Badania słuchawek aktywnych

 

Podstawowe badania słuchawek aktywnych przeprowadzone zostały w drugim etapie realizacji zadania badawczego. Wykazały one wysoką skuteczność rozwiązania zarówno przy redukcji pojedynczych tonów jak i sygnału wąskopasmowego będącego sumą tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz. W ostatnim etapie pracy poszerzono zakres badań eksperymentalnych dotyczących słuchawek aktywnych. Zbadano m.in. wpływ poziomu ciśnienia akustycznego tłumionego sygnału oraz rodzaju algorytmu sterowania na działanie systemu. Ponadto wykonano doświadczenia pozwalające określić, czy możliwe jest sterowanie pracą obu przetworników słuchawek przy wykorzystaniu jednego mikrofonu sygnału błędu. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe było by znaczne uproszczenie układu sterującego aktywną redukcją hałasu (możliwość sterowania słuchawkami aktywnymi przy pomocy sterownika jednokanałowego).

Dla większości badań eksperymentalnych dotyczących słuchawek aktywnych układ pomiarowy różni się od układu pomiarowego w którym badano układ do realizacji stref ciszy i zagłówek aktywny. Wynika to z faktu, że rozkład ciśnienia akustycznego we wnętrzu kabiny (pomieszczenia badawczego) nie ma większego znaczenia w przypadku słuchawek, gdyż strefa w której następuje aktywna redukcja hałasu ma bardzo małe rozmiary i znajduje się w bezpośredniej bliskości uszu.

Podstawowym elementem stanowiska do badań słuchawek aktywnych jest tester wykonany z bloku aluminium, w którego wnętrzu umieszczono mikrofon pomiarowy (typ 4135 firmy Brüel&Kjær). Schemat podstawowego układu pomiarowego oraz widok testera z umieszczonymi na nim słuchawkami pokazano na Rys. 18 .

 

                               

 

Rys. 18.  Schemat blokowy układu pomiarowego do badań słuchawek aktywnych.

 

W skład stanowiska badawczego wchodziły również wzmacniacz pomiarowy typu 2636 firmy Brüel&Kjær oraz analizator sygnałów akustycznych typ 2144 tej samej firmy.

W trakcie prowadzonych badań wyznaczano skuteczność aktywnej redukcji dla zestawu słuchawkowego oraz widma częstotliwościowe sygnałów akustycznych pod czaszami słuchawek (sygnał hałasu i sygnał błędu). Przeprowadzono niezależne pomiary dla słuchawki z mikrofonem sygnału błędu oraz dla słuchawki bez mikrofonu. W trakcie badań zmieniano następujące parametry

·        częstotliwość generowanego hałasu – 100Hz i 200Hz,

·        poziom ciśnienia akustycznego hałasu – 103dB i 114dB dla 100Hz oraz 95dB i 106dB dla 200Hz,

·       rodzaj filtru sterującego - filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI) z algorytmem adaptacji w postaci klasycznego algorytmu LMS, oraz filtr pasmowo-zaporowy NOTCH z algorytmem adaptacji FX-LMS.

 

Źródłem hałasu była wykonana w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy kolumna głośnikowa, skonstruowana na bazie głośnika typu M26WR-0908, która była sterowana przez sygnały sinusoidalne generowane bezpośrednio w układzie sterującym. W ten sposób możliwe było wykorzystanie algorytmów z wewnętrznym źródłem sygnału odniesienia.

Oprócz badań dotyczących aktywnej redukcji słuchawek, przeprowadzono również badania widm sygnałów akustycznych wytwarzanych przez przetworniki słuchawkowe, powstałych przy pobudzeniach sygnałem sinusoidalnym o dużej amplitudzie. Schemat układu pomiarowego wykorzystanego w tej części badań został przedstawiony na Rys. 19 .

 

 

Rys. 19.  Schemat blokowy układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk widmowych sygnałów akustycznych wytwarzanych przez przetworniki słuchawkowe przy dużych amplitudach pobudzeń.

