Układ aktywnej redukcji hałasu przenikającego

Układ aktywnej redukcji hałasu przenikającego przez przegrodę w postaci
płyty mosiężnej
Paweł GÓRSKI1), Emil KOZŁOWSKI1), Gracjan SZCZĘCH2)
1)
Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy
ul. Czerniakowska 16, 00-701 Warszawa
[email protected]
2)
Instytut Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej
ul. Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa
1. Wprowadzenie
Metody aktywne redukcji hałasu są dynamicznie rozwijającym się obszarem nauki, w
którym
do
zwalczania
niepożądanych
dźwięków
(hałasu)
o
charakterze
niskoczęstotliwościowym wykorzystuje się dodatkowe, odpowiednio sterowane źródła energii
wibroakustycznej [1]. Poprawny dobór elementów wykonawczych, pełniących rolę
wspomnianych dodatkowych źródeł energii w dużej mierze decyduje o użyteczności tych
metod i możliwości zastosowania w praktyce. Zdecydowana większość systemów aktywnej
redukcji hałasu (ARH), jako element wykonawczy wykorzystuje dodatkowe źródła dźwięku
w postaci przetworników elektroakustycznych. Jedną z potencjalnych możliwości
powiększenia pola zastosowań systemów ARH jest zastosowanie, jako elementów
wykonawczych aktywnych ustrojów o zmiennej izolacyjności akustycznej [2]. Przyjęto, że
aktywny ustrój o zmiennej izolacyjności akustycznej to układ materiałów zmieniający swoje
właściwości izolacyjne pod wpływem doprowadzonej do niego energii. W artykule
przedstawiono badania aktywnej redukcji hałasu ustroju o zmiennej izolacyjności akustycznej
złożonego z płyty mosiężnej, elementu czynnego oraz układu sterowania [2]. W badaniach
wyznaczono skuteczność aktywnej redukcji hałasu poprzez pomiary natężenia dźwięku
przenikającego przez ustrój z wyłączonym i włączonym systemem aktywnej redukcji.
Pomiary te przeprowadzono z wykorzystaniem trójkierunkowej sondy USP mini Microflown.
2. Stanowisko pomiarowe
Badania przeprowadzono z wykorzystaniem falowodu akustycznego, na którego końcu
zamocowano płytę mosiężną z elementem czynnym aktywnego ustroju o zmiennej
izolacyjności (Rysunek 1). Element czynny w postaci piezolaminatu MFC sterowano za
pomocą układu sterującego. Sterowanie układem aktywnej redukcji hałasu odbywało się
z wykorzystaniem adaptacyjnego filtra NOTCH z algorytmem LMS oraz poprzez ręczną
zmianę opóźnienia i amplitudy sygnału kompensującego. Przy ręcznym sterowaniu
wzmocnienie tego sygnału dobierano w taki sposób, aby w punkcie umieszczenia mikrofonu
pomiarowego mierzony poziom ciśnienia akustycznego był jak najniższy. Mikrofon
pomiarowy umieszczono w punkcie znajdującym na prostej prostopadłej do powierzchni
ustroju w odległości 0,2 m od niej i przechodzącej przez jej środek geometryczny.
Jednocześnie za pomocą tego samego układu sterującego generowano sygnał tonalny o
czterech częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz oraz wzmocnieniach: 0,04, 0,08,
0,16, który był traktowany jako sygnał hałasu.
Rysunek 1 Schemat i widok stanowiska laboratoryjnego
Pomiary wykonano w odległości 30 mm od powierzchni ustroju aktywnego rejestrując
rozkład prędkości akustycznej oraz ciśnienia akustycznego (Rysunek 1). Pomiary prędkości
akustycznej oraz ciśnienia akustycznego w pobliżu powierzchni płyty przeprowadzono z
wykorzystaniem trójkierunkowej sondy USPmini firmy Microflown. Sonda ta umożliwia
bezpośredni pomiar prędkości akustycznej w trzech wymiarach i ciśnienia akustycznego, a
przez to umożliwia wyznaczenie wektora natężenia dźwięku [3]. Podczas badań sonda
pomiarowa przemieszczała się automatycznie po powierzchni pomiarowej, aby pokryła ją
punktami pomiarowymi oddalonymi od siebie o 2 cm. Dla powierzchni 720 cm2 daje to
łącznie 130 jednostkowych punktów pomiarowych. W każdym z nich sonda zatrzymywała się
na około 5 sekund, po czym przesuwała się do kolejnego punktu. Powierzchnia pomiarowa
oddalona była od powierzchni płyty o 5 cm. Do automatycznego przesuwu sondy
wykorzystano specjalnie do tego celu skonstruowany układ przemieszczania sondy.
3. Wyniki pomiarów
Na rysunku 2 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu
natężenia dźwięku przenikającego przez ustrój dla sygnału hałasu o częstotliwości 100 Hz i
wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym (a, b) i włączonym (c, d) systemem ARH. Przed
włączeniem elementu czynnego wyznaczone poziomy ciśnienia akustycznego mieściły się w
granicach 75 - 82 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku zawierały się w przedziale od 80 do
90 dB. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły od
70 dB do 88 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 80 do 93 dB. Wraz z
włączeniem systemu ARH zmienił się rozkład drgań na powierzchni ustroju. W przypadku
płyty bez włączonego systemu ARH rozkład ciśnienia i natężenia przenikającego dźwięku był
bardziej równomierny. Poziom ciśnienia akustycznego zmierzony przez mikrofon pomiarowy
wynosił 71,1 dB dla wyłączonego systemu aktywnej redukcji hałasu, zaś dla włączonego
spadł do 65,9 dB.
Rysunek 2 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i o
wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym i włączonym systemem aktywnej redukcji hałasu
Rysunek 3 obrazuje skuteczność ARH wyznaczonej jako różnica poziomów natężenia
dźwięku z wyłączonym i włączonym systemem ARH dla sygnału hałasu o częstotliwości
100 Hz i o wzmocnieniu 0,04. Na rysunku widoczne jest wyraźna redukcja emitowanego
hałasu zlokalizowana na przekątnej powierzchni ustroju. Z kolei w jednym z rogów ustroju
widoczna jest znaczna degradacja skuteczności dochodząca do -7 dB.
Rysunek 3 Skuteczność aktywnej redukcji hałasu ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia
dźwięku sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04
Rysunek 4 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o
wzmocnieniu 0,08 z wyłączonym i włączonym systemem aktywnej redukcji hałasu
Na rysunku 4 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu
natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla hałasu o częstotliwości 200 Hz i
wzmocnieniu 0,08. przy wyłączonym (a, b) i włączonym (c, d) systemem aktywnej redukcji
hałasu. Przed włączeniem systemu aktywnej redukcji hałasu wyznaczone poziomy ciśnienia
akustycznego mieściły się w granicach 75 - 82 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku zawierały
się w przedziale od 82 do 88 dB. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia
akustycznego wynosiły od 60 dB do 78 dB, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 75
do 82 dB. Poziom ciśnienia akustycznego zbadanego w odległości 20 cm od ustroju wynosił
63,6 dB dla wyłączonego systemu aktywnej redukcji hałasu, zaś dla włączonego spadł do
52 dB.
Rysunek 5 Skuteczność aktywnej redukcji hałasu ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia
dźwięku sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08
Rysunek 5 przedstawia skuteczność aktywnej redukcji hałasu dla pomiaru natężenia
dźwięku sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08. Widoczna jest wyraźna
redukcja hałasu na brzegach płyty, dochodzące do 18 dB. Najniższe wartości skuteczności
aktywnej redukcji widoczne są w centrum płyty i wynoszą ok. 0 dB.
4. Podsumowanie
Na rysunku 6 przedstawiono skuteczność aktywnej redukcji w zależności od
częstotliwości redukowanego hałasu. Zależności te wyznaczono dla trzech różnych
wzmocnień generowanego sygnału hałasu. Największe wartości skuteczności aktywnej
redukcji zmierzone przez mikrofon pomiarowy uzyskano dla częstotliwości 200 Hz i
maksymalnego badanego wzmocnienia (0,16). Dla tego przypadku redukcja hałasu
dochodziła do 16 dB. W tym przypadku wartości aktywnej redukcji hałasu zarejestrowane
sondą oscylowały w granicach 15 dB, a także nie zarejestrowano wartości ujemnych.
Rysunek 6 Skuteczność aktywnej redukcji hałasu sygnałów tonalnych o różnym wzmocnieniu
Porównanie pomiarów przeprowadzonych za pomocą mikrofonu pomiarowego i sondą
pomiarową wykazały, że osiągnięcie dodatniej wartości skuteczności aktywnej redukcji
hałasu mierzonej punktowo nie zawsze przekłada się na zmniejszenie promieniowania ustroju
na całej jego powierzchni. Przykładowo dla sygnału hałasu o częstotliwości 100 Hz i o
wzmocnieniu 0,16 zarejestrowano przy powierzchni ustroju skuteczności dochodzące do
14 dB, jednak skuteczność w punkcie mikrofonu błędu osiągnięto na poziomie jedynie 3 dB.
Powodem tak słabego wyniku była jednoczesna degradacja skuteczności aktywnej redukcji
hałasu w innym miejscu na powierzchni ustroju o wartościach -7 dB. Skuteczność aktywnej
redukcji hałasu była tym większa, im bardziej równomiernie redukcja drgań była rozłożona na
płycie.
Literatura
1. Engel Z., Koradecka D., Augustyńska D., Kowalski P., Morzyński L., Żera J., Zagrożenia
wibroakustyczne, w: Koradecka D. (red), Handbook of occupational safety and health,
New York, CRC Press, 2010, 153 - 198.
2. Górski P., Morzyński L., Sprawozdanie z realizacji pracy: Opracowanie modelu
aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego o zmiennych tłumieniu i izolacyjności,
CIOP-PIB, 2009 - 2010
3. Weyna S., Rozpływ energii akustycznych źródeł rzeczywistych, Warszawa 2005, WNT,
81-112
Publikacja przygotowana na podstawie wyników uzyskanych w ramach pracy statutowej
Centralnego Instytutu Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy.