СПОСОБ АКТИВНОГО ГАШЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ШУМА
METHOD FOR ACTIVE SUPPRESSION OF ACOUSTIC NOISE

Изобретение относится к технике гашения шума вне ограниченной области, содержащей шумящий объект, а также при защите объекта от внешних шумов. В частности изобретение относится к средствам защиты от акустического шума, вызванного работающими системами вентиляции в жилых помещениях и в подвижных объектах.
Основа активных методов гашения акустических шумов и вибраций состоит в возбуждении таких дополнительных шумовых и вибрационных полей, интерференция которых с первичными полями приводит к заданному снижению остаточного уровня шумов в помещении. Разнообразие систем активного шумо- и виброгашения определяется способами формирования сигналов, обеспечивающих возбуждение дополнительных полей, разнообразием средств их возбуждения, особенностями объектов или характеристиками пространства, в котором обеспечивается активное гашение, и т.п. При этом наилучшими динамическими характеристиками эффективности обладают активные устройства шумогашения, в которых сигналы для возбуждения дополнительных полей формируются с помощью цепей отрицательной обратной связи. Такие устройства содержат хотя бы один возбудитель акустического поля (громкоговоритель, нагруженный на среду) и соответствующий акустический приемник давления (микрофон), расположенный в непосредственной близости от этого громкоговорителя.
Рассмотрим некоторые известные технические решения для гашения шумов.
Известны устройства для подавления шума (Авторские свидетельства СССР: №349011, 356819, 590807, 832578, 836655), суть работы которых заключается в том, что звуковой сигнал шума, воспринятый микрофоном, преобразуют в электрический и после обработки подают на динамик, который излучает звуковые волны той же частоты, но с фазой, противоположной падающим на микрофон волнам.
Устройство для подавления шума, содержащее микрофон, усилитель, фазовращатель и громкоговоритель, отличающееся тем, что в керне магнитной цепи громкоговорителя с обратной его стороны выполнена выемка, в которой помещен микрофон, звукоизолированный со стороны громкоговорителя. Авторское свидетельство СССР №356819, МПК H04R 9/06, 1972 г.
Устройство для подавления шума, содержащее ряд идентичных каналов, каждый из которых состоит из соединенных последовательно фильтра, фазовращателя и регулятора амплитуды, а также предварительный усилитель, выход которого подключен одновременно к фильтрам всех каналов, а вход - к датчику, усилитель мощности, вход которого соединен одновременно с выходами регуляторов амплитуды всех каналов, а выход - с громкоговорителем, отличающееся тем, что с целью повышения степени подавления шума по всему звуковому полю, оно снабжено камерой с источником шума и камерой компенсации, соединенными дополнительно введенными волноводами, причем громкоговоритель установлен на одной из стенок камеры компенсации. Авторское свидетельство СССР №836655, МПК H04R 9/06, 1981 г.
По мнению авторов, поскольку излучаемые динамиком звуковые волны противоположны по фазе звуковым волнам шума, то при одинаковой амплитуде тех и других они должны гасить друг друга. Вышеупомянутые устройства отличаются друг от друга степенью сложности электронного оборудования, преобразующего звуковой сигнал в электрический, а затем снова в звуковой, но противоположный по фазе исходному.
Хотя излучаемые звуковые волны шума и волны, излучаемые устройством, совпадают по частоте и, следовательно, являются когерентными, этого недостаточно для равномерного подавления шума во всей зоне подавления.
Для равномерного подавления необходимо, чтобы звуковые волны шума и волны, излучаемые устройством, были не только когерентны, но чтобы при этом совпадали по форме их поверхности волнового фронта и направления их распространения. В противном случае, когерентные волны, приходя в различные точки пространства, будут иметь разные фазы и в зависимости от разности фаз будут в одном месте гасить друг друга, а в другом усиливать. Форма волнового фронта, излучаемого устройством, зависит от формы излучающей поверхности.
Задача равномерного подавления шума во всей зоне подавления не решена этими устройствами.
Известно устройство для подавления шума, содержащее микрофон, диффузор для излучения волн в противофазе волнам шума и усилитель, подключенный к микрофону, расположенному с внутренней стороны диффузора, отличающееся тем, что содержит один или несколько вибраторов, расположенных на наружной стороне диффузора со стороны приходящих волн шума, при этом усилитель имеет регулируемый коэффициент усиления и подключен к вибраторам, причем для равномерного подавления шума во всей зоне подавления диффузор имеет форму, близкую форме волнового фронта волн приходящего шума. Патент Российской Федерации №2115960, МПК G10K 11/16, 1998 г.
