PL248347B1 - Tłumik pasywno-aktywny do redukcji hałasu w kanałach - Google Patents

Abstract

Tłumik pasywno-aktywny do redukcji stacjonarnego jak i niestacjonarnego hałasu w kanałach tłoczących gaz/powietrze, w którym tłumik aktywny utworzony jest z mikrokontrolera z zaimplementowanym w nim algorytmem FxLMS, umiejscowionego w kanale (KA) mikrofonu pomiarowego (MP), który poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy sygnału i filtr pasmowy przyłączony jest na wejściu mikrokontrolera, umiejscowionego w kanale głośnika (ZG), wytwarzającego obliczony przez algorytm FxLMS sygnał zerujący, który poprzez wzmacniacz mocy sygnału przyłączony jest na wyjściu mikrokontrolera oraz mikrofonu błędu (MB), który umiejscowiony jest w kanale (KA) za powyższym głośnikiem (ZG) i który podłączony jest poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy sygnału oraz filtr pasmowy na wejściu mikrokontrolera (DSP), charakteryzuje się tym, że wyposażony jest w tłumik pasywny (TP), który w kanale (KA) umiejscowiony jest pomiędzy mikrofonem pomiarowym a głośnikiem (ZG) tłumika aktywnego i który zamocowany jest do płyty montażowej (PM), która mocowana jest w utworzonym w ściance kanału (KA) oknie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest tłumik pasywno-aktywny do redukcji stacjonarnego jak i niestacjonarnego hałasu w kanałach tłoczących gaz/powietrze.

Istnieje wiele metod wyciszania hałasu. Wśród nich można wyróżnić takie, które wykorzystują klasyczne tłumiki, tak zwane pasywne, oraz takie, w których wykorzystano aktywną redukcję hałasu. Tłumiki pasywne zbudowane są zazwyczaj z ramy i wypełniającego ją materiału o właściwościach dźwiękochłonnych. Tłumiki takie bardzo dobrze sprawdzają się przy hałasie szerokopasmowym dla częstotliwości wyższych niż 500 Hz, a duży wybór materiałów oraz zaawansowane metody symulacji pozwalają na dopasowanie ich konstrukcji do warunków pracy. Z uwagi na powyższe tłumiki pasywne powszechnie stosowane są w przemyśle. Projektowanie tłumików pasywnych belkowych polega na optymalizacji geometrii oraz parametrów akustycznych rdzenia. Dzięki optymalizacji osiąga się wymagane tłumienie wtrącenia w danym paśmie częstotliwości przy dostatecznie małych stratach ciśnienia wprowadzanych do systemu. Pod uwagę należy brać również odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, potwierdzoną symulacyjnie, oraz minimalizację masy tłumika. Wymagane parametry akustyczne tłumika potwierdza się przeprowadzając symulacje FEM. Aktywna redukcja hałasu wykorzystuje zjawisko nakładania się fal, które prowadzi do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Aby doszło do wyciszenia hałasu, urządzenie emituje w kierunku źródła taki sam hałas, ale z odpowiednim przesunięciem fazy. Rozwiązania tego typu są wykorzystywane do redukcji składowej tonalnej, w szczególności w kanałach tłoczących powietrze lub gaz. W takich kanałach dla niskich częstotliwości można mówić o propagacji fali płaskiej dla niskich częstotliwości (górna granica częstotliwości, dla której można mówić o fali płaskiej zależy od wymiarów poprzecznych samego przewodu). Algorytmy aktywnej redukcji hałasu cały czas są rozwijane i udoskonalane, by osiągnąć jak największą stabilność, skuteczność i wydajność. Powszechnie znany i stosowany w redukcji hałasu tonalnego jest układ aktywny utworzony z mikrokontrolera wykorzystującego algorytm FxLMS (Filtered-X Feast Mean Square), umiejscowionego w kanale mikrofonu pomiarowego, który połączony jest z mikrokontrolerem, umiejscowionego w kanale głośnika wytwarzającego w oparciu algorytm FxLMS (Filtered-X Least Mean Square) sygnał zerujący, który przyłączony jest do wyjścia mikrokontrolera, oraz umiejscowionego w kanale za głośnikiem i połączonego z wejściem sterownika mikrofonu błędu. Algorytm FxLMS aktualizuje wagi adaptacyjnego filtra na podstawie minimalizacji błędu średniokwadratowego, wykorzystując w tym celu takie parametry jak: wartości wag w poprzedniej próbce, empirycznie ustalany krok algorytmu, sygnał błędu, oraz sygnał wejściowy filtrowany przez filtr estymujący transmitancję. Na wejście adaptacyjnego (stale aktualizowanego) filtra podawany jest sygnał hałasu rejestrowanego w pobliżu źródła dźwięku. Ten sam sygnał przebywa również bezpośrednią drogę przez kanał z pominięciem wszelkiej elektroniki i dociera jako sygnał do miejsca, w którym dokonuje się pomiar skuteczności tłumienia, czyli określenia sygnału błędu. Sygnał po przejściu przez filtr adaptacyjny oraz pozostałe systemy stanowiące transmitancję (mikrofony, głośnik, system akustyczny), interferuje destruktywnie z niepożądanym hałasem. W idealnym przypadku suma sygnału zerującego oraz sygnału wejściowego powinny skutkować zerowym ciśnieniem akustycznym, to znaczy sygnał błędu byłby równy zeru. W praktyce uzyskuje się pewną wartość optymalną, gdzie hałas nie znika całkowicie, ale jest zmniejszony.

