Aktywne tłumienie drgań

Transkrypt

1 Aktywne tłumienie drgań wykład dla specjalności Komputerowe Systemy Sterowania dla kierunku Automatyka i Robotyka Dr inŝ. Zbigniew Ogonowski Instytut Automatyki, Politechnika Śląska

2 Plan wykładu Podstawowe pojęcia związane z aktywnym tłumieniem hałasu (ATH) Warunki tłumienia Struktury układów sterowania w ATH Stabilność układów sterowania w ATH Projektowanie układów sterowania o stałych parametrach Adaptacyjne układy sterowania w ATH Algorytm LMS z filtracja SprzęŜenie akustyczne Układy ze sprzęŝeniem zwrotnym Przykłady zastosowań ATH Aktywne tłumienie drgań mechanicznych definicje Tłumienie drgań belki Tłumienie drgań platformy Metody sprzęŝenia zwrotnego Izolacja wibracji Aspekty sprzętowe Układy pomiarowe i wykonawcze w metodach aktywnego tłumienia Kierunki rozwoju

3 Literatura Colin Hansen, Scott Snyder Active Control of Noise and Vibration,, E & FN SPON, M. O. Tokhi,, R. R. Leitch Active Noise Control, Clarendon Press,, Oxford, S. M. Kuo i D.R. Morgan Active Noise Control Systems, Willey,, P.A. Nelson i S.J. Elliott, Active Control of Sound, Acad. Press 1992.

4 Podstawowe pojęcia związane z aktywnym tłumieniem hałasu

5 Pojęcia podstawowe Hałas wszelki dźwięk niepoŝądany (Leo Beranek) wszelkie niepoŝądane, nieprzyjemne, dokuczliwe lub szkodliwe drgania mechaniczne ośrodka spręŝystego, działające za pośrednictwem powietrza na organ słuchu i inne zmysły oraz elementy organizmu człowieka (Z. Engel, I. Malecki, J. Sadowski). Hałas jest pojęciem względnym

6 Podstawy fizyczne Dźwięk fala akustyczna czyli następujące po sobie zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza. Ciśnienie akustyczne (p a ) lokalne wzrosty i spadki ciśnienia powietrza związane z falą akustyczną. Źródło dźwięku, pole akustyczne, długość fali (λ), okres drgań (T), częstotliwość (f ), prędkość rozchodzenia się fali (c). c = 344 m/s dla 20 0 C, na poziomie morza, przy wilgotności względnej 80%

7 Podstawy fizyczne = λ c f f = 1 T T = 1 f p a = g ( t) P P P f f f Ton prosty Widmo tonalne Widmo ciągłe Widmo prąŝkowe lub dyskretne

8 Jak słyszymy? Ucho ludzkie słyszy dźwięki w zakresie: infradźwięki 16 Hz - 16 khz ultradźwięki dolna [Hz] górna [khz] nietoperz kot pies delfin konik polny (!!!)

9 Jak słyszymy? Progowe ciśnienie akustyczne (pojedynczy ton 1000 Hz): p 0 = Pa Próg bólu (maksymalne ciśnienie akustyczne): p max = 20 Pa. Dynamika: p max : p 0 = 10 6 Konieczność posługiwania się skalą decybelową

10 Jak słyszymy? Poziom ciśnienia akustycznego L p : L p = 20 log 10 p p x 0 WraŜenia słuchowe w przybliŝeniu odpowiadają skali decybelowej 60 db Σ 63 db 60 db

11 Jak słyszymy? Jak słyszymy?

12 Jak słyszymy? WraŜenie słuchowe zaleŝy od częstotliwości (odczucie subiektywne) 130 fonów 0 fonów Krzywe izofoniczne Ilościowo, wraŝenie słuchowe określa: poziom dźwięku lub poziom głośności (jednostką jest fon) Dla 1000 Hz poziom głośności jest równy liczbowo poziomowi ciśnienia akustycznego (fony są równe decybelom)

13 Jak słyszymy? WraŜenie słuchowe zaleŝy od częstotliwości (odczucie subiektywne)

14 Jak słyszymy? Skorygowany poziom dźwięku - decybele A Dźwięk jest mierzony według krzywej izofonicznej dla słyszalności progowej. Pomiaru dokonuje się z wykorzystaniem korekcji elektronicznej. Wprowadzono teŝ decybele B, C, D i E.