Микрофон улавливает звуки шума, преобразует их в электрические сигналы, усиливаемые усилителем и затем подаваемые на вибраторы, которые заставляют колебаться излучающую поверхность в противофазе приходящим волнам шума, и в результате интерференции излучаемых волн с волнами шума, гасить последние. Излучающая поверхность (диффузор) имеет форму волновой поверхности приходящих волн шума, вибраторы расположены с наружной стороны этой поверхности, а микрофон - с внутренней. Вибраторы меняют фазу колебания на противоположную при перемене полярности питания. Устройство сложно в изготовлении и так как практически невозможно выполнить форму диффузора, близкую форме волнового фронта волн приходящего шума.
Устройство для подавления шумов предназначено для повышения эффективности подавления шумов. Для этого предлагаемое устройство снабжено первым микрофоном, соединенным последовательно с фильтром, фазовым детектором, регулируемым фазовращателем и вторым микрофоном, соединенным последовательно с блоком автоматической регулировки усиления, фильтром, фазовым детектором, регулируемым фазовращателем, причем оба микрофона нагружены на сумматор, последовательно связанный с громкоговорителем через регулятор амплитуды и длительности, и усилитель, при этом выход второго фильтра второго микрофона соединен с вторым входом фазового детектора первого микрофона. Заявка на изобретение Российской Федерации №92005264, МПК G10K 11/16, 1995 г.
Известен способ гашения шумов, согласно которому устанавливают измерительные микрофоны в узлах сетчатых структур, расположенных в два слоя и являющихся границами измерительной плоскости. Аналогичным образом устанавливаются и звуковые монопольные источники. Заявка на изобретение Российской Федерации №95107190, МПК: G10K 11/16, 1996 г.
Известен способ поглощения шумов, заключающийся в измерении превышения уровня шумов над санитарной нормой ΔL, отличающийся тем, что выявляют источники сверхнормативного шума, размещают на расстоянии r>λ от выявленных источников излучатели инфразвукового тона с длиной волны при удалении друг от друга d>λ/π, излучают в окружающее пространство инфразвуковую волну, интенсивность которой определяют из соотношения
,
ш
ш
где ΔL - величина превышения уровня шумов, дБ; P - интенсивность звукового давления, создаваемого излучателем инфразвукового тона, дБ; P - максимальная интенсивность шумов на гармонике, дБ; λ, λ, ΔL - длины волн инфразвукового тона и выявленной гармоники сверхнормативного шума, м. Патент Российской Федерации №2078477, МПК G10K 11/16, 1997.
Способ активного звукогашения заключается в том, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны совместно и коллинеарно с нею излучают волну накачки с амплитудой, значительно большей амплитуды сигнальной волны, а частота и начальная фаза излучаемой волны больше в два раза частоты и начальной фазы подавляемой волны. В результате увеличивается эффективность звукогашения, обеспечивается подавление низкочастотного сигнала высокочастотной накачкой. Предотвращается попадание накачки в полосу пропускания приемного тракта локатора. Патент Российской Федерации №2185666, МПК G10K 11/16, 2002 г.
Известно устройство активного гашения 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 отрицательной обратной связи. В состав цепи отрицательной обратной связи входят и громкоговоритель, и микрофон, причем выход микрофона соединен с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом компенсатора, а выход компенсатора - с входом инвертирующего усилителя, к выходу которого подключен громкоговоритель. Патент США №4527282, МПК G11K 11/00, 1985.
Практическое применение устройства малоэффективно из-за снижения устойчивости работы под действием случайных быстрых перепадов воздушного давления в помещении, вызванного открыванием окон и дверей, сквозняками, перепадами температуры, порывами ветра, различными перемещения и т.п., характеризующими акустическую нестабильность условий работы устройства.
Известен способ и 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 электрическим управлением 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 G11К 11/00, 1998 г. Прототип.
При быстрых перепадах воздушного давления формирование управляющего напряжения отстает от процесса формирования перепада воздушного давления. Поскольку величина быстрых перепадов воздушного давления достигает 90 и более дБ относительно давления, характеризующего порог слышимости, отставание процесса формирования управляющего напряжения приводит к возбуждению в цепи обратной связи переходного процесса, снижающего эффективность действия устройства активного гашения шумов и возбуждающего в помещении характерный шумовой отклик, что является его существенным недостатком.