Jak już wcześniej wspomniano, tłumiki pasywne skutecznie radzą sobie z hałasem szerokopasmowym w szczególności w paśmie powyżej 500 Hz. Niemniej przy występowaniu niskoczęstotliwościowej składowej tonalnej w zakresie od 100 do 500 Hz ich działanie staje się niesatysfakcjonujące. Zgodnie z normą ISO 1996-3 (Akustyka - Opis i pomiary hałasu środowiskowego - Wytyczne dotyczące dopuszczalnych poziomów hałasu) do wyznaczania poziomu uciążliwości hałasu należy przy tych częstotliwościach stosować poprawkę na tonalność, wynikającą ze wzrostu składowej tonalnej powyżej 8 dB dla danej tercji względem sąsiednich pasm. Uciążliwość hałasu jest wyższa w przypadku hałasu szerokopasmowego z występującą składową tonalną niż bez tej składowej, nawet jeżeli zmierzone poziomy całkowite dla obu przypadków są takie same.

Z chińskiego wzoru użytkowego CN205560104U znane są środki kontroli hałasu w kanale oparte na przełączaniu sterowania samoadaptacji typu wielomodowego, w tym czujnika prędkości dźwięku, głośnika tłumiącego hałas, wzmacniacza mocy tłumienia hałasu i aktywnego elementu sterującego. Aktywny element sterujący stanowi urządzenie sterujące z filtrem adaptacyjnym i obwodem peryferyjnym, a wbudowane urządzenie do aktywnej kontroli hałasu jest połączone z czujnikiem hałasu błędu, czujnikiem hałasu odniesienia, czujnikiem prędkości dźwięku i głośnikiem tłumiącym hałas, które są ustawione w różnych pozycjach na wewnętrznej ścianie kanału.

Z amerykańskiego zgłoszenia wynalazku US3936606A znana jest metoda i aparatura do tłumienia akustycznego, w której odbiornik, wzmacniacz i nadajnik akustyczny generują antyfalę, która jest w fazie i symetrii lustrzanej względem rozchodzącej się fali akustycznej. Spójne środki propagacji, takie jak kanał akustyczny o określonych wymiarach, przekierowują i/lub przekształcają falę akustyczną i antyfalę, które w przeciwnym razie propagują się z narastającymi frontami fal o różnych wektorach, w fale płaskie, które nakładają się, tworząc interferencję falową, która sama się rozchodzi. W przypadku hałasu o wysokim poziomie ciśnienia akustycznego, takiego jak wytwarzany przez silnik turbiny gazowej, przetwornik akustyczny zawiera modulowany głośnik przepływu gazu połączony z jednym lub większą liczbą portów upustowych, które dostarczają gaz pod jednym lub większą liczbą ciśnień przesuniętych w stosunku do ciśnienia otoczenia.

Znana jest ze zgłoszenia wynalazku GB 1492963A metoda zapobiegania lub ograniczania przenoszenia dźwięku poniżej około 500 Hz wzdłuż toru akustycznego, między innymi wzdłuż przewodu grzejnego lub klimatyzacyjnego, która obejmuje wykrywanie dźwięku w pierwszej pozycji na wspomnianej ścieżce i odtwarzanie go w drugiej pozycji, w której jest on przesunięty w fazie z dźwiękiem przemieszczającym się wzdłuż ścieżki. Jak opisano w jednym przykładzie wykonania, mikrofon generuje dźwiękowy sygnał reprezentatywny, który jest przekazywany wzdłuż alternatywnej ścieżki i opóźniany w obwodzie zawierającym wzmacniacz, filtry i sumator oraz odtwarzany przez głośniki. Opóźnienie jest takie, że dźwięk z głośników jest przesunięty w fazie o 180° w stosunku do dźwięku na ścieżce. W alternatywnym przykładzie wykonania stosuje się pojedynczy głośnik, a na ścieżce między mikrofonem a głośnikami umieszczane są przegrody, aby zapobiec akustycznemu sprzężeniu zwrotnemu.

Znane jest z japońskiego zgłoszenia wynalazku JPH06227779A aktywne urządzenie kontroli hałasu w kanale wentylacyjnym windy, w którym hałas wchodzący przez kanał wentylacyjny do wentylacji kabiny windy jest wykrywany przez mikrofon do wykrywania źródła dźwięku. Na podstawie wykrytego sygnału analizuje się kształt fali szumu. Aktywny głośnik, do usuwania hałasu przez falę akustyczną o takim samym ciśnieniu dźwięku jak hałas i w fazie przeciwnej do hałasu, jest przymocowany do kanału wentylacyjnego w taki sposób, aby był przykryty puszką zapobiegającą występowaniu wahań ciśnienia atmosferycznego pomiędzy przednią stroną, gdzie fala akustyczna jest oscylowana, a stroną tylną, przeciwną do niej.

Z polskiego opisu patentowego PL173501B1 znany jest tłumik dźwięku do wentylatorów stosowany w przewodach ssania, tłoczenia i wydmuchu powietrza. Tłumik ma postać umieszczanego w kanale rdzenia dźwiękochłonnego, który utworzony jest ze środkowych kasetonowych pochłaniaczy dźwięku oraz skrajnych kasetonowych pochłaniaczy dźwięku, które wzajemnie opierają się o siebie, tworząc zwartą konstrukcję. Przelot powietrza odbywa się przez trójkątne kanały powstałe pomiędzy środkowymi pochłaniaczami i skrajnymi pochłaniaczami. Szczeliny powstałe pomiędzy ściankami korpusu a skrajnymi pochłaniaczami są zamknięte kołnierzem i w związku z tym nieprzelotowe, co daje dodatkowy efekt tłumienia dźwięku.

Z polskiego opisu patentowego PL229697B1 znany jest tłumik hałasu stosowany w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, do których podłączone są urządzenia wyciągowe. Tłumik składa się z obudowy zewnętrznej w kształcie tulei wyłożonej materiałem absorpcyjnym i z trwale umocowanego wewnątrz obudowy rdzenia utworzonego z materiału absorpcyjnego. Tuleja stanowi odcinek (segment) współtworzący kanał wentylacyjny czy klimatyzacyjny.

Dotychczas znane i stosowane sposoby redukcji hałasu nie radzą sobie ze skutecznym zwalczaniem hałasu w kanałach, w których występuje zarówno składowa tonalna, jak i hałas szerokopasmowy.

Tak więc, celem rozwiązania według wynalazku jest tłumik skutecznie rozwiązujący ten problem.

Tłumiki pasywne mają postać mocowanych w kanałach brył geometrycznych. Dostęp serwisowy do takiego tłumika wymaga odcinkowego rozebrania kanału. Podobnie montaż jak i demontaż takiego tłumika wymaga segmentowego rozebrania kanału.

Tak więc, kolejnym celem według wynalazku jest konstrukcja, która zapewni łatwy dostęp serwisowy do zamocowanego we wnętrzu kanału tłumika oraz jego łatwy montaż i demontaż.

