SYSTEM AKTYWNEJ REDUKCJI DLA HAŁASU O PRZEBIEGU OKRESOWYM
Active Reduction System For Periodic Noise

Paweł Górski, Wiktor M. Zawieska,

Centralny Instytut Ochrony Pracy
Central Institute for Labour Protection
ul. Czerniakowska 16, 00-701 Warszawa

W pracy przedstawiono układ Aktywnej Redukcji Hałasu (ARH) zoptymalizowany pod kątem redukcji hałasu wąskopasmowego. Układ oparto na uniwersalnym kontrolerze ARH, który wyposażono w algorytm oparty o równoległe filtry wycinające i układ generacji sygnału. System przetestowano w warunkach laboratoryjnych i rzeczywistych do redukcji hałasu transformatora energetycznego. Przeprowadzone badania potwierdziły przydatność opracowanego systemu do redukcji hałasów okresowych.

This paper presents the Active Noise Reduction (ARH) system for narrow-band noise. This system has been built on the ARH universal controller, which has been fitted with an algorithm base on parallel and cutting filters and a system for signal generating. This system has been tested in a laboratory and in the open field to the reduce noise of power transformer. The study confirms the usefulness of an elaborated algorithm to the reduce periodical noise. 

1. WSTĘP

W środowisku pracy i życiu człowieka często mamy do czynienia z hałasami o przebiegu okresowym (hałas transformatorów, wentylatorów, pomp itp.). Często jest to źródło hałasu niskoczęstotliwościowego o charakterze wąskopasmowym. Widmo hałasu emitowanego przez podane wyżej urządzenia charakteryzuje się wyraźnie wyróżnionymi składowymi tonalnymi o częstotliwościach stanowiących wielokrotność częstotliwości sieci zasilającej. W ramach prowadzonych badań w CIOP opracowano system Aktywnej Redukcji Hałasu (ARH) zoptymalizowany pod kątem redukcji hałasów o przebiegu okresowym. W wyniku analiz teoretycznych i badań laboratoryjnych do zastosowań w warunkach rzeczywistych wybrano układ z filtrami wycinającymi w postaci równoległej, dla którego uzyskano najlepsze parametry akustyczne i użytkowe.

2. UKŁAD ARH

Konstrukcja opracowanego systemu ARH transformatora energetycznego oparta została na założeniach uniwersalnego systemu do badań nad aktywną kompensacją parametrów pola akustycznego zbudowanego w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy w Pracowni Aktywnych Metod Redukcji Hałasu, [4, 7]. 
W projekcie układu ARH uwzględniono uwagi wynikające z eksploatacji uniwersalnego systemu. Wprowadzono syntezę ekwiwalentu sygnału odniesienia eliminując konieczność stosowania klasycznego detektora pomiarowego, jakim jest mikrofon [1,2]. Pominięcie mikrofonu jako elementu mierzącego parametry hałasu jest podejściem jak najbardziej pożądanym, gdyż eliminuje się w ten sposób sprzężenie akustyczne pomiędzy źródłem wtórnym i tymże mikrofonem. Po zminimalizowaniu wpływu wzajemnego usytuowania w przestrzeni elementów pomiarowych i wykonawczych o stabilnej pracy systemu aktywnej redukcji decyduje w takim przypadku głównie zastosowany algorytm adaptacyjny. Do wytworzenia sygnału odniesienia kontrolera wąskopasmowego systemu ARH stosuje się syntezatory lub generatory sygnałów okresowych synchronizowane z sygnałem emitowanym przez źródło hałasu [3,6]. Wprowadzono dodatkowe zabezpieczenie kontrolera przed przesterowaniem torów wykonawczych, które umieszczono wewnątrz procedur realizujących algorytmy adaptacyjne. Zabezpieczenie wykazało swoją skuteczność podczas badań wykonywanych w warunkach rzeczywistych. 
Podstawową strukturę kontrolera z adaptacyjnym filtrem wycinającym dla sygnału w postaci pojedynczego tonu [5] przedstawiono na Rys. 1.

