Wielokanałowy system aktywnej redukcji hałasu transmitowanego przez szklane przegrody z wykorzystaniem algorytmu rotacyjnego

Celem projektu było opracowanie rozwiązania technicznego w postaci wielokanałowego systemu aktywnej redukcji hałasu działającego z wykorzystaniem algorytmu rotacyjnego, umożliwiającego redukcję niskoczęstotliwościowego hałasu transmitowanego przez szklane przegrody. W ramach realizacji 1. etapu przeprowadzono prace teoretyczne oraz badania symulacyjne pod kątem opracowania wielokanałowego systemu aktywnej redukcji hałasu transmitowanego przez przegrody szklane z wykorzystaniem algorytmu rotacyjnego. Przyjęto, że przegroda szklana, dla której zostanie zastosowany wielokanałowy system aktywnej redukcji hałasu będzie składała się z jednej bądź dwóch szyb oddzielonych komorą powietrzną. Układ taki stanowi szczególny przypadek aktywnego układu dźwiękoizolacyjnego, którego elementami konstrukcyjnymi są szyby. Do szyb przegrody będą mocowane przetworniki wykonawcze systemu aktywnej redukcji hałasu. Przetwornikami pomiarowymi sygnału błędu będą przetworniki prędkości objętościowej w postaci czujników PVDF, lub mikrofon pomiarowy umieszczony w polu dalekim. Na podstawie przeprowadzonych analiz teoretycznych przedstawiono koncepcję zastosowania algorytmu rotacyjnego w algorytmie sterowania do adaptacji parametrów regulatora neuronowego. Przedstawiono dwa przykładowe warianty podziału procesu adaptacji. W wariancie I  w każdym etapie algorytmu rotacyjnego adaptowane są wagi synaptyczne kolejnego neuronu  z warstwy wyjściowej oraz wagi wszystkich neuronów z warstwy ukrytej. W drugim z zaproponowanych wariantów na każdym etapie algorytmu rotacyjnego adaptowane są wagi jednego neuronu z warstwy wyjściowej i jednego neuronu z warstwy ukrytej. Na podstawie przyjętej koncepcji algorytmu sterowania wielokanałowym systemem aktywnej redukcji hałasu transmitowanego przez szklane przegrody z wykorzystaniem algorytmu rotacyjnego przeprowadzono badania symulacyjne układu aktywnej redukcji hałasu.

W badaniach skupiono się na ocenie jakościowej systemu aktywnej redukcji hałasu, w którym zastosowano pierwszy z zaproponowanych schematów podziału procesu adaptacji parametrów regulatora neuronowego. Główny wniosek płynący z obserwacji przebiegów czasowych wygenerowanych w trakcie badań symulacyjnych jest taki, że krótszy czas zbiegania algorytmu zapewnia odpowiednio częste przełączanie fragmentów sieci neuronowej podlegających adaptacji. Wartość końcowa poziomu sygnału błędu dla wszystkich przypadków była bliska 16 dB przy wartości początkowej wynoszącej 26 dB, co oznacza skuteczność aktywnej redukcji hałasu dochodzącą do 10dB. Można więc wnioskować, że algorytm rotacyjny nie wpływa na możliwą do uzyskania efektywność, a jedynie na czas zbiegania algorytmu. Analiza widmowa sygnału kompensowanego  i błędu wykazała, że kompensacja hałasu zachodzi w szerokim paśmie częstotliwości. Ponadto nie zauważa się powstania dodatkowych składowych częstotliwościowych.

W ramach 2. etapu realizacji projektu opracowano i wykonano model systemu ARH, który następnie poddano wstępnym badaniom laboratoryjnym. Model ten opracowano na podstawie wyników symulacji numerycznych przeprowadzonych w 1. etapie projektu. Przyjęto, że model będzie wykorzystywał pojedynczą przegrodę szklaną, która będzie zamocowana na jednej ze ścian wykonanej w ramach realizacji zadania obudowy dźwiękoizolacyjnej. Zastosowano układ sterujący ze zmiennoprzecinkowym procesorem sygnałowym. Układ ma po 8 torów przetwarzania analogowo-cyfrowego i cyfrowo-analogowego. Tor akwizycji danych stanowi kaskadowe połączenie przetworników analogowo-cyfrowych, filtrów antyaliasingowych, przedwzmacniaczy i mikrofonów, służących do rejestracji sygnałów błędu i referencyjnych. Tor sterowania stanowi kaskadowe połączenie przetworników cyfrowo-analogowych, filtrów rekonstrukcyjnych, przedwzmacniaczy, wzmacniaczy mocy i przetworników magnetoelektrycznych. W ramach prowadzonych prac zaimplementowano w układzie sterującym opracowany algorytm sterowania oraz opracowano aplikację umożliwiającą szybką zmianę parametrów opisujących strukturę algorytmu. Zaprojektowano i wykonano wzmacniacz mocy, którego rolą jest przetworzenie napięciowych sygnałów układu sterującego na sygnały prądowe, odpowiednie dla przetworników magnetoelektrycznych. Opracowany model poddano wstępnym testom laboratoryjnym, których celem była weryfikacja wyników symulacji numerycznych pochodzących z 1. etapu zadania oraz wstępny dobór parametrów struktury opracowanego algorytmu. Badania polegały na wykonaniu identyfikacji torów sygnałowych oraz wykonaniu prób sterowania drganiami przegrody szklanej. Na podstawie identyfikacji określono strukturę regulatora, którą będzie można wykorzystać w badaniach rzeczywistych. Wyniki badań były w znaczącej części zbieżne z wynikami symulacji numerycznych. Potwierdzono, że dla sygnałów stacjonarnych algorytm Round Robin prowadzi do jednakowych finalnych amplitud sygnału błędu, niezależnie od przyjętego wariantu kolejkowania. Z przeprowadzonych badań wstępnych wynika, że opracowany model wielokanałowego systemu aktywnej redukcji hałasu może zostać wykorzystany do redukcji wąskopasmowych hałasów ustalonych.

W 3. etapie przeprowadzono badania efektywności opracowanego systemu aktywnej redukcji hałasu, opracowano nowy rodzaj mocowania przetwornika magnetoelektrycznego do drgającej struktury, przeprowadzono prace koncepcyjne i analityczne z zakresu analizy i sterowania modalnego, opracowano nowy rodzaj filtrów modalnych i algorytm ich strojenia. Na bazie opracowanych filtrów modalnych zaproponowano algorytm sterowania systemem aktywnej redukcji hałasu transmitowanego przez przegrody szklane. Na podstawie uzyskanych wyników przygotowano dokumentację techniczną opracowanego systemu aktywnej redukcji hałasu.

 Badania efektywności systemu wykonano dla zakresu częstotliwości od 55 do 256 Hz. Zakres częstotliwości dobrano na podstawie analizy widma i poziomów dźwięku emitowanego przez obudowę dźwiękoizolacyjną. Efektywność oceniano na podstawie sygnału błędu oraz z użyciem miernika poziomu dźwięku. Efektywność systemu ARH otrzymana na podstawie sygnału resztkowego wyniosła od 28 do 55 dB, a na podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego miernikiem poziomu dźwięku od 4 do 25 dB. Opracowany algorytm może z powodzeniem być stosowany w aktywnych systemach redukcji hałasu transmitowanego przez przegrody szklane.

     Uzyskane wyniki przedstawiono w 3 publikacjach w czasopismach o zasięgu krajowym naukowych, w 2 referatach na konferencjach międzynarodowych oraz 1 na konferencji krajowej.