Aktywne układy dźwiękochłonno-izolacyjne sterowane algorytmami działającymi w oparciu o sieć neuronową i algorytm genetyczny

Pasywne metody redukcji hałasu cechują się małą skutecznością w zakresie niskich częstotliwości akustycznych. Do ograniczania tego rodzaju hałasu mogą być zastosowane aktywne układy dźwiękochłonno-izolacyjne. Są one zbudowane z konwencjonalnych materiałów konstrukcyjnych oraz tzw. materiałów inteligentnych.

Celem głównym projektu było opracowanie algorytmu sterowania aktywnymi układami dźwiękochłonno-izolacyjnymi bazującego na sieci neuronowej i algorytmie genetycznym. W efekcie zrealizowanych prac został opracowany algorytm sterowania aktywnym układem dźwiękochłonno-izolacyjnym oparty na sieci neuronowej sigmoidalnej jednokierunkowej, która uczona jest z wykorzystaniem algorytmu genetycznego. W algorytmie genetycznym zastosowano zmiennoprzecinkowe kodowanie parametrów, wielopunktowe krzyżowanie heurystyczne, mutację równomierną oraz selekcję opartą na obrocie ruletką.

Zakres zrealizowanych prac obejmował:

-     badania symulacyjne pod kątem opracowania algorytmu sterowania aktywnymi układami dźwiękochłonno-izolacyjnymi

-     modyfikację stanowiska laboratoryjnego

-     opracowanie i wykonanie modelu układu dźwiękochłonno-izolacyjnego oraz układu sterującego aktywnego

-     implementację algorytmu sterowania w układzie sterującym

-     badania opracowanego algorytmu sterowania aktywnymi układami dźwiękochłonno-izolacyjnymi

-     opracowanie prototypu obudowy dźwiękochłonno-izolacyjnej z aktywnym układem dźwiękochłonno-izolacyjnym

-     badania weryfikacyjne algorytmu sterowania aktywnymi układami dźwiękochłonno-izolacyjnymi dla rzeczywistego źródła hałasu.

Badania symulacyjne przeprowadzono w środowisku Matlab w dwóch seriach. Pierwsza seria badań dotyczyła zagadnień identyfikacji nieliniowego układu dynamicznego w postaci falowodu akustycznego z przegrodą akustyczną będącą elementem konstrukcyjnym aktywnego układu dźwiękochłonno-izolacyjnego. Druga seria badań dotyczyła natomiast procesu aktywnej redukcji hałasu
z wykorzystaniem układu dźwiękochłonno-izolacyjnego.

Przeprowadzona w ramach projektu modyfikacja stanowiska laboratoryjnego polegała na wykonaniu dodatkowego modułu falowodu, który umożliwiał zamocowanie aktywnych układów dźwiękochłonno-izolacyjnych, oraz wykonaniu ramy do automatycznego pozycjonowania sondy pomiarowej wraz z układem umożliwiającym prowadzenie pomiarów w sposób zautomatyzowany.

Do opracowania układu sterującego wykorzystano platformę OMAP L-137 EVM z dwuprocesorowym układem OMAP L-137 zawierającym mikrokontroler o architekturze ARM 9 oraz zmiennoprzecinkowy procesor sygnałowy TMS320C6747. Platformę tę wyposażono w wielokanałowy moduł przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo analogowych oraz wyświetlacz LCD z panelem dotykowym. Opracowano również specjalistyczne oprogramowanie, w którym zaimplementowano algorytm sterowania. Za realizację poszczególnych zadań systemu są odpowiedzialne dwa systemy operacyjne czasu rzeczywistego: DSP/BIOS i Linux.

Projekt II.B.01.  Widmowa gęstość mocy procesu kompensacji dźwięku dla modelowego aktywnego układu dźwiękochłonno-izolacyjnego

Opracowany algorytm testowano w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem trzech modeli aktywnego układu dźwiękochłonno-izolacyjnego. Badania przeprowadzono, zmieniając kluczowe parametry algorytmu. Wyniki badań wykazały, że maksymalna różnica poziomów dźwięku dla pobudzenia sinusoidalnego przy włączonym
i wyłączonym systemie sterowania wynosiła 20 dB. Przeprowadzone badania wykazały także, że algorytm nie wymaga modelowania wtórnej ścieżki sygnału oraz pozwala na odłączenie mikrofonu pomiarowego rejestrującego sygnał błędu. Cechy te zapewniają odporność algorytmu na błędy modelowania wtórnej ścieżki sygnału oraz odporność na zakłócenia zewnętrzne.

W ramach realizacji projektu opracowano również prototyp prostopadłościennej obudowy dźwiękochłonno-izolacyjnej, której elementem jest również aktywny układ dźwiękochłonno-izolacyjny. Ściana przednia obudowy stanowi pasywny element konstrukcyjny aktywnego układu dźwiękochłonno-izolacyjnego. W przypadku pozostałych, pasywnych ścian obudowy wykonano wielowarstwowe pasywne układy dźwiękochłonno-izolacyjne, zawierające, oprócz blachy, warstwę masy bitumicznej
i piankę poliuretanową.

Badania weryfikacyjne opracowanego algorytmu sterowania wykonano dla rzeczywistego źródła hałasu, wykorzystując frezarkę ręczną Kress FM6990E jako reprezentanta maszyn i urządzeń zasilanych elektrycznie, wyposażonych w elementy rotacyjne. Celem badań była ocena możliwej do uzyskania efektywności aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego stanowiącego element składowy prototypu obudowy dla wybranego źródła dźwięku oraz potwierdzenie użyteczności opracowanego algorytmu w zastosowaniach praktycznych. Maksymalna efektywność obudowy z aktywnym układem dźwiękochłonno-izolacyjnym obliczona na postawie zarejestrowanych przebiegów czasowych wynosiła 7 dB. Otrzymana efektywność jest mniejsza niż w przypadku badań układów modelowych, na co niewątpliwy wpływ miał charakter sygnału kompensowanego.

Wyniki realizacji projektu przedstawiono w 3 publikacjach w czasopismach naukowych i popularnonaukowych, 3 publikacjach w materiałach konferencyjnych oraz 4 referatach konferencyjnych i 1 prezentacji seminaryjnej dla osób potencjalnie zainteresowanych wykorzystaniem wyników projektu. Opracowano również materiały informacyjne na temat systemu, które zamieszczono na stronach serwisu internetowego CIOP-PIB. Opracowane rozwiązanie techniczne zgłoszono do ochrony patentowej.