Praca Dyplomowa Magisterska

Transkrypt

1 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

2 Specjalność: Radiokomunikacja i Techniki Multimedialne Data urodzenia: Data rozpoczęcia studiów: Życiorys Urodziłem się 5 sierpnia 1987 roku w Lublinie. Tam też rozpocząłem swoją edukację. W latach 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 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 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

3 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

4 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

5 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 P x moc sygnału wejściowego x(t) sygnał wejściowy, sygnał kompensowany y(t) sygnał wyjściowy, sygnał kompensujący p 0 - ciśnienie akustyczne odniesienia (20µPa) S M - odchylenie standardowe L Asr - uśredniony wynik pomiaru ciśnienia akustycznego, db L po - poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 5

6 1.Spis treści 1. Spis treści Wstęp Cel i zakres pracy Aktywna redukcja hałasu (ARH) Elementy wykonawcze w układach ARH Model laboratoryjny przegrody aktywnej Kondycjonowanie sygnału Układ sterowania ARH Algorytmy stosowane w systemach ARH Algorytm genetyczny Filtr NOTCH adaptowany algorytmem LMS Sterowanie ręczne Stanowisko laboratoryjne Falowód akustyczny i źródło redukowanego dźwięku Układ pomiarowy Badania laboratoryjne Analiza zmian skuteczności ARH Badania wpływu zamocowania przegrody Badania wpływu zmiany konstrukcji przegrody Badania wpływu zastosowanego sposobu sterowania Badania wpływu poziomu ciśnienia akustycznego emitowanego sygnału na skuteczność ARH Wnioski i podsumowanie Bibliografia Załączniki

7 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 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

8 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 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

9 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 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

10 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 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 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 Hz. 10

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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 Elementy wykonawcze w układach ARH Elementy wykonawcze w systemach ARH to najczęściej głośniki lub elementy piezoelektryczne [4]. W 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

18 jest cyfra 1, do y cyfra 2, zaś do osi z cyfra 3. Drganiom grubościowym przyporządkowany jest moduł d 33. 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

19 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

20 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 napięcia elektrycznego. Dla PZT temperatura Curie wynosi ok C 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

21 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 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

22 5.Model laboratoryjny przegrody aktywnej W celu weryfikacji możliwości wykorzystania materiałów piezoelektrycznych w obudowach 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

23 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 w obu modelach przegrody elementów piezoelektrycznych PZT miało na celu sprawdzenie możliwości wykorzystania znacznie tańszego materiału od MFC. Przetworniki piezoelektryczne zostały przyklejone do materiału pasywnego, co zabezpieczyło je przed uszkodzeniami mechanicznymi. Klej został 23

24 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 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

25 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 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

26 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 P 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

27 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 , wzmacniacz mocy, zasilacz układów analogowych. umieszczone w obudowie komputera PC. Rys. 14. Uniwersalny układ sterujący widok z przodu. Wykorzystywana karta przetworników Egmont Instruments LC 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

28 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

29 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), 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 Algorytm genetyczny Algorytm genetyczny wykorzystywany jest do znalezienia optymalnej postaci filtru FIR. Sposób zastosowania algorytmu genetycznego w systemie ARH przedstawiono na Rys

30 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

31 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

32 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

33 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 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 ω 0 i przesunięciu fazy φ 0 : Sygnał kompensujący wyznaczany jest na podstawie dwóch sinusoidalnych sygnałów odniesienia przesuniętych względem siebie o 90 ( i ), o pulsacji zgodnej z pulsacją sygnału redukowanego: Sygnały x1 x2 wytwarzane są przez generator zsynchronizowany ze źródłem hałasu tonalnego

34 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. Możliwe jest więc wytworzenie dowolnego sygnału sinusoidalnego o wymaganej amplitudzie i przesu ę u faz wemu względem 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: Wagi w0 i w1 generowane są przez algorytm najmniejszych średnich kwadratów LMS (least mean-square) i przechowywane jako wektor. Na

35 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

36 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

37 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 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

38 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

39 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 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

40 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

41 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

42 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 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 C. Kiedy powietrze przepływa przez druciki, pierwszy z nich nieznacznie stygnie. Następnie drugi drucik, 42

43 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

44 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 MFSC- 4. 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

45 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

46 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

47 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

48 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

49 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 cm 2. 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

50 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

51 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

52 Tab. 1. Warunki pomiarów natężenia dźwięku przeprowadzone w odległości 20mm dla modelu przegrody 1. Poziom ciśnienia Częstotliwość akustycznego w punkcie [Hz] obserwacji [db] 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 Tab. 2. Warunki pomiarów natężenia dźwięku przeprowadzone w odległości 20mm dla modelu przegrody 2. Poziom ciśnienia Częstotliwość akustycznego w punkcie [Hz] obserwacji [db] 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

53 Tab. 3. Warunki pomiarów natężenia dźwięku przeprowadzone w odległości 200mm dla modelu przegrody 2. Poziom ciśnienia Częstotliwość akustycznego w punkcie [Hz] obserwacji [db] Wyniki pomiarów ciśnienia akustycznego uśredniono wg wzoru nr lg 7.1 gdzie: n liczba próbek w serii pomiarowej, L Ak wynik k-tego pomiaru, db Na podstawie zmierzonych poziomów ciśnienia akustycznego oraz obliczonej wartości średniej, wyznaczono wartości odchylenia standardowego wg wzoru nr gdzie: S M - odchylenie standardowe poziomu ciśnienia akustycznego L pi uśredniony poziom ciśnienia akustycznego w i-tej próbie pomiaru, w db, L pm 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

54 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

55 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 Częstotliwość [Hz] Średni czas zbiegania [s] Poziom ciśnienia akustycznego [db] Średni poziom ciśnienia akustycznego [db] Skuteczność ARH [db] ARH wyłączona ARH włączona 100 8,3 60,5 ±1,5 48,7 ±0,3 11,8 ±3, ,8 65,3 ±1,3 49,4 ±0,3 15,9 ±3, ,5 70 ±1,3 63,6 ±0,1 6,4 ±2, ,0 75 ±0,7 71,7 ±0,4 3,3 ±2, ,7 60 ±1,0 48,2 ±0,4 11,8 ±2, ,2 65,3 ±0,5 48,5 ±0,4 16,8 ±1, ,4 70 ±0,4 55,4 ±2,2 14,6 ±5, ,0 75 ±0,2 66,7 ±0,9 8,3 ±2, ,0 60,2 ±1,3 48,3 ±0,4 11,9 ±3, ,4 65 ±0,9 48,9 ±0,3 16,1 ±2, ,2 70 ±0,7 54,4 ±0,2 15,6 ±1, ,8 75 ±0,4 61,1 ±0,3 13,9 ±1, ,3 60,1 ±0,7 50,3 ±0,3 9,8 ±2, ,8 65,2 ±1,0 55,9 ±0,1 9,3 ±2, ,2 70 ±0,5 61,5 ±0,1 8,5 ±1, ,0 75,1 ±0,5 68,1 ±0,2 7,0 ±1, ,4 60 ±0,7 48,3 ±0,4 11,7 ±2, ,3 65 ±0,6 48,2 ±0,2 16,8 ±1, ,4 70 ±0,3 48,3 ±0,4 21,7 ±1, ,5 75 ±0,2 49,4 ±0,3 25,6 ±1, ,4 60,1 ±0,4 48,3 ±0,3 11,8 ±1, ,8 65 ±0,3 50,0 ±0,1 15,0 ±0, ,4 70 ±0,6 53,2 ±0,2 16,8 ±1, ,3 60,1 ±0,7 48,6 ±0,3 11,5 ±2, ,0 65 ±0,5 52,5 ±3,0 12,5 ±7, ,2 70 ±0,2 53,5 ±0,2 16,5 ±0,

56 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 (L po ) 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

57 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 Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia 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. Na Rys. 42 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 1 dla częstotliwości 200 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 65 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). 57

58 Rys. 42. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 1; f = 200 Hz; L po = 65 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 72 do 81 db. Rozkład natężenia dźwięku był 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. Na Rys. 43 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 1 dla częstotliwości 250 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 65 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). Rys. 43. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 1; f = 250 Hz; L po = 60 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH 58

59 Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 73 do 79 db. Rozkład natężenia dźwięku był 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 wyłączonego systemu ARH, a 50,3 db dla włączonego. Na Rys. 44 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 1 dla częstotliwości 300 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 75 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). Rys. 44. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 1; f = 300 Hz; L po = 75 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 73 do 88 db. Rozkład natężenia dźwięku był nierównomierny. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia 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 wyłączonego systemu ARH, a 49,4 db dla włączonego. Na Rys. 45 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 1 dla częstotliwości 350 Hz i 59

60 poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 70 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). Rys. 45. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 1; f = 350 Hz; L po = 70 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 74 do 83 db. Rozkład natężenia dźwięku był nierównomierny. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia 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