Данное изобретение устраняет недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом изобретений является повышение эффективности шумогашения и устойчивости работы при нестабильных акустических условиях.
оп
c
оп
оп
c
Технический результат достигается тем, что в способе для активного гашения акустического шума вентиляционных систем, включающем возбуждение дополнительных шумовых полей, в котором сигналы для возбуждения дополнительных полей формируют с помощью цепи отрицательной обратной связи с использованием возбудителя акустического поля, акустического приемника давления, цепи управления предварительным усилителем и формирователя управляющего напряжения, изменяют коэффициент усиления предварительного усилителя, подавая на вход формирователя управляющего напряжения сигнал дополнительного приемника давления, с временем опережения выходного сигнала основного приемника давления, удовлетворяющим условию: Т≥3τ, T=L/c, где T - величина опережения выходного сигнала, τ - постоянная времени цепи управления предварительного усилителя.
оп
c
оп
оп
c
В устройство для активного гашения акустического шума вентиляционных систем, содержащее формирователь управляющего напряжения, излучатель и приемник давления, расположенный перед излучателем, электрически соединенные цепью обратной связи, в которой последовательно установлены предварительный усилитель с электрически управляемым коэффициентом передачи, компенсатор и усилитель мощности, нагруженный на излучатель, выход формирователя управляющего напряжения соединен с управляющим входом предварительного усилителя, а его вход - с выходом приемника давления, введен дополнительный приемник давления, выход которого соединен со вторым входом формирователя управляющего напряжения, дополнительный приемник давления установлен со смещением относительно основного. Величина смещения определена из соотношения соотношений T≥3τ, T=L/c, где T - величина опережения выходного сигнала, τ -постоянная времени цепи управления предварительного усилителя, L - смещение дополнительного приемника давления относительно основного, c - скорость звука в воздухе.
Сущность изобретений поясняется на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где 1 - вентиляционный канал (ввод в помещение), 2 - приемник давления (микрофон), 3 - предварительный усилитель с электрически управляемым коэффициентом передачи, 4 - компенсатор, 5 - инвертирующий усилитель, 6 - излучатель, 7 - дополнительный приемник давления, 8 - формирователь управляющего напряжения. Стрелкой А обозначено направление распространения акустического шума.
На фиг.2 представлена зависимость эффективности устройства гашения акустических шумов В в рабочей полосе частот 60…500 Гц при действии в помещении перепадов воздушного давления до 90 дБ относительно давления, характеризующего порог слышимости. Зависимость получена при отношении сигнала к шуму в цепи обратной связи, превышающем 36 дБ.
Реализацию способа приведем на примере работы устройства. Акустический шум, распространяющийся по вентиляционному каналу 1 в направлении, указанном стрелкой А, возбуждает на выходе приемника давления 2 (основного) напряжение, передаваемое на вход предварительного усилителя 3 с электрически управляемым коэффициентом передачи и на вход формирователя управляющего напряжения 8. Выходное напряжение предварительного усилителя 3 поступает на вход компенсатора 4. Компенсатор 4 обеспечивает фазовый сдвиг спектральных составляющих выходного напряжения усилителя 3 и снижает общий уровень шумов, действующих на приемник давления 2 в результате интерференции шума, поступающего по вентиляционному каналу 1, и шума, возбуждаемого излучателем 6, выходным напряжением инвертирующего усилителя 5, вход которого подключен к выходу компенсатора 4.
оп
оп
c
c
оп
Работа устройства при дестабилизирующем действии перепадов воздушного давления обеспечена на управляющем входе предварительным усилителем 3 с электрически управляемым коэффициентом передачи выходного напряжения формирователя управляющего напряжения 8. На вход формирователя управляющего напряжения 8 поступают сигналы от приемника давления 2, установленного перед излучателем (громкоговорителем) 6, и от дополнительного приемника давления 7, установленного со смещением L относительно приемника давления 2, в результате чего выходной сигнал приемника давления 7 опережает выходной сигнал приемника давления (микрофона) 2. Величина опережения Т определена из условия T≥3τ, где τ - постоянная времени цепи управления предварительного усилителя 3. При этом T=L/c, где L - смещение дополнительного приемника давления (микрофона) 7 относительно основного приемника давления (микрофона) 2, c - скорость звука в воздухе.