RU10387U1 - Система активного управления шумом в помещениях вблизи аэропортов - Google Patents

Abstract

Система активного управления шумом в помещениях вблизи аэропортов, включающая установленные внутри помещения измерительные каналы шума, выполненные в виде решеток приемников звукового давления, исполнительные элементы, содержащие группу управляемых излучателей вторичного шума, установленные между измерительными приемниками звукового давления, цифровую вычислительную машину (ЦВМ), своим входом связанную через блок полосовых фильтров с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), к входам которых подключены выходы измерительных каналов шума, а выход ЦВМ подключен к первому входу усилителя мощности через цифроаналоговый преобразователь, блок переменной задержки, подключенный к нему своим выходом фазоинвертор с входом, связанным с блоком полосовых фильтров, при этом ЦВМ соединена через блок переменной задержки со вторым входом усилителя мощности, выход которого подключен к исполнительным элементам, отличающаяся тем, что в нее введены вычислитель доплеровских параметров, блок метеорологических параметров окружающей среды, измерители скорости полета ЛА, датчики температуры и давления, связанные с входами блока вычислителя метеорологических параметров, первый выход которого подключен к вычислителю доплеровских параметров, второй выход - ко второму входу ЦВМ, дополнительные наружные микрофоны, установленные ортогонально с четырех сторон помещения, при этом выходы микрофонов связаны с АЦП, выходы вычислителя доплеровских параметров подключены соответственно к блоку полосовых фильтров и ЦВМ.

Description

Система активного управления шумом в помещениях вблизи аэропортов

Изобретение относится к области техники запцпы отфаняющей среды и предщазначено для снижения уровня аэродинамического шума помещений вблизи аэропортов. Рост числа пассажирских самолетов и их массы привел к увеличению уровней шума в районе аэропортов и зашумленности местности вблизи них, что обусловило значительное увеличение количества населения, подвергающегося воздействию авиационного шума. Положение осложняется неуклонной тенденцией приближения центральных районов с высокой плотностью населения к границам аэропортов.

Известен метод активного управления шумом, использованный при создании летного шлемофона фирмы ВОББ 1. Метод основан на эффекте снижения шума с помопц ю ан1шпума. Технология борьбы с шумом, с нестационарностью типа пульсаций скорости или давления такова, что подаются возмущения определенной длины волны в про1ивофазе основному источнику и тем самь1М снижается амплшуда возмущений.

Шлемофон предназначен для защиты слуха от постороннего шума и передачи только сигнала связи, он не повышает уровень разборчивости речи. Система работает в даапазоне частот от 30 до 1000 Гц, снижение п1ума составляет -10 дБ. В летных испытаниях шум удалось снизить на 16 дБ по сравнению с шумом

стандартного головного телефона и на -- 26 дБ уменьштъ Н1ум на 1фнггаческой и средней частоте.

Образец заключен в K0po6iq размером 178x76x51 мм, которая кладется в карман летного костюма, работает снстема от 2-х 9-ватнс батареек, продолжительность работа которых 4 часа. Электронный блок может быть размещен в цилнндре 76 мм.

Однако заглушаемое нространство ограничено размером коробки шлемофона и местная борьба с Н1умом не может распространена на дальние поля.Известен активный (интерференшяошшй) способ глушения в судостроение

В мщв, где наиболее желательно ослабить шум, устанавливают мшфофон, сигнал or усиливается и излучается в противофазе в то же самое помещение образуются зоны ослабления шума. Подбором места расположения излучающего динамика или группы излучателей динамиков можно добиться того, что одна из этих зон находилась в требуемой части помещения, например, в районе головы постоянного оператора. В других местах при этом могут наблюдаться более или менее за|Ш1гтое усиление шума. Для з еньшения числа таких мест, также для более равномерного о фазирования вука заднюю часть динамика излучателя заключают в герметическую коробку, внутри которой находится звукопоглопщюпдай материал.

Этим способом можно добшъся уменьшения шума в точках пространства на величину 10-12 дБ. Практический защитный акустический эффект появляется на ншких частотах, до 200-ЗООргде длины волн, а следовательно и размер интерференционных зон достаточно велики.

Однако уменьшение уровня шума заглушаемого пространства происходит в ограниченных пределах.

Известна система активного управления шумом (САУШ) в салоне самолета, разработанная фирмой Тонэмйпресс 3. Система модульная, количество микрофонов и вторичных источников шума излучателей зависит от размера самолета (обычно от 32 до 24 для 50-местного самолета).

Сигналы от 32 микрофонных усилителей с регулируемым усилением проходят через противосмесительные фильтры и поступают в аналого-цифровые преобразователи; выходные сигналы считываются и передаются через цифровой ишерфейс на пульт контролера, встроенного в ЭВМ (ПЭВМ). Через контроллер микрофонные сигналы попадают ш каждый из 16 подчиненых модулей, затем через восстановительные фильтры и усилители мощносги возбуждают каждый из 16 излучателей. Кроме того контроллер действует как приемник и передатчик сигналов, с его помош ью осуществляется управление мшфофонными сигналами в процессе их 1фохождения, а также управления действиями подчиненных модулей через двустороннюю связь. Такая схема позволяет выполнять общее управление всеми составляющими системы и контролировать внутреннее состояние системы управления в любой момент времени, автоматически накапливать и выводить данные с помощью двух встроенных нако|штелей на гибких дисках.

жавках дааметром 6,25 мм, точность калибровки ±1 дБ, Восемь излучателей размешались иа полу перед креслами и восемь на верхней багажной полке. Микрофоны устанавливались на внешней стороне подлокотников кресел ближе к борту и на внутренней стороне ближе к середине ряда на высоте 1,1 м от пола (на уроне головы сидящего пассаз1шра),четыре микрофона укреплены на перед ней перегородке кабины на таком же расстояния по ширине кабины и высоте, как и на креслах.

Измерялось первоначальное в различных положениях ми1фофона (32 по ложения) поле давления, образуется правым и левым винтом при другой скорости вращения второго даигателя. Чтобы убедиться в том, что записаны только составляющие шума от представляющего интереса винта, мшфофонные сигналы пропускаю1::аО через узкополосные фильтры. Исходным сигналом, регулирующим сигналы идущие к излучателям .служит импульс одного оборота винта. Система управления способна одновременно регулировав до трех гармоник частоты прохождения лопасти.

Степень эффективности системы активного управления шумом (САУШ) определялась снижением пространственно усре;:01@щь уровня звукового давления. Снижение шуыл составило 11-14 дБ ва частоте прохождения лопасти, 5-7 дБ на второй гармонике 4-5 на гармонике с точностью ±1 дБ. За пределами управляемого звукового поля наблюдается быстрое пространственное изменение уровня звукового давления в масштабе, значительно меньше длины звуковой волны.

Проводилось к)тографирование звукового поля в салоне самолета. Измеряемый микрофонами остаточный шум служив: для определения общего достигнутого снижения. Ошимальным размещением излучателей достигается компромисс в снижении низко - и высокочастотных составляющих игугма. Акустическая среда в салоне исследуется путем измерения передаточной функции между рядом излучателей и рядом мшфофон6в7намного больше чем излучателей, то измерение передаточной функции и нежелательного шума позволяет не только полностью предсказать необходимые характеристики САУШ, но и выбрать количество и место размещения излучателей.

Общая масса САУШ, включающей распределенные усилители мощности для шлучателей с редкоземельными магнитными материалами, не превышает 20 кг. Суммарная звуковая мощность для 50-ме ого самолета составляет 30 Вт.

Однако действие системы управления шумом ограничено пределами салона самолета и не распространяется на открыгие пространства аэропортов.

Цель изобретения - разработка системы акгивного управления шумом снижения уровня аэродинамического шума в помещениях вблизи аэропортов, когда летательные аппараты выполняют режимы взлета и посада.