61 Rys. 46. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 1; f = 400 Hz; L po = 70 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia 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 wyłączonego systemu ARH, a 53,5 db dla włączonego. 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

62 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 Częstotliwość [Hz] Średni czas zbiegania [s] Poziom ciśnienia akustycznego [db] Średni poziom ciśnienia akustycznego [db] Skuteczność ARH [db] ARH wyłączona ARH włączona ,0 60,5 ±1,5 50,6 ±1,0 9,9 ±4, ,3 65,3 ±1,3 60,1 ±0,5 5,2 ±3, ,7 70 ±1,3 66,9 ±0,3 3,1 ±3, ,3 60 ±1,0 50,3 ±0,6 9,7 ±3, ,0 65,3 ±0,5 53,5 ±0,4 11,8 ±1, ,3 70 ±0,4 53,7 ±1,2 16,3 ±3, ,2 75 ±0,2 72,3 ±0,1 2,7 ±0, ,0 60,2 ±1,3 54,0 ±1,1 6,2 ±4, ,7 65 ±0,9 49,9 ±0,5 15,1 ±2, ,0 70 ±0,7 50,2 ±0,3 19,8 ±2, ,0 75 ±0,4 52,9 ±0,5 22,1 ±1, ,3 60,1 ±0,7 50,2 ±0,2 9,9 ±1, ,3 65,2 ±1,0 59,7 ±0,7 5,5 ±3, ,3 70 ±0,5 68,0 ±0,1 2,0 ±1, ,1 75, ,7 60 ±0,7 48,7 ±0,8 11,3 ±2, ,0 65 ±0,6 48,5 ±0,4 16,5 ±2, ,0 70 ±0,3 48,8 ±0,4 21,2 ±1, ,7 75 ±0,2 50,9 ±0,3 24,1 ±0, ,3 60,1 ±0,4 48,1 ±0,4 12,0 ±1, ,0 65 ±0,3 49,4 ±0,7 15,6 ±2, ,7 70 ±0,6 52,0 ±0,7 18,0 ±2, ,7 60,1 ±0,7 53,0 ±0,6 7,1 ±2, ,3 65 ±0,5 61,0 ±0,4 4,0 ±1, ,6 70 ±0,2 65,2 ±0,5 4,8 ±1, 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

63 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 Częstotliwość [Hz] Średni czas zbiegania [s] Poziom ciśnienia akustycznego [db] Średni poziom ciśnienia akustycznego [db] Skuteczność ARH [db] ARH wyłączona ARH włączona ,5 ±1,5 49,1 ±0,3 11,4 ±3, ,3 ±1,3 52,5 ±0,5 12,8 ±3, ±1,3 58,3 ±0,2 11,7 ±3, ±0,7 68,3 ±0,1 6,7 ±1, ±1,0 48,1 ±0,3 11,9 ±2, ,3 ±0,5 49,5 ±0,4 15,8 ±1, ±0,4 57,7 ±0,3 12,3 ±1, ±0,2 70,8 ±0,3 4,2 ±1, ,2 ±1,3 48,6 ±0,3 11,6 ±3, ±0,9 50,3 ±0,3 14,7 ±2, ±0,7 53,8 ±0,3 16,2 ±2, ±0,4 60,4 ±0,1 14,6 ±0, ,1 ±0,7 49,3 ±0,4 10,8 ±2, ,2 ±1,0 50,9 ±0,3 14,3 ±2, ±0,5 55,2 ±0,2 14,8 ±1, ,1 ±0,5 63,1 ±0,2 12,0 ±1, ±0,7 49,9 ±0,5 10,1 ±2, ±0,6 49,8 ±0,4 15,2 ±1, ±0,3 51,5 ±0,2 18,5 ±1, ±0,2 54,9 ±0,1 20,1 ±0, ,1 ±0,4 50,9 ±0,4 9,2 ±1, ±0,3 51,8 ±0,4 13,2 ±1, ±0,6 51,8 ±0,3 18,2 ±1, ,1 ±0,7 51,4 ±0,6 8,7 ±2, ±0,5 56,5 ±0,1 8,5 ±1, ±0,2 60,8 ±0,1 9,2 ±0, W Tab. 7 podano poziomy ciśnienia akustycznego oraz skuteczność ARH dla włączonego i wyłączonego systemu ARH z wykorzystaniem filtru 63