Tłumik pasywno-aktywny do redukcji hałasu, w którym tłumik aktywny utworzony jest z mikrokontrolera z zaimplementowanym w nim algorytmem FxLMS (Filtered-X Least Mean Square), umiejscowionego w kanale mikrofonu pomiarowego, który poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy sygnału i filtr pasmowy przyłączony jest na wejściu mikrokontrolera, wytwarzającego obliczony przez algorytm FxLMS (Filtered-X Least Mean Square) sygnał zerujący głośnika, który umiejscowiony jest w kanale i który poprzez wzmacniacz mocy sygnału przyłączony jest na wyjściu mikrokontrolera, oraz mikrofonu błędu, który umiejscowiony jest w kanale za powyższym głośnikiem i który podłączony jest poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy sygnału oraz filtr pasmowy na wejściu mikrokontrolera, według wynalazku charakteryzuje się tym, iż wyposażony jest w tłumik pasywny, który w kanale umiejscowiony jest pomiędzy mikrofonem pomiarowym a głośnikiem tłumika aktywnego i który zamocowany jest do płyty montażowej, która zamocowana jest w utworzonym w ściance kanału oknie.

Korzystnie, płyta montażowa do kanału zamocowana jest rozłącznie.

Korzystnie, mikrokontroler wraz z wyżej wymienionymi wzmacniaczami i filtrami tłumika aktywnego umiejscowione są na zewnętrznej powierzchni płyty montażowej i zamknięte są w hermetycznej puszce, a mikrofon błędu, mikrofon pomiarowy i głośnik zamocowane są do tłumika pasywnego.

W wyniku przeprowadzonych badań okazało się, iż pasywne i aktywne oparte na algorytmie rozwiązanie tłumienia hałasu, jak w rozwiązaniu według wynalazku, jest skuteczne w redukcji stacjonarnego i niestacjonarnego hałasu przemysłowego w kanałach tłoczących gaz/powietrze. W rozwiązaniu według wynalazku zintegrowano pasywne tłumienie dla wyższych częstotliwości z aktywnym tłumieniem, wykorzystującym algorytm FxLMS (Filtered-X Least Mean Square). Powyższy układ umożliwia zredukowanie składowej tonalnej także dla niestacjonarnego hałasu tonalnego (zmiana amplitudy i zmiana częstotliwości tonalnej) wraz z hałasem szerokopasmowym.

Umiejscowienie wszystkich podzespołów tłumika według wynalazku na płycie montażowej, która rozłącznie zamocowana jest w oknie utworzonym w ściance kanału sprawia, że tłumik jest w pełni rewizyjny. W rozwiązaniu według wynalazku elektronika sterująca układem aktywnym jest umieszczana na zewnętrznej powierzchni płyty, przez co dostęp do niej nie wymaga otwierania kanału.

W rozwiązaniu według wynalazku stosuje się powszechnie znany i stosowany algorytm FxLMS, który w procesie kalibracji modyfikuje się do implementacji na mi krokontrolerze/procesorze DSP w czasie rzeczywistym. Wartości wag filtra ustala się w procesie kalibracji z wykorzystaniem szumu białego. Proces kalibracji zaimplementowany jest w oprogramowaniu działającym na mikrokontrolerze/procesorze DSP. Tłumik kalibruje się po zamontowaniu w kanale tłoczącym gaz/powietrze, a to pozwala na szybki rozruch systemu oraz późniejszą korekcję jego działania. W rozwiązaniu głośniki montuje się w obudowie zoptymalizowanej pod względem wprowadzanych do kanału zawirowań oraz oporów przepływu.