Rys. 1 System aktywnej redukcji hałasu z pojedynczym adaptacyjnym filtrem wycinającym

Gdzie: d(n) – sygnał kompensowany; y_o(n) – sygnał kompensujący e(n) – sygnał błędu; S(z) – transmitancja wtórnej ścieki sygnału
Zakładamy, że sygnał wzorcowy d(n) ma postać tonu o pulsacji ω0 i przesunięciu fazy φ0:

(1)

Generator zsynchronizowany ze źródłem hałasu wąskopasmowego wytwarza sygnał odniesienia składający się z dwóch składników:

(2)

Sygnał kompensujący y(n) uzyskiwany jest w wyniku następującej operacji (filtrowania):

(3)

Sygnał błędu jest minimalizowany przez zastosowanie algorytmu najmniejszych, średnich kwadratów LMS, który aktualizuje wagi w00 oraz w01 filtru wycinającego zgodnie z zależnościami:

(4)

Przedstawiona struktura przeznaczona do redukcji hałasu w postaci pojedynczego tonu może być przez zastosowanie równoległych struktur dostosowana do redukcji hałasu, w skład, którego wchodzi kilka częstotliwości. Dla n składowych kontroler zawiera n adaptacyjnych filtrów wycinających. Każdy z tych filtrów przetwarza wewnętrznie wygenerowane sygnały sinusoidalne (kosinusoidalne) o częstotliwościach odpowiadających częstotliwościom składowym redukowanego hałasu. Sygnały wyjściowe (kompensujące) filtrów podawane są na wspólny węzeł sumacyjny, z którego sygnał wyjściowy przeznaczony jest do zasilania źródła wtórnego. Sygnał błędu jest wspólny dla wszystkich filtrów wycinających.

3. POMIARY

Pomiary testujące opracowany układ przeprowadzono dla dwóch różnych ustawień źródeł wtórnych i mikrofonu błędu. Szkic obu ustawień przedstawiono na Rys. 2.

Rys. 2 Schemat ustawień mikrofonu błędu i źródła wtórnego podczas pomiarów

System aktywnej redukcji hałasu przed rozpoczęciem pracy powinien być prawidłowo skonfigurowany. Ten złożony proces dotyczy zarówno odpowiedniego rozmieszczenia elementów pomiarowych i wykonawczych, jak również ustalenia parametrów algorytmu sterującego zaimplementowanego w kontrolerze. W ramach badań laboratoryjnych opracowano procedury uruchomieniowe systemu aktywnej redukcji, które następnie zostały zweryfikowane podczas pomiarów w warunkach rzeczywistych. Sprawdzona została poprawność działania algorytmu dla poszczególnych składowych sygnału z zakresu działania układu przez ustalenie odpowiedniej odległości mikrofonu błędu od źródła wtórnego i zdefiniowanie przesunięć fazowych pomiędzy sygnałem kompensowanym i kompensującym oddzielnie dla każdej badanej składowej harmonicznej. Pomiary wykonano dla różnych parametrów kontrolera, ze szczególnym uwzględnieniem redukcji wielu składowych harmonicznych zawartych w hałasie transformatora.

4. WYNIKI

Przykładowe wyniki pomiarów aktywnej redukcji hałasu transformatora przedstawiono na Rys. 3, gdzie pokazano skuteczność aktywnej redukcji obliczoną jako różnica poziomów przy wyłączonym i włączonym systemie aktywnej redukcji.

Rys. 3 Skuteczność aktywnego tłumienia układu z algorytmem wewnętrznej generacji sygnału odniesienia o częstotliwościach 100, 200, 300, 400 i 500 Hz

Strefy aktywnej redukcji tj. obszary przestrzeni, w których zaobserwowano redukcję hałasu spowodowaną działaniem układu ARH są zbliżone kształtem do obszarów sferycznych o średnicy 1m. Widok stref aktywnych dla ustawienia 1 i 2 przedstawiono na Rys. 4.

Rys. 4 Strefy aktywne zmierzone podczas pracy systemu aktywnej redukcji 

Pomiary wykonano w płaszczyźnie na wysokości 1m nad powierzchnią ziemi. Podczas eksperymentu system aktywnej redukcji pracował w trybie dwukanałowym (dwa mikrofony błędu i dwa źródła wtórne). Obszar pomiaru był ograniczony z jednej strony przez badany transformator, z drugiej przez otaczające go obiekty rozdzielni energetycznej. Pomiary wykazały, że strefa ciszy, której granice określają wartości redukcji hałasu równe 3dB stanowią stożki o kącie bryłowym około 15 stopni. Wyniki pomiarów w trybie dwukanałowym pokrywają się z wynikami uzyskanymi w trybie jednokanałowym dla dwóch ustawień źródeł wtórnych. Oznacza to, że stosując układy wielokanałowe możliwe jest zwiększanie stref aktywnej redukcji przez odpowiedni dobór położeń źródeł wtórnych, tak aby te strefy związane z poszczególnymi źródłami nie pokrywały się. Podejście polegające na nakładaniu stref aktywnej redukcji w celu zwiększenia skuteczności działania systemu aktywnej redukcji nie jest prawidłowe, bowiem wzajemne oddziaływanie źródeł wtórnych powoduje wręcz pogorszenie uzyskiwanych wyników.

5. WNIOSKI

Najlepsze parametry użytkowe uzyskano dla systemu aktywnej redukcji skonfigurowanego jako układ wąskopasmowy z adaptacyjnymi filtrami wycinającymi pracującymi równolegle. Skuteczność redukcji hałasu w zakresie częstotliwości od 100 Hz do 500Hz dla składowych harmonicznych dochodziła do 30dB, natomiast w skali liniowej uzyskano redukcję poziomu ciśnienia akustycznego o 11dB do 13dB. Rozmiar obszarów, w których obserwowany jest efekt aktywnej redukcji zależy od parametrów akustycznych źródła hałasu, wzajemnego położenia źródła hałasu, źródła wtórnego i mikrofonu błędu oraz parametrów środowiska akustycznego, w którym te elementy są zlokalizowane.
Uzyskanie globalnego efektu aktywnej redukcji jest możliwe, gdy źródło wtórne jest zlokalizowane w bezpośrednim sąsiedztwie źródła hałasu tak, aby możliwe było jego bezpośrednie oddziaływanie na charakterystyki promieniowania źródła hałasu.

LITERATURA

1. Hulings III W.J., Noise cancellation technologies, Inc. – products and developments, Proc. Inter-noise 94, pp.2201 – 2202, August, 1994
2. Kuo S.M., Morgan D.R., Active noise control systems - algorithms and DSP implementations, Wiley Series in Telecomunications and Signal Processing, John Wiley and Sons, 1996
3. Lee S.M., Lee H.J., Yoo Ch.H., Youn D.H., Cha I.W., An active noise control algorithm for controlling multiple sinusoids, J. Acoust. Soc. Am., 104 (1), pp.248 – 254, 1998
4. Makarewicz G., Morzyński L. i inni, Optymalizacja układu aktywnej kompensacji parametrów pola akustycznego pod kątem stabilności pracy w warunkach rzeczywistych, sprawozdanie z zadania badawczego 03.8.11 wykonanego w ramach Programu Wieloletniego “Bezpieczeństwo i ochrona zdrowia człowieka w środowisku pracy”, Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa, 1998-2000,
5. Na H.S., Active tonal noise canceller with frequency tracking, Proc. Inter-noise 96, pp.1151 – 1154, 1996
6. Usagawa T., Shimada Y., Nishimura Y., Ebata M., Active control of periodic noise using motional feedback, Proc. Inter-noise 94, Yokohama, Japan, pp.1203 – 1206, August, 1994
7. Zawieska W., Górski P. i inni, Analiza i synteza układu aktywnej redukcji hałasu wytwarzanego przez transformatory energetyczne, sprawozdanie z zadania badawczego 03.8.12 wykonanego w ramach Programu Wieloletniego “Bezpieczeństwo i ochrona zdrowia człowieka w środowisku pracy”, Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa, 1998-2001

© 2002-2004 Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy www.anc.pl, www.ciop.pl