы регулирования с положительной и отрицательной обратной связью. Таким образом, опорный сигнал, который иначе был бы получен с помощью датчика опорного сигнала, может быть также получен из датчиков ошибки и датчиков опорного сигнала, которые совмещены в одном датчике.
Применение предлагаемой в изобретении системы активного шумоподавления, предусматривающей особое расположение вторичных возбудителей на границе для активного подавления звуковых волн в контролируемом объеме, открытом по меньшей мере частично, обширно и многообразно. Например, система активного шумоподавления может быть установлена во входных зонах зашумленных пространств, в которых необходимо эффективно снижать уровень шума. В частности, первичные возбудители, являющиеся источниками шума, могут быть эффективно охвачены этой системой. Аналогично, например, некоторые зоны производственных помещений, в которых снижение уровня шума является требованием нормативных документов, могут быть эффективно защищены от шума без необходимости снижения его уровня во всем производственном помещении.
Это позволяет использовать множество вариантов применения различных компоновок системы активного шумоподавления для контролируемых зон, открытых по меньшей мере частично, с открытым проходом, имеющим границу, с использованием предлагаемой в изобретении системы активного шумоподавления.
Например, при размещении вторичных возбудителей вдоль плоского прямоугольника для нескольких таких компоновок могут быть созданы отдельные зоны шумоподавления, в которых защита от шума достигается за счет формирования акустических перегородок или преград. Также можно представить варианты осуществления изобретения для аэропортов, вдоль скоростных автострад или железных дорог, строительных площадок и т.п.
Применение предлагаемой в изобретении компоновки обладает тем достоинством, что в этом случае не происходит загораживание открытого прохода, как это имеет место в случае использования перегородок пассивного шумоподавления. Достоинством применения системы активного шумоподавления в качестве защитного барьера является то, что, по существу, она изменяет только акустические характеристики.
Предпочтительно расположение вторичных возбудителей по границе открытого прохода определяется в форме простой геометрической фигуры. В этом случае несколько таких компоновок могут использоваться совместно по схеме модульного наращивания для формирования зон шумоподавления, имеющих большие размеры.
Сравнивая с системой активного шумоподавления, предложенной для окна с тройным стеклопакетом, необходимо отметить, что предложенная в изобретении система эффективна также и при открытом окне. В таком применении использование термина "акустическая завеса" становится особенно понятным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемой в изобретении системы активного шумоподавления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже со ссылками на чертеж описывается компоновка системы активного шумоподавления 30 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Компоновка системы активного шумоподавления 30 определяется системой 10 активного шумоподавления и заданным (контролируемым) объемом 20. Система 10 активного шумоподавления содержит регулирующее устройство 11, два датчика 12 ошибки, датчик 13 опорного сигнала и четыре возбудителя 14 вторичных звуковых волн. В качестве возбудителей 14 вторичных звуковых волн используются громкоговорители, с помощью которых можно излучать волны 15 шумоподавления. Эти волны 15 шумоподавления имеют синусоидальную форму и измеряются с помощью двух датчиков 12 ошибки, в качестве которых в данном варианте осуществления изобретения используются микрофоны. Датчики 12 ошибки соединены с регулирующим устройством 11 с использованием соответствующих линий связи. С помощью этих линий сигнал F ошибки, измеренный датчиками 12 ошибки, передается в регулирующее устройство 11. Первичная звуковая волна 16, излучаемая первичным возбудителем (не показан), измеряется опорным датчиком 13, и вырабатываемый им сигнал указан на чертеже ссылочным обозначением R. В данном варианте первичная звуковая волна 16 (шум) показана как волна, имеющая синусоидальную форму. Соответственно, в данном варианте в качестве опорного датчика 13 используется микрофон. Опорный датчик также соединен с регулирующим устройством 11 с использованием соответствующей линии связи. С помощью этой линии опорный сигнал R передается в регулирующее устройство 11. В регулирующем устройстве 11 осуществляется оценка принятых сигналов R, F, и на их основе вырабатывается вторичный сигнал S. Регулирующее устройство 11 соединено с вторичными возбудителями 14 соответствующими линиями. С помощью этих линий вторичный сигнал S, вырабатываемый регулирующим устройством 11, передается в возбудители 14 вторичных звуковых волн. Соответственно, вторичные возбудители 14 преобразуют вторичный сигнал S в звуковые волны 15 шумоподавления, которые накладываются на первичную звуковую волну 16. Суммарная звуковая волна или суммарные звуковые волны снова измеряются датчиками 12 ошибки, и регулирование выполняется непрерывно или циклически повторяется.
Заданный (контролируемый) объем 20 рассчитывается как частично открытый объем, который на чертеже показан как прямой параллелепипед, одна грань которого является открытым проходом 21. Через этот открытый проход 21 первичная звуковая волна 16 или первичная звуковая волна 16' (или волны), на которую наложены волны шумоподавления, в результате чего первичная звуковая волна 16' ослаблена, входит внутрь заданного объема 20.
Открытый проход 21 имеет границу. По этой границе, которая показана на чертеже в форме прямоугольника, размещены вторичные возбудители 14. При таком расположении вторичные возбудители 14 находятся друг от друга на одинаковых расстояниях. Звуковые волны 15 шумоподавления, излучаемые вторичными возбудителями 14 по поверхности открытого прохода 21, формируют нечто вроде "акустической завесы", так что первичная звуковая волна 16 может пройти открытый проход 21 и попасть в контролируемую зону только после сложения с этими волнами 15 шумоподавления. В результате сложения волн формируется ослабленная первичная звуковая волна 16', причем степень ослабления является характеристикой шумоподавления или ослабления первичной звуковой волны.