Для решения указанной задачи в систему активного управления шумом в помещениях, расположенных вблизи аэропортов для зашщы населения в них при взлете и посадке летательных аппаратов (ЛА), включающей установленные внутри помещения измерительные каналы шума, ввшолненные в виде решеток приемников звукового давления,исполнительные элементы содержапще группу излучателей вторичного шума, устанавливаемых между измерительными приемпиками звукового давления, цифровую вычислительную машину (ЦВМ) - процессор первый вход которого связан последовательно с блоком полосовых фильтров,блоком аналого-1щфровых преобразователей (АЦП), выходе J блока полосовых фильтров связан со входом фазоинвертора, подключенного к блоку переменной задержки и далее к первому входу усилителя мощности, при этом входы АЦП подключены к выходам измерительных приемников звукового давления, а выход ЦВМ через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) подключен ко второму усилителю мощноста, в нее введены вычислитель доплеровских параметров, блок метеорологических параметров окружающей среды, измерители скорости полета ЛА и дополнительные наружные мшфофоны, установленные ортогональ-но с 4-х сторон здания (помещения) датчики температуры и давления, причем первый выход блока метеорологических параметров окружающей среды связан со входом вычисл1ггеля доплеровских параметров, а вторым выходом - со вторым входом ЦВМ - процессором входы блока метеорологических параметров О1фужающей среды связаны соответственно с датчи-ками температуры и давления О1фужающей среды и измерителями скорости полета ЛА, а второй вход вычислителя доплеровских параметров связан с блоком полосовых фильт

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где изображены:

1- летательный аппарат (ЛА)

2- блок вычислителя метеопш)аметров окружающей среды ходами датчи ,И 6АА)№ЛТИ

ков 3 - температуры; : давления 4 варужного воздуха и скорости полета ЛА;

5- вычислшель доплеровских параметров (модулятор);

6- аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

7- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

8- фазоинверторо;

9- блок полосовых фильтров;

10- усилитель мощности;

11- блок переменной задержки;

12- цифровая вычислительная мапшна (ЦВМ) - процессор;

13- заглзопаемое помещение (слабозащищенйи э);

14- рещетка измерительных хфиемников звукового давления - микрофо15- микрофоны обратной связи;

16- управляемые источники вторичного щума;

17- наружные микрофоны;

18- измеритель скорости полета ЛА.

Первый вход ЦВМ 12 Ефоцессора связан последовательно с блоком 9 полосовых фильтров, блоком аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 6, выход блока полосовых фильтров 6 связан со входом фазоинвертора 8, подключенного к блоку 11 переменной задержки и далее к первому входу усилителя мощности 10. Входы АЦП 6 подключены к выходам измерительных приемников 14 и 15

звукового давления, а выход ЦВМ 12 через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 7 подключен ко второму входу усилителя мощности 10. Выход блока метеорологических пгфаметров и окружающей среды 2 связан со входом вычислителя доплеровских параметров 5 и вторым входом ЦВМ процессора 12, второй вход вычислителя 5 доплеровских параметров связан с блоком 9 полосовых фильтров, группы излучателей 10 вторичного щума включены на выход усилителя моощости 16.

Система работает следующим образом.

Для управления сигналами излучателей 16 вторичного щума используется алгоритм, построенный таким образом, чтобы их выходные сигналы были в противофазе относительно сигналов управляющих рещеток микрофонов 15 в местах установки излучателей вторичного щума. Началом работы алгоритма служит сигнал первичного приемника щума - н ужных микрофонов 17 и liK- измер1ггелей 18 скорости полета ЛА.

С целью определения оптимальных амплитуд временных задержек для сигналов излучателей 16 используется метод наименьпшх квадратов (МНК). Алгоритм МНК, реализуется с помощью процессора ЦВМ-12 и работает в реальном масппабе времени. Он позволяет определять минимум суммы квадратов сигналов рассогласования, приходящих от приемников звукового давления 15, которые поступают через ЦАП-7, усилитель мощности 10 на излучатели 16 вторичного пгума. Процессор ЦВМ-12 содержит арифметоческо-логичные устройства для выполнения операций сложения, вычитания различных пересылок типа «регистррегистр, «регистр память, «регистр - внепщее устройство, разнообразных сдвигов и операций булевой алгебры над исходными операндшли. В состав блока внутренних регистров входят как регистры, доступные для программы вычислений так и регистры временного хранения и щ).

