System

 

Opis systemu Aktywnej Redukcji Hałasu (ARH) do poprawy właściwości dźwiękoizolacyjnych kabin przemysłowych w zakresie niskich częstotliwości akustycznych

 

1. Opis
2. Układ sterujący
3. Elementy pomiarowe
4. Układy wykonawcze
  4.1 Układ do tworzenia stref ciszy
  4.2 Słuchawki aktywne
  4.3 Aktywny zagłówek

 

1. Opis
System aktywnej redukcji hałasu (ARH) opracowano na platformie komputera PC. 
W jego skład wchodzą:
· układ sterujący
· elementy pomiarowe
· elementy wykonawcze
· peryferia (monitor, klawiatura itd.).
Schemat systemu, na którym uwidoczniono wszystkie warianty układu wykonawczego przedstawiony jest na Rys. 1.

 


Rys. 1 Schemat systemu aktywnej redukcji hałasu w kabinach (ARH)

 

Centralnym elementem systemu jest układ sterujący. Jego zadaniem jest przetwarzanie sygnałów pobieranych przez elementy pomiarowe i wysyłanie odpowiedniego sygnału do elementów wykonawczych w trakcie działania systemu. Do układu podłączone są peryferia. Wprawdzie nie biorą one udziału w bezpośrednim działaniu systemu, ale są niezbędne do sterowania układem sterującym oraz wprowadzania i odczytywania wartości odpowiednich parametrów. Za dostarczenie sygnałów (odniesienia i błędu) do układu sterującego odpowiedzialne są elementy pomiarowe. Mogą nimi być mikrofony, akcelerometry, itp. W pewnych zastosowaniach (np.: do redukcji hałasu transformatora umieszczonego w pobliżu kabiny przemysłowej) detektory sygnału odniesienia mogą być zastąpione przetwornikami dostosowującymi parametry sygnału pobieranego wprost ze źródła w postaci sygnału elektrycznego do potrzeb układu sterującego. Istnieją także przypadki, gdzie sygnał odniesienia jest generowany bezpośrednio przez układ sterujący. Przetworzony sygnał wysyłany jest do elementów wykonawczych, które są bezpośrednio odpowiedzialne za powstawanie w obszarze działania elementów wykonawczych stref obniżonego poziomu ciśnienia akustycznego w stosunku do poziomu przed uruchomieniem układu. Tworzą się one wokół detektora sygnału błędu. Zwykle jest to mikrofon, kontrolujący poprawność działania całego systemu.
Projektując układ aktywnej redukcji hałasu do zastosowań w kabinach przemysłowych w poprzednim etapie rozważono i przetestowano kilka wariantów układów wykonawczych prowadzących do obniżenia poziomu hałasu, na który narażony jest pracownik.
Pierwszy z analizowanych wariantów dotyczy utworzenia tzw. stref ciszy. Polega on na wytworzeniu w przestrzeni kabiny pewnego ograniczonego obszaru o obniżonym poziomie ciśnienia akustycznego. Źródło (lub źródła) kompensujące powinny być usytuowane i sterowane w taki sposób aby strefa ciszy obejmowała miejsce, w którym najczęściej znajduje się pracownik. Schematycznie przedstawiono to na Rys. 2.

 


Rys. 2 Tworzenie stref ciszy w kabinie dźwiękoizolacyjnej

 

Prototyp omawianego układu składa się z jednego lub dwóch źródeł kompensujących, detektora sygnału odniesienia, jednego lub dwóch detektorów sygnału błędu oraz uniwersalnego układu sterującego.
Przy tworzeniu obszarów o obniżonym poziomie ciśnienia akustycznego niezwykle istotną rolę odgrywa geometria przestrzenna układu tzn. usytuowanie źródła kompensującego i detektorów pomiarowych. Szczegółowa analiza dotycząca zagadnień stref ciszy w kabinach przemysłowych została przeprowadzona w pierwszym etapie pracy.
Alternatywną do tworzenia stref ciszy metodą jest zastosowanie sterowanych cyfrowo słuchawek aktywnych. Takie rozwiązanie jak wykazano w pierwszym etapie może mieć lepszą skuteczność niż rozwiązania przestrzenne chociaż może być postrzegane przez pracowników jako mniej ergonomiczne. Prototyp układu zbudowany jest ze słuchawek, na których zainstalowano mikrofony będące detektorami sygnału odniesienia i sygnału błędu oraz uniwersalnego sterownika cyfrowego. Podstawowy schemat prototypu pokazano na Rys. 3. , zaś szczegółowy opis zamieszczono w sprawozdaniu z pierwszego etapu pracy.