15 Jak słyszymy? Poziom równowaŝny dźwięku (ekwiwalentny) Konieczność jego wprowadzenia wynika z niestacjonarności źródeł dźwięku. L Aeq = q log N N i= 1 n 10 i 0.3L q Ai L Aeq q n i N - wartość poziomu równowaŝnego w db(a) - współczynnik zaleŝny od rodzaju hałasu (np. dla hałasu komunikacyjnego q=4, dla hałasu przemysłowego q=3.) - liczba obserwacji dla poziomu L Ai - liczba wszystkich obserwacji

16 Jak mierzymy? Sonometr, pistofon Bloki (elementy): - mikrofon - przełączniki i wzmacniacze - korektory charakterystyki częstotliwościowej (A, B, C, D, E) - wyświetlacz - blok pomiaru czasu - procesor - filtry oktawowe - pomiar charakterystyk częstotliwościowych - moduł kalibracji (wykorzystanie pistofonu) - blok współpracy z peryferiami (magnetofon pomiarowy, interfejsy cyfrowe itp.)

17 Jak odbieramy hałas? Oddziaływanie hałasu Kto obraŝa NajwyŜszego, nie będzie powieszony, lecz fleciści, dobosze i heroldzi będą wokół niego czynić hałas dniem i nocą, póki nie padnie martwy, albowiem jest to najcięŝsza kaźń. Chiny, 2000 lat temu W 1938r średni poziom hałasu w miastach wynosił 68 db(a), 1952r db(a), 1957r db(a), 1995r db(a). Poziom dźwięku nie powodujący zagroŝenia słuchu - 75 db(a) Poziom dźwięku powodujący zagroŝenia słuchu db(a) Środowisko człowieka jest skaŝone hałasem

18 Jak odbieramy hałas? Oddziaływanie hałasów niesłyszalnych Infradźwięki są odbierane przez błędnik. Infradźwięki są niezwykle słabo tłumione w powietrzu. Efekty: ból głowy, wyraźny dyskomfort, nudności, omdlenia. Ultradźwięki są odbierane przez całe ciało. Ultradźwięki są silnie tłumione w powietrzu. Efekty: zaburzenia w termoregulacji ciała (wzrost temperatury o C lub większy przy większych poziomach hałasu.

19 Jakie są normy? Normy i przepisy Hałas w środowisku pracy (PN-94/N-1307) Normy wskazują na dopuszczalny poziom w okresie 1 zmiany roboczej (8 godzin): L Aeq < 85 db(a) Np. w kabinach bezpośredniego sterowania < 75 db(a) w kabinach dyspozytorskich < 65 db(a) w pomieszczeniach administracyjnych < 55 db(a)

20 Jakie są normy? Normy i przepisy c.d. Hałas w środowisku zewnętrznym (Rozporządzenie RM z ) Normy wskazują na dopuszczalny poziom w okresie od 6 00 do 22 00, oraz od do 6 00 Np. tereny mieszkaniowe podmiejskie < 45 db(a) - dzień < 35 db(a) - noc centralne części miasta o natęŝeniu do 2000 pojazdów/godz. < 55 db(a) - dzień < 45 db(a) - noc tereny wokół zabudowy handlowej, usługowej, biurowej < 60 db(a) - dzień < 50 db(a) - noc

21 Tłumienie pasywne Pasywne metody tłumienia hałasu Przegrody tłumiące hałas Przykład: ściana w bloku mieszkalnym pomiędzy sąsiednimi mieszkaniami powinna mieć tłumienność ok. 50 db Powierzchnie rozpraszające hałas Przykład: tłumik hałasu od wypływu gazów ze spręŝarki

22 Tłumienie pasywne Pasywne metody tłumienia hałasu c.d. Przykład zastosowania obudowy dźwiekoizolacyjnej na maszynie

23 Tłumienie pasywne Pasywne metody tłumienia hałasu c.d. Ochronniki słuchu Absorbery Absorber Helmholtza

24 Tłumienie pasywne Aktywne metody tłumienia hałasu Interferencja fali dźwiękowej hałas Podstawowy problem: dynamika ośrodka (spręŝystość, opóźnienie...)