Устройство управления координирует работу указанных блоков и других усхройста в процесд ыполнения команды, поступивщей в процессор. Процессор имеет внутреннею щинную организацию, котсфая переходит на внепшие ошвы: пгану управления, пшну данных, пшну адреса. К пшне данных подключены постоянное и оперативное запоминающее устройство, порты.

В процессоре операционное устршс зо состоит из отдельных малоразрядных модулей, в которые входят арифмешческо-логическое устройство, регистры общего назначения ешифратор команд и схемы пфесылки адресной информации. Программа работы процессора, вводимая устройством ввода-вывода в виде команд, хранится в оперативном запоминающем устройства. Отсюда команды поступают в устройство управления, которое регистром каждую команду превращает в MHiqponporpaMMy.

Интерфейс обеспечивает элекгрическую связь и обработку протокола взаимодействия с вмкшшми каналами.

Определение уровня тональной составляющей аэродинамического щума в условиях слабозаглущенного помещения 13 происходит так. Сначала регистрируется щумовой спектр в дальнем акустическом поле наружными микрофонами 17, измеряют уровни щума на частотах,соседних с тональной составляющей в ближнем (в помещении) 14 и дальнем аку(ггаческих полях-17, а уровень тональной составляющей для каждого из занимаемых ею диапазонов частот Lgf определяют в ЦВМ-12 по формуле:

Lgf-L6f-(ALi4-AL2)/2,

где Lef -уровень тональной составляющей спектра щума измеренного в ближайщем а1 сшческом поле, дБ.

ALi и AL2 - разности уровней щума, замеренных в ближнем и дальнем полях на соседних с занимаемыми тональной составляющей частотах, относящихся к части спектра, дБ.

В матричном виде алгоритм МНК представляется

где Р 11 PI Р2... РП 11 - вектор измерений (давлений),, X - функция пространственных координат (известЕшх)

1 ... At... (Atfх l...iAt...(iAtf1 ... (nAt) ... (nAtfф 11 Co... Q... Cn-i} I - вектор неизвестных параметров

п - число и координат, Т-индекс транспошфования,

S - случайные опшбки; S 11 5i... ... { I - вектор ошибок.

Рещение системы уравнений обеспечивает минимум суммы квадратов невязок.

С2

§ (р-хфу о)1(р-хф)

Опшбки измерений (с нормальным распределением с нулевым математическим ожиданием и одинаковой дисперсией б, весовая функция Ш 1/6. Тогда система нормальных уравнений будет иметь вид:

а оценки неизвестных параметров ф определяется из соотнощения

ф () ()

Р Хф+6,

Х Ш1Хф

чае движения источника звука относительно воздуха (наблюдателя) их скорость должна векторно складываться со скоростью звука. Бели источник приближается, то ухо наблюдателя воспринимает в единицу времени большее число колебаний, высота тона повышается. При удалении источника наблюдатель воспринимает меньшее число колебаний в единицу времени, чем щ)и неподвижном источнике и потому высота тона понижается.

При приближении источника (скорость V) / колебаний приходят к наблюдателю с отрезка C-V. Так как они пришли не с отрезка С, но с более кс хякого отрезка C-V, то длина волны уменьшается.частота увеличивается

нотаккакС A,/ XV V 5/,

то/n-C/X C/(X-6)://(X/-6/) /C/(C-V) ;

при удалении тон кажется ниже:

Данные алгоритмы реализованы в вычислителе 5.

Эффект Доплера отличается от случая безветрия и изотермической атмосферы. Поэтому изменения скорости звука в зависимости от параметров окружающей среды и поправки приведены в 9.

Блок полосовых фильтров 9 представляет собой набор цифровых фильтров. Цифровой фильтр представляет собой цифровое устройство реализующее в общем случае решение уравнения в конечных разностях вида

где XK , УК - отсчета выходного и входного сигналов фильтра соответственно; aij, bi - константы.

Если известны коэффициенты а и bi,отсчеты входного сигнала Xj при j(N+2 и начальные значения Y.i, У.2 ... У-м+i, то используя приведенное выражение, можно рассчитать отсчеты Yj для любого j.