 


Rys. 3 Schemat prototypu układu aktywnej redukcji hałasu opartego na słuchawkach.

 

W wyniku przeprowadzonych badań wstępnych i analizy możliwości zastosowania metod aktywnych do poprawy właściwości dźwiękoizolacyjnych kabin zdecydowano, że obok równolegle prowadzonych badań dotyczących tworzenia stref ciszy i zastosowania sterowanych cyfrowo aktywnych słuchawek rozpoczęte będą także badania nad zastosowaniem tzw. aktywnego zagłówka.
Aktywny zagłówek jest rozwiązaniem pośrednim pomiędzy wcześniej opisywanymi słuchawkami aktywnymi a układem do generacji stref ciszy. Znacznie mniejsze, niż w przypadku układu generacji stref ciszy, głośniki umieszczone są z bezpośrednim sąsiedztwie głowy operatora, docelowo w zagłówku fotela. W rozwiązaniu modelowym za siedziskiem pracownika umieszczono specjalny stelaż z głośnikami. Rozwiązanie to jest wolne od ograniczeń związanych ze stosowaniem słuchawek aktywnych (kabel zasilający itp.), przy możliwym zachowaniu skuteczności aktywnej redukcji.

 


Rys. 4 Schemat aktywnej redukcji hałasu w wykorzystaniem aktywnego zagłówka

 

2. Układ sterujący
Istotnym elementem składowym każdego z wymienionych powyżej rozwiązań jest uniwersalny układ sterujący będący efektem prac badawczych prowadzonych w Pracowni Aktywnych Metod Redukcji Hałasu Zakładu Zagrożeń Akustycznych i Elektromagnetycznych CIOP. W wersji modelowej systemu aktywnej redukcji hałasu wykorzystano dwa układy działające równolegle oddzielnie dla każdego elementu wykonawczego. Oba oparte są na idei uniwersalnego układu sterującego, a różnią się miedzy sobą jedynie układem wejść i wyjść. Ze względu na prototypowy charakter systemu nie wykonano identycznych modeli, ponieważ docelowy model układu sterującego powinien znajdować się w jednej obudowie. Uniwersalny układ sterujący wykorzystany do budowy prototypu układu aktywnej redukcji hałasu do zastosowania w kabinach dźwiękoizolacyjnych jest urządzeniem zbudowanym na bazie elementów komputera typu PC. Zaimplementowano w nim wybrany w trakcie badań algorytm adaptacji LMS z zastosowaniem filtrów typu NOTCH sterujący pracą źródeł kompensujących.
Układ sterujący odpowiedzialny jest za przetwarzanie sygnałów odniesienia i błędu na sygnał wysyłany do elementów wykonawczych (głośników), powodujących obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego w określonym obszarze w przestrzeni. Sygnały przetwarzane są z wykorzystaniem algorytmów zaimplementowanych w układzie sterującym. Można w nim wyróżnić analogowe układy wejścia i wyjścia, część cyfrową realizującą obliczenia oraz układy zasilające. Wszystkie elementy umieszczono we wspólnej obudowie. Widok układu sterującego wykorzystanego do budowy prototypu pokazano na Rys. 5.

 


Rys. 5 Układy sterujące z peryferiami – widok z przodu.

Obydwa układy sterujące (Rys. 5) wyposażone są w identyczne oprogramowanie. Pracują pod kontrolą systemu operacyjnego MS-DOS. Ma on szereg istotnych zalet w stosunku do nowszych systemów operacyjnych. Podstawową zaletą jest mała objętość systemu i programu sterującego. Oba wymienione elementy oprogramowania z powodzeniem mieszczą się na jednej dyskietce. System operacyjny MS-DOS daje też możliwość pełnej i łatwej kontroli nad komponentami systemu z poziomu języka maszynowego procesora. Właściwość tą wykorzystano do napisania sprawnych procedur pobierania i wysyłania próbek sygnałów. Nie bez znaczenia jest także fakt, że system operacyjny MS-DOS może być traktowany jak systemem czasu rzeczywistego. W nowszych systemach operacyjnych to jądro systemu decyduje o czasie procesora przyznawanym poszczególnym programom. Jest to nie do przyjęcia w układzie, który musi realizować obliczenia w określonych przedziałach czasowych.
O wyborze podstawowej struktury układu do zastosowań w kabinach dźwiękoizolacyjnych zadecydował fakt, że duża część źródeł przy których stosuje się kabiny wytwarza hałas, w którym dominują pewne składowe tonalne. Dla tych określonych składowych tonalnych poziom ciśnienia akustycznego jest od kilku do kilkudziesięciu decybeli wyższy niż dla pozostałych częstotliwości i z tego względu mają one decydujący wpływ na wypadkowy poziom ciśnienia akustycznego. Mówiąc inaczej, obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego dla tych częstotliwości powoduje znaczący spadek wypadkowego poziomu ciśnienia akustycznego. Układem aktywnej redukcji hałasu, który najlepiej nadaje się do tego typu zadań jest układ z adaptacyjnymi filtrami wycinającymi typu NOTCH.

3. Elementy pomiarowe
W układzie do tworzenia stref ciszy jako element pomiarowy przewidziano mikrofony elektretowe o średnicy 10mm, które wraz z przedwzmacniaczami umieszczono w plastikowych tulejach osłonowych jak pokazano na Rys. 9.

 


Rys. 9 Mikrofon pomiarowy z przedwzmacniaczem.

 

Układ aktywnej redukcji hałasu często pracuje w środowisku, w którym występują znaczące zakłócenia elektromagnetyczne a mikrofony pomiarowe umieszczane są w znacznej odległości od urządzenia sterującego. Dzięki umieszczeniu przedwzmacniacza tuż za mikrofonem uzyskujemy lepszą separację sygnału użytecznego od zakłóceń co ma niebagatelny wpływ na skuteczność układu.
Opisane powyżej mikrofony ze względu na swój rozmiar nie nadają się do stosowania w przypadku słuchawek aktywnych, w których mikrofon błędu musi być umieszczony pomiędzy głośnikiem słuchawki a uchem pracownika. W związku z tym, w aktywnych słuchawkach jako detektory zastosowano miniaturowe mikrofony elektretowe typu KCE-2738CBJ produkcji firmy Kingstate o średnicy 6mm i grubości 2,7 mm. Mikrofony te – w przeciwieństwie do większości występujących na rynku mikrofonów miniaturowych – charakteryzują się zwiększoną skutecznością w zakresie niskich częstotliwości akustycznych.

 

4. Układy wykonawcze
W systemie aktywnej redukcji hałasu zastosowano trzy warianty układów wykonawczych. Do układu sterującego możliwe jest podłączenie zestawu głośnikowego (strefy ciszy), słuchawek aktywnych lub aktywnego zagłówka. Szczegółowe rysunki konstrukcyjne obudów głośników i statywów umieszczono w załączniku nr 3. Wymienione elementy wykonawcze zaprojektowano i wykonano , wykorzystując wyniki wstępnych pomiarów  i analiz. 

 

4.1 Układ do tworzenia strefy ciszy
W wyniku analiz przeprowadzonych w poprzednim etapie opracowano i wykonano elementy układu wykonawczego do tworzenia stref ciszy. Przyjęto następujące założenia:
· konstrukcja oparta o głośniki nisko-tonowe charakteryzujące się skutecznością minimum 87dB,
· pasmo przenoszenia min. od 100 do 600Hz
· obudowy źródeł typu zamkniętego, wykonane z materiałów zapewniających ich dużą sztywność,
· jak najmniejsze rozmiary obudowy,
· łatwo dostępne złącza głośnikowe umożliwiające doprowadzenie sygnału sterującego.
W projekcie przewidziano jako elementy wykonawcze głośniki niskotonowe typu GF 200 firmy VISATON.

 

 GF 200 2 X 4 OHM  
frequency- and impedance response
Rys. 12 Głośnik GF 200 firmy VISATON i jego podstawowe parametry

 

Charakteryzują się one następującymi parametrami:

Moc nominalna Powierzchnia membrany Maksymalne wychylenie Skuteczność Indukcja w szczelinie Masa
W cm2 mm dB T kg
120 283 20 88 1,3 2,5

 

Przyjęto obudowę prostopadłościenną o wymiarach zewnętrznych : 300mm x 300mm x 180mm i grubości płyty MDF: 16 mm.

 

4.2 Słuchawki aktywne
Badania w pierwszym etapie pracy wykonane zostały w oparciu o słuchawki o bardzo dobrych parametrach. Ich wadą (z praktycznego punktu widzenia) była cena oraz ograniczona dostępność. W wyniku przeprowadzonych badań zdecydowano się na modyfikację polegającą na zmianie wymagań dotyczących samych słuchawek. Przyjęto następujące założenia:
· słuchawki ogólnie dostępne (obecnie produkowanie, przystępna cena)
· pasmo przenoszenia od min. 100 Hz
· słuchawki typu otwartego,
· niewielka waga i ergonomiczny kształt zapewniający komfort, nawet podczas długotrwałego użytkowania

 


Rys. 15 Słuchawki aktywne

 

Do zastosowania jako słuchawki aktywne wybrano słuchawki typu HD 437 firmy SENNHEISER. Według danych producenta spełniają one wymagania stawiane słuchawką wykorzystywanym w opracowanym układzie aktywnej redukcji hałasu i cechują się następującymi parametrami: 
- otwarte, wokółuszne słuchawki dynamiczne,
- specjalnie opracowany kształt nauszników zapewnia doskonałe brzmienie w pełnym paśmie,
- specjalne wykonanie membrany gwarantujące dużą skuteczność w zakresie niskich częstotliwości,
- neodymowe magnesy,
- niewielka waga i ergonomiczny kształt gwarantują komfort używania, nawet podczas długotrwałego słuchania,
- wygoda użytkowania i możliwość regulacji długości pałąka,
- wykonane z delikatnej tkaniny, wymienne poduszki wokółuszne.
Dane techniczne słuchawek: 
Przetworniki dynamiczne, otwarte 
Pasmo przenoszenia 21 18 000 Hz 
Impedancja 32 Ohm 
THD poniżej 0.5% 
Max. SPL 115 dB 
Kabel OFC 3 m 
Masa 130 g 

 

4.3 Aktywny zagłówek
Aktywny zagłówek stanowi uzupełnienie zestawu układów wykonawczych. Został on zaprojektowany w postaci dwóch głośników umieszczonych w małych obudowach zamkniętych zamocowanych na specjalnej ramie nośnej. Element nośny umieszczono za miejscem siedzenia użytkownika, tak aby głośniki znajdowały się na wysokości głowy. Do wykonania aktywnego zagłówka przyjęto następujące założenia:
· konstrukcja wykorzystuje dwa głośniki niskotonowe lub nisko-średniotonowe o jak najmniejszych gabarytach,
· pasmo przenoszenia do min. 600Hz
· częstotliwość rezonansowa obudowanych głośników nie większa od 150Hz,
· niezależne obudowy głośników,
· konstrukcja umożliwiająca regulację kąta ustawienia głośników względem głowy pracownika w zakresie 0º – 90º oraz szerokości zagłówka w zakresie 30 – 50cm,
· łatwo dostępne złącza głośnikowe, niezależne dla każdego głośnika
· system mocowania umożliwiający instalowanie zagłówka na statywie o regulowanej wysokości

 



Rys. 17 Głośnik ARN-100-10/8 firmy TESLA wraz z podstawowymi parametrami użytkowymi (dane producenta)

 

W projekcie przewidziano jako elementy wykonawcze aktywnego zagłówka głośniki niskotonowe typu ARN-100-10/8 firmy TESLA (Rys. 17).

Głośniki charakteryzują się one następującymi parametrami:

Moc nominalna Powierzchnia membrany Maksymalne wychylenie Skuteczność Indukcja w szczelinie Masa
W cm2 mm dB T kg
25 70,8 4 84 - 0,6

 

Głośniki umieszczono w obudowie o wymiarach zewnętrznych : 200mm x 200mm x 100mm o grubości płyty MDF: 20 mm. 

 

© 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