Działanie tłumika według wynalazku jest następujące: od strony źródła hałasu, najczęściej wentylatora, umiejscowiony jest mikrofon pomiarowy. Sygnał z mikrofonu pomiarowego jest wzmacniany i przefiltrowany, a następnie przekazywany do mikrokontrolera z zaimplementowanym i skalibrowanym algorytmem FxLMS. Na podstawie sygnału z mikrofonu pomiarowego, na mikrokontrolerze/procesorze DSP generowany jest sygnał zerujący, który podawany jest poprzez wzmacniacz mocy sygnału na głośnik. Mikrofon błędu dostarcza sygnał pozwalający ocenić i zmodyfikować odpowiedź algorytmu FxLMS, tak aby osiągnąć odpowiednie wartości poziomu tłumienia składowej tonalnej. Wykorzystane wzmacniacze mocy, przedwzmacniacze, zespoły filtrów, układ mikrokontrolera/procesora DSP oraz przyłącze zasilania znajdują się w puszce hermetycznej. Znajdujące zastosowanie w układzie głośniki testuje się do pracy w niesprzyjających warunkach pod względem temperatury oraz wilgotności. W kanale tłoczącym gaz/powietrze stosuje się głośnik, który wraz z przynależnym mu wzmacniaczem mocy może osiągnąć poziom ciśnienia akustycznego na poziomie samego sygnału tonalnego. Układ tłumika aktywnego wyposażony jest w filtry analogowe, które odpowiednio zawężają pasmo tak, by nie generować dodatkowych składowych harmonicznych. Stosowany w rozwiązaniu według wynalazku tłumik pasywny projektuje się według powszechnie znanych i stosowanych już metod, to jest dla danego kanału optymalizuje się jego geometrię oraz parametry akustyczne rdzenia. Kalibrację tłumika aktywnego przeprowadza się po zainstalowaniu tłumika pasywnego i elementów tłumika aktywnego w kanale. Tłumik pasywny (wkład pochłaniający dźwięk) redukuje poziom hałasu wydostającego się z wylotu kanału tłoczącego gaz/powietrze w zakresie hałasu szerokopasmowego. W tym samym czasie system aktywny redukuje poziom składowej tonalnej występującej w zakresie częstotliwości od 100 do 500 Hz. Tłumik według wynalazku może zostać zastosowany w kanale o większych przekrojach poprzez zwiększenie ich ilości i montaż kilku tłumików obok siebie (fig. 4).

Przedmiot wynalazku został ujawniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zamocowany w kanale tłumik aktywno-pasywny, fig. 2 - schemat tłumika aktywno-pasywnego, fig. 3 tłumik aktywno-pasywny na płycie montażowej, fig. 4 - zamocowanie tłumików aktywno-pasywnych w kanałach o większym przekroju, fig. 5 - schemat algorytmu FxLMS, fig. 6 - drogę sygnałów w algorytmie FxLMS, fig. 7 - składową tonalną dla tercji 250Hz., gdzie Si to stan przed zastosowaniem adaptacji akustycznej R lub RA, R to stan dla tłumika pasywnego, a RA stan dla tłumika według wynalazku, a fig. 8 - tłumik aktywno-pasywny na płycie montażowej przed kanałem w widoku aksonometrycznym, na którym tłumik pasywny został umiejscowiony bliżej płyty montażowej niż na fig. 3.