Данный рекурсивный фильтр требует меньшего числа операций на один отсчет, так он использует результаты предыдущих вычислений. Передаточная функция адаптивного полосового фильтра имеет вид:

W,j (К+1) Ws|(K) - 2 S (Щк (Xji)K.«

где Wsj(K) - коэффициент адаптивного полосового фильтра(Х|1)к.5 - сигнал приемника звукового давления - управляющею сигнала-датчика рассогласования (обратной связи) - шаг сигнала управления, определяющий устойчивость и скорость сходимости процессов в ЦВМ, к - шаг вычислений, S 0,lj i j 1..,N п аметры вычислений.

X X - 5

/2 - /C/(C4-V)

N-1N-1

УК + ZbiXK.i

В фазоинверторе 8 изменяется фаза колебаний на 180 (на выходе устройства. Алгоритм работы данного блока следующий: Если и , то -р Если 5)0 и и то - р Если и , то р Если {И) и и , то р Включение системы имеет логику согласно алгоритму в блоке 2:

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 6 осуществляет автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся величины в цифровой код. Процесс преобразования включает процедуры квантования (дискретизация по времени, по уровню) и коддфование. При квантовании непрерывная величина преобразуется в последовательность ее мгновенных значений, выделенных по определенному закону и в совокупноста отображающих исходную величину. В качестве исходной непрерывной величины используется электрический ток ири напряжение. При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются и результаты фиксируются в виде цифрового кода.

АЦП 6 параллельного действия содержат входные комп аторы (), шифратор, преобразующий выходные сигналы в двоичный код и выходной регистр RG, в котором этот код сохраняется в промежутках между соседними отсчетами мгновенных значений входного сигнала. Частота отсчетов равна тактовой частоте сигнала Иг. В параллельном АЦП действует конвейер и каждый функциональный узел в каждом такте обрабатывает свою информацию. Тактовая частота параллельных АЦП с конвейером превышает 20 МГц, позво.пяет преобразовывать аналоговые сигналы с высшей частотой более 10 МГц. Число разрядов в параллельных АЦП бгВ не ограничена имеется возможность наращивания разрядности п шшельным включениям таких преобразователей.

Приемники звукового давления 14,15, 17 мшфофоны - основаны на принципе изменения электрического сопротивления чувствительного элемента под действием звукового давления. Используются пьезоэлектрические преобразователи для восприятия акустических сигналов и преобразования их в электрические.

Электроакустические преобразователи-излучатели вторичного шума 16 возбЗ(Т1да;ают акустические колебания в упругой - во щупшой среде, В излучателях подводимая электрическая энергия преобразуется в механоакустическую, когда за счет колебаний электромеханической системы в среде создается звуковое поле. Работа излучателя основана на взаимодействии переменного электрического тока с магнитным полем, происходят колебания обмотки йКВ ферромагнитного сердечника в переменном магнитном поле и изменение потока при движении обмотки или сердечника.

8

Н Ндоп1

J то включено

J

Цифро-аналоговый преобразователь (ДАЛ) 7 автоматически преобразует числовые коды в эквивален1иые им значения физической величины Коды представляются в двоичной системе исчисления, выходные величины представляют собой электрические ншзряжешш. Обязательной операцией преобразования является аппроксимация выходной величины в промежутках между моментами поступления входных сигналов. ЦАП-7 используется для преобразования цифрового кода в мгновенные значения аналоговых сигналов излучателей 16. Задача ЦАП-7 преобразование двоичного кода в выходное напряжение пропорциональное весовым коэффициентам разрядов двоичной системы счисления. ЦАП представляет собой взвеши-вающую резистивную матрицу,., в которой сумма токов протекающих через общий резистор, щюпордиональнсх весовым коэффициентам двоичных разрядов, а выходное на} ряжеНие пропорциональна двоичному числу. В качестве входашх источников в ЦАП используются формирующие ключи, которые обеспечивают стабильные уровни напряжений логической 1, равные опорному напряжению Ц. Для увеличения выходного сигнала используется операционный усилитель с отрицательной обратной связью.