 

Przesłanką do przeprowadzenia takich badań były pojawiające się w trakcie badań aktywnej redukcji dodatkowe składowe harmoniczne w widmie sygnału błędu. Składowe te najbardziej uwidaczniały się przy redukcji sygnałów akustycznych o małej częstotliwości i wysokim poziomie ciśnienia akustycznego, co wskazywało na powstawanie zniekształceń nieliniowych spowodowanych przesterowaniem przetworników słuchawkowych.

Badania widm sygnałów akustycznych generowanych przez przetworniki słuchawkowe przeprowadzono dla dwóch częstotliwości sygnałów pobudzających (100Hz i 200Hz) i dla dwóch poziomów ciśnienia akustycznego mierzonego pod słuchawkami (odpowiednio 87dB i 108dB oraz 88dB i 111dB).

Na rysunkach od Rys. 20 do Rys. 35 przedstawione zostały wyniki badań słuchawek aktywnych w zakresie dotyczącym aktywnej redukcji hałasu. Poszczególnymi kolorami zaznaczono na wykresach charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych oraz skuteczności aktywnej redukcji hałasu. Przyjęto następujące oznaczenia kolorystyczne:

·        kolor niebieski – sygnał kompensowany,

·        kolor czerwony – sygnał błędu,

·        kolor zielony – skuteczność aktywnej redukcji.

 

Na Rys. 20 i Rys. 21 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr SOI z algorytmem LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 100Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 103dB. Na Rys. 20 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 21 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Na Rys. 22 i Rys. 23 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr NOTCH z algorytmem FX–LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 100Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 103dB. Na Rys. 22 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 23 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Rys. 20.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 103dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 21.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 103dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

Rys. 22.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 103dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 23.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem

 

FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 103dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

Na Rys. 24 i Rys. 25 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr SOI z algorytmem LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 100Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 114dB. Na Rys. 24 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 25 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Na Rys. 26 i Rys. 27 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr NOTCH z algorytmem FX–LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 100Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 114dB. Na Rys. 26 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 27 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.


Rys. 24.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 114dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 25.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 114dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

Rys. 26.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 114dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 27.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 100Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 114dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

 

Na Rys. 28 i Rys. 29 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr SOI z algorytmem LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 200Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 95dB. Na Rys. 28 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 29 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Na Rys. 30 i Rys. 31 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr NOTCH z algorytmem FX–LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 200Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 95dB. Na Rys. 30 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 31 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Na Rys. 32 i Rys. 33 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr SOI z algorytmem LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 200Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 106dB. Na Rys. 32 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 33 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Na Rys. 34 i Rys. 35 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczności aktywnej redukcji dla układu działającego w oparciu o filtr NOTCH z algorytmem FX–LMS. Źródło pierwotne (hałasu) pobudzane było sygnałem o częstotliwości 200Hz a poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami przed włączeniem układu aktywnej redukcji wynosił 106dB. Na Rys. 34 przedstawiono wyniki uzyskane dla słuchawki z mikrofonem błędu a na Rys. 35 dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu.

Rys. 28.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 95dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 29.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 95dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

Rys. 30.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 95dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 31.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 95dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

Rys. 32.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 106dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 33.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem SOI i algorytmem LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 106dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

Rys. 34.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 106dB i słuchawki z mikrofonem błędu.

Rys. 35.  Charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji w układzie z filtrem NOTCH i algorytmem FX–LMS dla sygnału pobudzającego o częstotliwości 200Hz, sygnału kompensowanego o poziomie ciśnienia akustycznego 106dB i słuchawki bez mikrofonu błędu.

 

Na rysunkach od Rys. 36 do Rys. 39 przedstawiono charakterystyki widmowe sygnałów akustycznych powstających w wyniku pobudzania przetworników akustycznych słuchawek sygnałami o wysokich amplitudach.

Rys. 36.  Widmo sygnału akustycznego o poziomie ciśnienia akustycznego wynoszącym 87dB, powstającego przy pobudzaniu przetwornika słuchawkowego sygnałem o częstotliwości 100Hz.

Rys. 37.  Widmo sygnału akustycznego o poziomie ciśnienia akustycznego wynoszącym 108dB, powstającego przy pobudzaniu przetwornika słuchawkowego sygnałem o częstotliwości 100Hz.