64 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

65 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 Częstotliwość [Hz] Średni czas zbiegania [s] Poziom ciśnienia akustycznego [db] Średni poziom ciśnienia akustycznego [db] Skuteczność ARH [db] ARH wyłączona ARH włączona 100 7,3 60,5 ±1,5 49,3 ±0,5 11,2 ±4, ,7 65,3 ±1,3 52,6 ±0,4 12,7 ±3, ,9 70 ±1,3 60,4 ±0,4 9,6 ±3, ,0 75 ±0,7 70,5 ±0,3 4,5 ±2, ,3 60 ±1,0 50,4 ±0,3 9,6 ±2, ,3 65,3 ±0,5 53,9 ±0,3 11,4 ±1, ,9 70 ±0,4 59,7 ±0,6 10,3 ±2, ,8 75 ±0,2 68,6 ±0,4 6,4 ±1, ,4 60,2 ±1,3 48,1 ±0,5 12,1 ±3, ,0 65 ±0,9 48,3 ±0,3 16,7 ±2, ,8 70 ±0,7 48,3 ±0,4 21,7 ±2, ,0 75 ±0,4 48,9 ±0,5 26,1 ±1, ,2 60,1 ±0,7 50,2 ±0,5 9,9 ±2, ,0 65,2 ±1,0 53,4 ±0,1 11,8 ±2, ,6 70 ±0,5 59,3 ±0,2 10,7 ±1, ,2 75,1 ±0,5 68,3 ±0,3 6,8 ±1, ,7 60 ±0,7 48,6 ±0,4 11,4 ±2, ,4 65 ±0,6 48,4 ±0,4 16,6 ±2, ,3 70 ±0,3 49,9 ±0,5 20,1 ±1, ,5 75 ±0,2 51,9 ±0,5 23,1 ±1, ,0 60,1 ±0,4 56,6 ±0,4 3,5 ±1, ,0 65 ±0,3 62,2 ±0,1 2,8 ±0, ,8 70 ±0,6 64,2 ±0,2 5,8 ±1, ,6 60,1 ±0,7 49,2 ±0,5 10,9 ±2, ,7 65 ±0,5 50,0 ±0,8 15,0 ±2, ,0 70 ±0,2 52,2 ±0,4 17,8 ±1, Na Rys. 47 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 2 dla częstotliwości 100 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 65 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). 65

66 Rys. 47. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 2; 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 wynosiły od 72 do 84 db. Rozkład natężenia dźwięku był 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 zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju wynosił 65,3 db dla wyłączonego systemu ARH, a 52,6 db dla włączonego. Na Rys. 48 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 2 dla częstotliwości 200 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 75 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). Rys. 48. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 2; f = 200 Hz; L po = 75 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH 66

67 Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 73 do 85 db. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy 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 zmierzonego w odległości 200 mm od ustroju wynosił 60,1 db dla wyłączonego systemu ARH, a 48,9 db dla włączonego. Na Rys. 49 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 2 dla częstotliwości 300 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 75 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). Rys. 49. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 2; f = 300 Hz; L po = 75 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 73 do 84 db. Rozkład natężenia dźwięku był nierównomierny. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy natężenia 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. Na Rys. 50 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 20 mm od modelu przegrody 2 dla częstotliwości 400 Hz i 67

68 poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 70 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). Rys. 50. Poziom natężenia dźwięku modelu przegrody 2; f = 400 Hz; L po = 70 db z wyłączonym (po lewej) i włączonym (po prawej) systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 72 do 77 db. Po uruchomieniu systemu ARH poziomy 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. Na Rys. 51 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 200 mm od modelu przegrody 2 dla częstotliwości 300 Hz i poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 75 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). 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

69 Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia 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 wyłączonego systemu ARH, a 49,9 db dla włączonego. Na Rys. 52 przedstawiono rozkłady poziomu natężenia dźwięku w odległości 200 mm od modelu przegrody 2 dla częstotliwości 400 Hz i poziomie ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji 70 db przy wyłączonym i włączonym systemie ARH (filtr NOTCH, algorytm LMS). 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 Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy natężenia 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

70 8.Analiza zmian skuteczności ARH W obecnej pracy przeprowadzono: 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

71 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

72 dla dwóch konfiguracji. W pierwszej wszystkie śruby były odkręcone o 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 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 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

73 Rys. 59. Poziom natężenia dźwięku przy powierzchni modelu 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. Rys. 60. Poziom natężenia dźwięku przy powierzchni modelu przegrody 1; f = 300 Hz; L po = 90 db dla śrub odkręconych z maksymalną siłą (dwie oddzielne próby). 73