Tłumik pasywno-aktywny do redukcji hałasu w przykładzie wykonania według wynalazku utworzony jest z osadzonego w kanale KA tłumika pasywnego TP oraz tłumika aktywnego. Tłumik aktywny utworzony jest z mikrokontrolera DSP z zaimplementowanym w nim algorytmem FxLMS (Filtered-X Least Mean Square), umiejscowionego w kanale KA mikrofonu pomiaroweg o MP, który poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy WM sygnału i filtr pasmowy FP przyłączony jest na wejściu mikrokontrolera DSP, wytwarzającego obliczony przez algorytm FxLMS (Filtered-X Least Mean Square) sygnał zerujący głośnika ZG, który umiejscowiony jest w kanale KA i który poprzez wzmacniacz mocy WG sygnału przyłączony jest na wyjściu mikrokontrolera DSP, oraz mikrofonu błędu MB, który umiejscowiony jest w kanale KA za powyższym głośnikiem ZG i który podłączony jest poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy WM sygnału oraz filtr pasmowy FP na wejściu mikrokontrolera DSP. Tłumik pasywny TP w kanale umiejscowiony jest pomiędzy umiejscowionym przed nim mikrofonem pomiarowym MP a głośnikiem ZG. A dokładniej mikrofon pomiarowy MP osadzony jest na wsporniku, który zamocowany jest do czołowej powierzchni tłumika pasywnego TP. Mikrofon błędu MB umiejscowiony jest na wsporniku, który zamocowany jest na tylnej powierzchni tłumika pasywnego TP. Głośnik ZG wbudowany jest w końcową boczną, ukośną do osi przepływu kanału KA, powierzchnię tłumika pasywnego TP. Tłumik pasywny TP ma postać bryły geometrycznej (rdzenia), która poprzez pozycjonujące ją korzystnie w osi przepływu kanału KA wsporniki WT zamocowana jest do płyty montażowej PM. Płyta montażowa PM zamocowana jest w wyciętym w ściance kanału KA oknie. Materiał dźwiękochłonny tłumika pasywnego TP przykładowo może stanowić wełna mineralna albo pianka poliuretanowa. Mikrokontroler DSP tłumika aktywnego umiejscowiony jest na zewnętrznej powierzchni płyty montażowej PM i zamknięty jest w hermetycznej puszce PE. FxLMS (Filtered-X Least Mean Square, z ang. dosłownie: filtrowany-x najmniejsza średnia kwadratów) jest cyfrowym filtrem (algorytmem) adaptacyjnym. W przedmiotowym przypadku mikrofon pomiarowy MP odbiera sygnał hałasu, który ma być wyciszony. Sygnał błędu jest sumą anty-hałasu i hałasu, która zbierana jest na mikrofonie błędu MB. Dodatkowo sygnał pomiarowy jest filtrowany na cyfrowym filtrze S’(z), który nanosi poprawkę związaną ze zjawiskami zachodzącymi na drodze między głośnikiem ZG zerującym i mikrofonem błędu MB. Współczynniki tego filtra wyznaczane są w procesie kalibracji i są stałe. Natomiast ciągłej zmianie podlegają współczynniki filtra cyfrowego W(z). Liczba współczynników w filtrze cyfrowym W(z) zależy od odległości od źródła, dokładności działania systemu oraz możliwości obliczeniowych sprzętu. Liczby ilości współczynników i próbek w buforach (tablicach) nie ulegają zmianie w trakcie działania systemu FxLMS. Dźwięk hałasu odbierany jest przez mikrofon pomiarowy MP i zapisywany jako sygnał pomiarowy x(n). Jest to już sygnał cyfrowy, spróbkowany, zapisany w buforze (tablicy) o wyrazach [x(0), x(1), x(2), ... , x(N-1)], gdzie N to liczba próbek w tej tablicy. Sygnał pomiarowy x(n) przechodzi do filtra cyfrowego W(z), który jest głównym filtrem systemu FxLMS, który posiada współczynniki, które są aktualizowane (zmieniane) w procesie aktualizacji współczynników. Współczynniki to kolejna tablica wartości [W(0), W(1), W(2), ... , W(Z-1)], gdzie Z to liczba współczynników w tym filtrze. W filtrze dochodzi do operacji matematycznej nazywanej splotem, w ogólnej postaci o wzorze: y(n) = W(z) * x(n).

W wyniku przejścia przez filtr, powstaje nowy sygnał y(n). Jest to sygnał zerujący, czyli wyciszający. Sygnał ten to również tablica wartości, czyli [y(0), y(1), y(2), ... , y(N-1)], gdzie N to liczba próbek w tej tablicy. Sygnał y(n) jest wysyłany na głośnik ZG zerujący i z głośnika nadawany jako anty-hałas. W między czasie sygnał x(n) jest również wysyłany na filtr cyfrowy S’(z). Jest to filtr o współczynnikach, które nie ulegają zmianie w trakcie działania algorytmu FxLMS. Wartości tych współczynników zależą od właściwości akustycznych danego kanału KA, w którym umieszczono system FxLMS, i ustalane są w procesie kalibracji. Współczynniki są zebrane w tablicy o wartościach [S’(0), S’(1), S’(2), ... , S’(Z-1)], gdzie Z to liczba współczynników w tym filtrze. W filtrze dochodzi do operacji matematycznej nazywanej splotem, w ogólnej postaci wzorze: x’(n) = S’(z) * x(n). W wyniku przejścia przez ten filtr cyfrowy powstaje sygnał x’(n), zapisany jako tablica o wartościach [x’(0), x’(1), x’(2), ... , x’(N-1)], gdzie N to liczba próbek w tej tablicy. Sygnał x’(n) przechodzi dalej do procesu aktualizacji współczynników filtra W(z). Dźwięki zbierane przez mikrofon błędu MB, czyli sygnał błędu, są zapisywane w buforze e(n), nazywanym buforem błędu. Sygnał e(n) jest sygnałem cyfrowym zapisanym w tablicy o wyrazach [e(0), e(1), e(2), .. , e(N-1)], gdzie N to liczba próbek w tej tablicy. Sygnał e(n) przechodzi dalej do procesu aktualizacji współczynników filtra W(z). W procesie aktualizacji współczynników filtra cyfrowego W(z) dochodzi do niewielkich zmian wartości tych współczynników, a zmiany te mają na celu lepsze dopasowanie filtra i przez to większe wyciszenie hałasu. W zależności od wartości x’(n) i e(n), pojedyncze współczynniki

PL 248347 BI mogą rosnąć lub maleć. Dodatkowo w tym procesie obliczeniowym biorą też udział takie parametry jak mu i alfa, które ustala się w trakcie kalibracji całego systemu. Aktualizację współczynników filtra cyfrowego W(z) można matematycznie zapisać jako:

w(n+1) = w(n) - mu alfa w(n) + mu x’(n) e(n)

Nowe wartości współczynników filtra W(z) są wykorzystywane w kolejnej iteracji algorytmu, czyli wtedy, gdy kolejny kawałek sygnału pojawia się na buforze pomiarowym. P(z) jest to matematyczny opis zjawisk, którym ulega hałas w kanale KA, gdy pokonuje drogę od źródła do mikrofonu błędu MB. Jest to matematycznie wielomian i gdy podstawi się do niego wartości sygnału x(n) ze źródła, to uzyska się sygnał d(n). Innymi słowy P(z)jest matematycznym zobrazowaniem tego, że hałas na drodze od źródła hałasu do mikrofonu błędu ulega jakiejś zmianie. S(z) jest matematycznym opisem zjawisk, którym ulega sygnał anty-hałasu w drodze z wyjścia płytki mikrokontrolera poprzez głośnik, drogę głośnik-mikrofon, czyli wszystko to, co w jakiś sposób może wpłynąć na sygnał, a nie jest częścią programu na mikrokontrolerze.

Konstrukcja według wynalazku umożliwia zamontowanie układu w już istniejących przewodach bez ich demontażu. W tym celu wystarczy jedynie wykonać odpowiedni otwór w przewodzie oraz zamontować płytę montażową PM z pełnym zestawem pasywno-aktywnym. Okablowanie przeprowadza się przez otwory wykonane w płycie montażowej PM. Po zewnętrznej stronie płyty montażowej PM umieszczona jest hermetyczna puszka PE, w której znajdują się elementy elektroniczne. Wszelkie prace konserwacyjne są możliwe do wykonania bez użycia ciężkiego sprzętu oraz demontażu przewodu tłoczącego powietrze lub gaz. Konstrukcja według wynalazku sprawia, iż można z łatwością wymienić część pasywną lub przeprowadzić kalibrację, naprawę oraz wymianę części aktywnej. Dzięki umieszczeniu części elektronicznej po zewnętrznej stronie płyty montażowej PM, możliwe jest jej oddzielne serwisowanie bez konieczności demontażu elementów kanału tłoczącego gaz/powietrze.

Tłumik montowany jest w kanale KA na płycie montażowej PM. Możliwy jest montaż na śruby rozmieszczone na czterech bokach płyty montażowej PM w ilości wystarczającej do zapewnienia sztywności i szczelności układu.

W ramach przykładowej instalacji tłumik Rocket Active zamontowano w kanale tłoczącym powietrze o przekroju kwadratu o boku 60 cm. Źródłem hałasu był wentylator znajdujący się na jednym z końców kanału. Pomiary działania systemu przeprowadzono dla trzech prędkości obrotowych wentylatora, a wyniki przedstawiono w tabeli 1 i 2.

Tabela 1 Wyniki pomiarów poziomów składowej tonalnej z i bez Rocket Active

Prędkość obrotowa wentylatora RPM [1/mJ	Poziom składowej tonalnej bez RA LdBJ	Poziom składowej tonalnej z RA LdBJ	Tłumienie składowej tonalnej LdBJ
950	92	77	15
1800	101	83	18
2450	88	79	9

Tabela 2 Wyniki pomiarów całkowitego poziomu hałasu z i bez Rocket Active

Prędkość obrotowa wentylatora RPM [1/m]	Całkowity poziom hałasu bez RA [dB]	Całkowity poziom hałasu z RA [dB]	Spadek całkowitego poziomu hałasu [dB]
950	93	83	10
1800	102	91	11
2450	102	95	7

PL 248347 BI

Wykorzystany w systemie tłumik pasywny został wykonany z perforowanej ramy stalowej, którą wypełniono rdzeniem wykonanym z materiału pianowego, z piany poliuretanowej o gęstości 30 kg/m³. Tłumik miał kształt prostopadłościanu o wymiarach: 90 x 40 x 40 cm.

Od strony wentylatora na tłumiku zamontowano aerodynamiczną owiewkę wraz z mikrofonem pomiarowym. Z drugiej strony tłumika pasywnego znajdowały się dwa głośniki oraz mikrofon błędu. Cały tłumik pasywny wraz z częścią aktywną miał długość 140 cm. Parametry zastosowanych w tej implementacji systemu RA mikrofonów przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3 Parametry mikrofonów wykorzystanych w przykładowej implementacji systemu RA

Mikrofon	Typ	Czułość	Zakres częstotliwości
pomiarowy	clcktrctowy	10 mV/Pa	20 - 16000 Hz
błędu	elektretowy	10 mV/Pa	20 - 16000 Hz

Zastosowano głośniki wykonane przez podwykonawcę. Ich podstawowe parametry przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4 Parametry głośników wykorzystanych w przykładowej implementacji systemu RA

Nazwa parametru	Wartość
pasmo [Hz]	100-500
Pmax rms [W]	700
SPLmax/lm	120dB

Na fig. 6 przedstawiono przykładowy efekt działania systemu według wynalazku. I tak, jak wynika z wykresu, układ bez żadnej adaptacji akustycznej ma zarówno wysoki poziom hałasu szerokopasmowego, jak również składowej tonalnej. Przy zastosowaniu samego tłumika pasywnego można zaobserwować redukcję poziomu hałasu jako całości, ale bez zlikwidowania bardziej uciążliwej składowej tonalnej. Zastosowanie systemu pasywno-aktywnego nie tylko redukuje całkowity poziom hałasu, ale też znacząco obniża poziom składowej tonalnej.

Claims (3)

1. Tłumik pasywno-aktywny do redukcji hałasu, w którym tłumik aktywny utworzony jest z mikrokontrolera z zaimplementowanym w nim algorytmem FxLMS, umiejscowionego w kanale mikrofonu pomiarowego, który poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy sygnału i filtr pasmowy przyłączony jest na wejściu mikrokontrolera, wytwarzającego obliczony przez algorytm FxLMS sygnał zerujący głośnika, który umiejscowiony jest w kanale i który poprzez wzmacniacz mocy sygnału przyłączony jest na wyjściu mikrokontrolera, oraz mikrofonu błędu, który umiejscowiony jest w kanale za powyższym głośnikiem i który podłączony jest poprzez przedwzmacniacz mikrofonowy sygnału oraz filtr pasmowy na wejściu mikrokontrolera, znamienny tym, że wyposażony jest w tłumik pasywny (TP), który w kanale (KA) umiejscowiony jest pomiędzy mikrofonem pomiarowym (MP) a głośnikiem (ZG) tłumika aktywnego i który zamocowany jest do płyty montażowej (PM), która mocowana jest w utworzonym w ściance kanału (KA) oknie.

2. Tłumik według, zastrz 1, znamienny tym, że płyta montażowa (PM) do kanału (KA) zamocowana jest rozłącznie.

PL 248347 BI

3. Tłumik według, zastrz 1, znamienny tym, że mikrokontroler (DSP) tłumika aktywnego umiejscowiony jest na zewnętrznej powierzchni płyty montażowej (PM) i zamknięty jest w hermetycznej puszce (PE), a mikrofon błędu (MB), mikrofon pomiarowy (MP) i głośnik (ZG) zamocowane są do tłumika pasywnego (TP).