Rys. 38.  Widmo sygnału akustycznego o poziomie ciśnienia akustycznego wynoszącym 88dB, powstającego przy pobudzaniu przetwornika słuchawkowego sygnałem o częstotliwości 200Hz.

Rys. 39.  Widmo sygnału akustycznego o poziomie ciśnienia akustycznego wynoszącym 111dB, powstającego przy pobudzaniu przetwornika słuchawkowego sygnałem o częstotliwości 200Hz.

 

 

Na Rys. 36 i Rys. 37 przedstawiono widma sygnałów akustycznych powstających przy pobudzeniu przetwornika słuchawkowego sygnałem o częstotliwości 100Hz, przy czym amplitudę tego sygnału dobrano w ten sposób, aby poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami wynosił odpowiednio 87dB i 108dB. Na Rys. 38 i Rys. 39 przedstawiono widma sygnałów akustycznych powstających przy pobudzeniu przetwornika słuchawkowego sygnałem o częstotliwości 200Hz, przy czym amplitudę tego sygnału dobrano w ten sposób, aby poziom ciśnienia akustycznego mierzony pod słuchawkami wynosił odpowiednio 88dB i 111dB. W widmach sygnałów o wyższym poziomie ciśnienia akustycznego można zaobserwować pojawiające się składowe częstotliwościowe będące harmonicznymi tonu pobudzającego.

W trakcie badań słuchawek aktywnych oprócz charakterystyk częstotliwościowych wyznaczano również skuteczność aktywnej redukcji wyrażoną w decybelach zarówno dla słuchawki z mikrofonem błędu jak i dla słuchawki nie zawierającej tego mikrofonu. Uzyskane wyniki przedstawione zostały w postaci dwóch tabel, przy czym Tabela 3.4 zawiera wyniki uzyskane dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 100Hz a Tabela 3.5 zawiera wyniki uzyskane dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 200Hz.

 

Rodzaj filtru i

algorytmu

słuchawka bez mikrofonu/z

mikrofonem

poziom ciśnienia akustycznego

mierzonego pod słuchawkami

[dB]

skuteczność

aktywnej

redukcji [dB]

różnica skuteczności między słuchawkami [dB]

przed uruchomieniem systemu ARH

po uruchomieniu systemu ARH

FIR z alg. LMS

bez

103

96

7

30

z

66

37

NOTCH z alg. FXLMS

bez

98

5

27

z

71

32

FIR z alg. LMS

bez

114

106

8

31

z

75

39

NOTCH z alg. FXLMS

bez

108

6

20

z

88

26

Tabela 3.4     Wyniki pomiarów skuteczności aktywnej redukcji dla hałasu w postaci tonu o częstotliwości 100Hz

 

Rodzaj filtru i

algorytmu

słuchawka bez mikrofonu/z

mikrofonem

poziom ciśnienia akustycznego mierzonego pod słuchawkami

[dB]

skuteczność aktywnej

redukcji [dB]

różnica skuteczności między słuchawkami [dB]

przed uruchomieniem systemu ARH

po uruchomieniu systemu ARH

FIR z alg. LMS

bez

95

88

7

19

z

69

26

NOTCH z alg. FXLMS

bez

87

8

18

z

69

26

FIR z alg. LMS

bez

106

98

8

19

z

79

27

NOTCH z alg. FXLMS

bez

97

9

18

z

79

27

Tabela 3.5     Wyniki pomiarów skuteczności aktywnej redukcji dla hałasu w postaci tonu o częstotliwości 200Hz.

 

Przedstawione wyniki badań pokazują, że dla słuchawek aktywnych skuteczność aktywnej redukcji sięga niemal 40dB. Badania uwidoczniły również bardzo dużą różnicę skuteczności pomiędzy słuchawką bez mikrofonu sygnału błędu a słuchawką wyposażoną w ten mikrofon.

 

© 2002-2004 Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy www.anc.pl, www.ciop.pl
 
01 Portal wiedzy o BHP - Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy