Badania zagłówka aktywnego

 

Badania eksperymentalne zagłówka aktywnego podzielone zostały na trzy serie pomiarowe. W serii pierwszej badano rozkłady skuteczności aktywnej redukcji hałasu oraz charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych dla różnych rodzajów sygnału hałasu i różnych ustawień głośników zagłówka. W drugiej serii przeprowadzono pomiary rozkładów aktywnej skuteczności oraz charakterystyk częstotliwościowych sygnałów akustycznych dla zagłówka, którego głośniki skierowane były w stronę uszu manekina pomiarowego, zmieniała się natomiast odległość tych głośników od głowy manekina oraz położenie mikrofonów sygnałów błędu. W serii trzeciej dokonano pomiarów rozkładów aktywnej skuteczności przy takich samych ustawieniach zagłówka jak w serii drugiej, ale w jednym z pomieszczeń laboratoryjnych (z pominięciem kabiny dźwiękoizolacyjnej). Dzięki tym pomiarom sprawdzony został wpływ pomieszczenia i wynikających z jego właściwości rozkładów poziomu ciśnienia akustycznego na działanie aktywnego zagłówka.

W trakcie pierwszej serii pomiarowej badano działanie układu zagłówka aktywnego dla trzech różnych położeń głośników zagłówka aktywnego, pokazanych na Rys 40 .

 

   

a)   

b)

c)

Rys 40.  Warianty ustawienia głośników zagłówka aktywnego w trakcie badań doświadczalnych.

 

Głośniki zagłówka mogły być ustawione w taki sposób, że linia symetrii każdego z głośników w stosunku do linii łączącej uszy manekina położona była:

·        prostopadle (Rys 40 a),

·        ukośnie – pod kątem 45º (Rys 40 b),

·        równolegle (Rys 40 c).

Wyniki pomiarów rozkładu skuteczności aktywnej redukcji hałasu dla różnych ustawień głośników zagłówka pokazano na Rys 41 , Rys 42 i Rys 43 .

 

Rys 41.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i prostopadłego ustawienia głośników zagłówka.

 

Rys 42.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i głośników zagłówka ustawionych pod kątem 45º.

 

Rys 43.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i równoległego ustawienia głośników zagłówka.

 

Dla rozwiązania w postaci zagłówka aktywnego udało się uzyskać stabilną pracę systemu dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz przy równoległym i ukośnym ustawieniu głośników zagłówka. Uzyskanie stabilnej pracy systemu dla takiego sygnału hałasu przy prostopadłych ustawieniach głośników zagłówka wymagało wyłączenia redukcji tonu o częstotliwości 300Hz w lewym kanale zagłówka.

Na rysunkach od Rys 44 do Rys 49 przedstawione zostały charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych mierzonych za pomocą mikrofonów sygnału błędu oraz skuteczności i odchylenie standardowe skuteczności aktywnej redukcji hałasu dla trzech ustawień głośników zagłówka aktywnego. Sygnał hałasu miał postać sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz. Każdy z pomiarów został powtórzony pięciokrotnie i na tej podstawie obliczono odchylenie standardowe skuteczności aktywnej redukcji. Na wykresach poszczególnymi kolorami zaznaczono: sygnał akustyczny przed włączeniem układu aktywnej redukcji hałasu (kolor granatowy), sygnał akustyczny po włączeniu układu aktywnej redukcji hałasu (kolor czerwony), skuteczność aktywnej redukcji (kolor niebieski) i odchylenie standardowe skuteczności aktywnej redukcji (kolor żółty).

Rys 44.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych, skuteczność aktywnej redukcji i odchylenie standardowe skuteczności dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i prostopadłego ustawienia głośników zagłówka – mikrofon lewy.

 

Rys 45.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych, skuteczność aktywnej redukcji i odchylenie standardowe skuteczności dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i prostopadłego ustawienia głośników zagłówka – mikrofon prawy.

Rys 46.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych, skuteczność aktywnej redukcji i odchylenie standardowe skuteczności dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i ukośnego ustawienia głośników zagłówka – mikrofon lewy.

Rys 47.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych, skuteczność aktywnej redukcji i odchylenie standardowe skuteczności dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i ukośnego ustawienia głośników zagłówka – mikrofon prawy.

Rys 48.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych, skuteczność aktywnej redukcji i odchylenie standardowe skuteczności dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i równoległego ustawienia głośników zagłówka – mikrofon lewy.

Rys 49.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych, skuteczność aktywnej redukcji i odchylenie standardowe skuteczności dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 50Hz do 400Hz i równoległego ustawienia głośników zagłówka – mikrofon prawy.

 

 

Przedstawione charakterystyki pokazują, że skuteczność redukcji poszczególnych składowych harmonicznych sygnału hałasu dochodzi do 25dB i zależy od konfiguracji źródeł wtórnych jak również od położenia detektorów sygnałów błędu. W najgorszych przypadkach nie jest możliwe uzyskanie stabilnej pracy układu (dla składowej o częstotliwości 300Hz przy prostopadłym ustawienia głośników) bądź następuje podwyższenie poziomu ciśnienia akustycznego w danym zakresie częstotliwości (dla składowej o częstotliwości 350Hz na
Rys 45 i Rys 47 ).

W dalszej części badań eksperymentalnych zbadane zostało działanie układu dla sygnałów hałasu w postaci pojedynczego tonu o częstotliwościach będących krotnościami częstotliwości 50Hz z zakresu od 50Hz do 400Hz. Na rysunkach od Rys 50 do Rys 57 przedstawione zostały charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych oraz skuteczności i odchylenie standardowe skuteczności aktywnej redukcji mierzonych i wyznaczanych za pomocą mikrofonów sygnałów błędu w układzie aktywnego zagłówka. Wykresy uzyskane dla poszczególnych mikrofonów sygnału błędu i dla trzech ustawień źródeł wtórnych (zgodnych z Rys 40 ) zostały pogrupowane na rysunkach zgodnie ze schematem przedstawionym w Tabeli 3.6.

 

ustawienie głośników aktywnego zagłówka:

prostopadłe

mikrofon lewy

ustawienie głośników aktywnego zagłówka:

prostopadłe

mikrofon prawy

ustawienie głośników aktywnego zagłówka:

ukośne

mikrofon lewy

ustawienie głośników aktywnego zagłówka:

ukośne

mikrofon prawy

ustawienie głośników aktywnego zagłówka:

równoległe

mikrofon lewy

ustawienie głośników aktywnego zagłówka:

równoległe

mikrofon prawy

Tabela. 3.6.     Sposób grupowania wykresów na rysunkach od Rys 50 do Rys 57 .

 

 

Na wykresach tych przyjęto następujące oznaczenia barwne:

·        kolor granatowy – sygnał akustyczny mierzony przed włączeniem układu aktywnej redukcji,

·        kolor czerwony – sygnał akustyczny mierzony po włączeniu układu aktywnej redukcji,

·        kolor żółty – skuteczność aktywnej redukcji,

·        kolor niebieski – odchylenie standardowe skuteczności aktywnej redukcji

 

Rys 50.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 50Hz.

 

Rys 51.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 100Hz.

 

Rys 52.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 150Hz.

 

 

Rys 53.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 200Hz.

 

Rys 54.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 250Hz.

 

Rys 55.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 300Hz..

 

Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 300Hz zostały zmierzone tylko w układach z ukośnym i równoległym ustawieniem głośników zagłówka. Przy prostopadłym ustawieniu głośników zagłówka nie udało się uzyskać stabilnej pracy systemu.

Rys 56.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 350Hz.

 

Rys 57.  Charakterystyki częstotliwościowe dla sygnału hałasu w postaci tonu o częstotliwości 400Hz.

 

W Tabeli 3.7, Tabeli 3.8 i Tabeli 3.9 przedstawione zostały skuteczności aktywnej redukcji dla sygnałów o określonych częstotliwościach, odpowiadających częstotliwości z jaką pobudzane było źródło hałasu. Skuteczność ta została obliczona jako różnica wysokości prążków widm zmierzonych sygnałów dla wybranej częstotliwości. W Tabeli 3.7. przedstawiono skuteczności aktywnej redukcji dla aktywnego zagłówka z głośnikami ustawionymi prostopadle, w Tabeli 3.8. dla aktywnego zagłówka z głośnikami ustawionymi ukośnie a w Tabeli 3.9 dla aktywnego zagłówka z głośnikami ustawionymi równolegle. Ustawienia, dla których nie udało się uzyskać stabilnej pracy układu oznaczono w tabelach symbolem „N”

 

Częstotliwość [Hz]

50

100

150

200

250

300

350

400

Skuteczność aktywnej redukcji [dB]

mikrofon lewy

14

26

27

32

31

N

25

24

mikrofon prawy

16

31

27

33

31

N

-28

28

Tabela 3.7.    Skuteczność aktywnej redukcji aktywnego zagłówka z głośnikami ustawionymi prostopadle.

 

Częstotliwość [Hz]

50

100

150

200

250

300

350

400

Skuteczność aktywnej redukcji [dB]

mikrofon lewy

15

25

28

31

37

33

33

31

mikrofon prawy

17

30

31

31

32

35

-27

26

Tabela 3.8.    Skuteczność aktywnej redukcji aktywnego zagłówka z głośnikami ustawionymi ukośnie.

 

Częstotliwość [Hz]

50

100

150

200

250

300

350

400

Skuteczność aktywnej redukcji [dB]

mikrofon lewy

16

22

30

31

31

32

33

31

mikrofon prawy

18

33

28

33

32

34

-10

25

Tabela 3.9.    Skuteczność aktywnej redukcji aktywnego zagłówka z głośnikami ustawionymi równolegle.

 

Dla lewego detektora sygnału odniesienia, sygnałów hałasu o częstotliwościach powyżej 250Hz i dla wszystkich trzech ustawień głośników zagłówka obserwuje się wzrost poziomu ciśnienia akustycznego dla wyższych częstotliwości. Może to być przyczyną utraty stabilności systemu.

 

W drugiej serii pomiarowej dotyczącej aktywnego zagłówka zbadane zostały rozkłady aktywnej skuteczności oraz charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych docierających do mikrofonów umieszczonych w uszach manekina dla zagłówka, którego głośniki skierowane były w stronę uszu manekina pomiarowego. W trakcie tych badań zmieniała się odległość głośników od głowy manekina oraz położenie mikrofonów sygnałów błędu. Sygnału hałasu miał postać sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz do 800Hz.

Na Rys 58 przedstawiono sposób umieszczenia głośników aktywnego zagłówka w trakcie drugiej i trzeciej sesji pomiarowej. Symbolem H oznaczono odległość głośników zagłówka od ich skrajnego zewnętrznego położenia na stelażu mocującym, przy czym dla H = 0 głośniki aktywnego zagłówka znajdują się w odległości dmax = 12cm od uszu manekina. Symbolem h oznaczono odległość mikrofonu błędu od powierzchni głośnika. Zaznaczono charakterystyczne odległości (H i h) które były zmieniane w trakcie pomiarów. Odległości te zmieniano równocześnie dla obu głośników zagłówka, tak że środek symetrii zagłówka pokrywał się ze środkiem symetrii głowy.

 

Rys 58.  Schemat rozmieszczenia elementów aktywnego zagłówka w stosunku do głowy manekina w czasie drugiej i trzeciej serii pomiarowej z zaznaczonymi odległościami charakterystycznymi.

 

Na rysunkach od Rys 59 do Rys 70 przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań. Na wykresach tych przyjęto następujące oznaczenia barwne:

·        kolor czerwony – sygnał akustyczny mierzony przed włączeniem układu aktywnej redukcji,

·        kolor zielony – sygnał akustyczny mierzony po włączeniu układu aktywnej redukcji,

·        kolor niebieski – skuteczność aktywnej redukcji,

 

 

 

Na Rys 59 i Rys 60 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji mierzone w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 0cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 2cm.

 

Rys 59.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 0cm i h = 2cm – mikrofon lewy.

 

Rys 60.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 0cm i h = 2cm – mikrofon prawy.

 

Na Rys 61 i Rys 62 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji mierzone w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 0cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 5cm.

 

Rys 61.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 0cm i h = 5cm – mikrofon lewy.

 

Rys 62.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 0cm i h = 5cm – mikrofon prawy.

 

Na Rys 63 i Rys 64 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji mierzone w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 0cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 11cm.

Rys 63.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 0cm i h = 11cm – mikrofon lewy.

Rys 64.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 0cm i h = 5cm – mikrofon prawy.

 

Na Rys 65 i Rys 66 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji mierzone w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 6cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 2cm.

Rys 65.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 6cm i h = 2cm – mikrofon lewy.

 

Rys 66.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 6cm i h = 2cm – mikrofon prawy.

 

Na Rys 67 i Rys 68 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji mierzone w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 6cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 5cm.

Rys 67.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 6cm i h = 5cm – mikrofon lewy.

 

Rys 68.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 6cm i h = 5cm – mikrofon prawy.

 

Na Rys 69 i Rys 70 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji mierzone w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 9cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 2cm.

Rys 69.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 9cm i h = 2cm – mikrofon lewy.

 

Rys 70.  Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów akustycznych i skuteczność aktywnej redukcji zagłówka i dla ustawień H = 9cm i h = 2cm – mikrofon prawy.

 

 

Wyniki przeprowadzonych badań pokazują, że skuteczność aktywnej redukcji dla poszczególnych składowych harmonicznych sygnału hałasu dochodzi do 25dB. Przy zmniejszaniu odległości między głośnikami zagłówka a uszami manekina wyraźnie widoczny jest wzrost poziomu mierzonych szumów, których źródłem jest sam układ aktywnej redukcji.

Na Rys 71 pokazano mapę rozkładu skuteczności aktywnej redukcji hałasu, zmierzonej dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz do 800Hz w układzie zagłówka aktywnego dla ustawień źródeł wtórnych H = 9cm i ustawień mikrofonów sygnału błędu h = 2cm.

Rys 71.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz do 800Hz i dla ustawień H = 9cm i h = 2cm.

 

W układzie tym osiągnięto skuteczność dochodzącą do 9dB (6dB w okolicach uszu manekina), jednak pod względem ergonomii użytkowania nie jest to zbyt dobre rozwiązanie. Umieszczenie elementów układu aktywnej redukcji tak blisko uszu chronionego pracownika ogranicza praktycznie do zera swobodę ruchu głową.

 

Ostatnia, trzecia seria pomiarowa, której wyniki w postaci map skuteczności aktywnej redukcji przedstawione zostały na Rys 72 , Rys 73 i Rys 74 dotyczyła pomiarów przeprowadzonych nie w kabinie dźwiękoizolacyjnej lecz w innym pomieszczeniu laboratoryjnym. Ich celem było zbadanie wpływu warunków akustycznych (rozkład poziomu ciśnienia akustycznego) panujących w miejscu umieszczenia zagłówka na skuteczność aktywnej redukcji. Podobnie jak w drugiej serii badań, pomiary zostały przeprowadzone dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz do 800Hz Sposób rozmieszczenia elementów aktywnego zagłówka w stosunku do głowy manekina i obszaru pomiarowego został uwidoczniony na przedstawionych mapach. Rozkłady skuteczności zmierzono dla dwóch ustawień źródeł wtórnych i mikrofonów sygnału błędu.

W trakcie przeprowadzonych badań sprawdzono również jaki wpływ na wyniki pomiarów ma rozrzut parametrów elektrycznych układów sterujących aktywną redukcją. W tym celu przeprowadzono pomiary przy takich samych ustawieniach głośników zagłówka i mikrofonów sygnału błędu, lecz zamieniając stronami układy sterujące. W pierwszym przypadku, przedstawionym na Rys 73 , układ sterujący lewego źródła sterował źródłem lewym a układ sterujący źródła prawego sterował źródłem prawym (LL-PP). W drugim przypadku, przestawionym na Rys 74 , zamieniono miejscami układy sterujące tak, że układ sterujący źródła lewego sterował źródłem prawym a układ sterujący źródła prawego sterował źródłem lewym (LP-PL).

Rys 72.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz do 800Hz, dla ustawień H = 9cm i h = 2cm.

Rys 73.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz
do 800Hz, dla ustawień H = 6cm i h = 5cm i dla konfiguracji układów
sterujących LL-PP.

Rys 74.  Mapa rozkładu skuteczności aktywnej redukcji w układzie zagłówka dla sygnału hałasu w postaci sumy ośmiu tonów harmonicznych z zakresu od 100Hz
do 800Hz, dla ustawień H = 6cm i h = 5cm i dla konfiguracji układów
sterujących LP-PL.

 

Uzyskane wyniki pokazują, że skuteczność aktywnej redukcji dochodziła do 9dB i była porównywalna z tą obserwowaną w trakcie pomiarów przeprowadzonych w dźwiękoizolacyjnej kabinie przemysłowej. Inny natomiast był kształt uzyskiwanych stref ciszy. Na podstawie wyników pomiarów pokazanych na Rys 73 i Rys 74 można stwierdzić, że rozrzut parametrów elektrycznych układu sterującego w bardzo małym stopniu wpływa na skuteczność i rozkład skuteczności aktywnej redukcji.

 

© 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