Структурная схема устройства в ЙК-диапазоне 18 измерителя скорости полета самолетов включает лазерный передатчик, генерирующий импульсы излучения с частотой следования 1 КГц. Л ерное излучение, о а: 1 йнное от движущейся цели в направлении линий визирования, преобрах бт дополнительный доплеровский сдвиг частоты расчетный

где / частота излучения, V - скорость цели, С - скорость света t 3.

Часть излучения ответвляется на фотодиод, выходной импульс которого запускает главный генератор, работающий на частоте 187, 376 МГц. Одновременно начинает работать точный измеритель дальности и в регастр кода дальности записывается точный код дальности. Лазерный локатор одновременно работабет по 4-м целям. Код дальности до каждой из которых щ кщ у еггся с темпом 1кГц.

Для обнаружения цели сканируется поле зрения 30°хЗО(методом даскретного построчного сканирования. Все поле зрения разбивается на 376x376 элементов, а лазерный луч, имеющий диаграмму ншфавленности шириной 0,1°хО,1(перемещается от одного элемента строки к последовательно и дискретно сканирующей системы, управляющейся в цифровой форме.

Принципы действия тепловых датчиков 3 основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения). Для измерения температуры последняя преобразуется в промежуточную величину, например в электрическое сопротивление.( Из всех существующих методов измерение температуры наиболее широко применяются термоэлекфические, С&1.

/Д 2/(У/С),

избыточного, разности давлений в ущ фицировашшй токовый вкссодной сигнал для дистанционной передачи.

1.Noise Canceling Headset system wdergoes Development Test. Aviation Week & Space Technology November 24,1988.

2.Клюкин И.Н. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Судостроение, Ленинград, 1971, стр. 208.

3.Salikudin et al application of active noise ccmtrol to model propeller noise. Journal of Sound and Vibration, 1990, V137, N1, p 9-41.

4.J.P. Smitb, R.A. Burdcrjsso and C.R. Fuller. E qperiments cm the active control of inlet noise from a turboi jot engine using multiple circumferegtaE сШго1 arrays. AIAA 96-1792. American Institute of Aerountics and astronoutics.

5.R.E. Kraft and K.B. Kontes. Teoretical Implications of Amve Noise Confrol for Turbofan Engines AIAA 93-4355.

6.МАР1Ш С.Л.- МЛ. Цифрой спектральный анализ и его приложение. Мир, 1990, стр. 184.

7.Протонов В.В., Устинов Н.Д. Инфракрасные лазерные локационные станции. М. Военное издательство, 1987, стр. 73,164.

8.Алиев Т.М., Хачатуров А.А. Измерительная техника. Москва. Высшая школа, 1991, стр. 147,165.

9.Котик М.Г., Павлов А.В., Пашковский И.М. и др. Летные исшггания самолетов. М. Машиностроение, 1%5, стр. 28.

Jbrreparypa

Claims (1)

1. Система активного управления шумом в помещениях вблизи аэропортов, включающая установленные внутри помещения измерительные каналы шума, выполненные в виде решеток приемников звукового давления, исполнительные элементы, содержащие группу управляемых излучателей вторичного шума, установленные между измерительными приемниками звукового давления, цифровую вычислительную машину (ЦВМ), своим входом связанную через блок полосовых фильтров с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), к входам которых подключены выходы измерительных каналов шума, а выход ЦВМ подключен к первому входу усилителя мощности через цифроаналоговый преобразователь, блок переменной задержки, подключенный к нему своим выходом фазоинвертор с входом, связанным с блоком полосовых фильтров, при этом ЦВМ соединена через блок переменной задержки со вторым входом усилителя мощности, выход которого подключен к исполнительным элементам, отличающаяся тем, что в нее введены вычислитель доплеровских параметров, блок метеорологических параметров окружающей среды, измерители скорости полета ЛА, датчики температуры и давления, связанные с входами блока вычислителя метеорологических параметров, первый выход которого подключен к вычислителю доплеровских параметров, второй выход - ко второму входу ЦВМ, дополнительные наружные микрофоны, установленные ортогонально с четырех сторон помещения, при этом выходы микрофонов связаны с АЦП, выходы вычислителя доплеровских параметров подключены соответственно к блоку полосовых фильтров и ЦВМ.