Aktywne ochronniki słuchu sterowane algorytmem o stałych parametrach ustalonych z wykorzystaniem algorytmu genetycznego

Celem projektu było opracowanie algorytmu sterowania o stałych parametrach do zastosowania w aktywnych ochronnikach słuchu. Opracowany algorytm został oparty na cyfrowych filtrach NOTCH, których współczynniki są ustalane z wykorzystaniem algorytmu genetycznego. Celem działania algorytmu genetycznego jest znalezienie takich współczynników filtra cyfrowego, które pozwolą na osiągnięcie, w danych warunkach, jak największej skuteczności ochronnika w zakresie niskich częstotliwości akustycznych. Zaletą rozwiązania jest poprawa stabilności układu aktywnej redukcji hałasu
w przypadku nagłych, nieprzewidzianych zmian parametrów hałasu lub środowiska akustycznego.

Celami szczegółowymi projektu było:

–     opracowanie specyfikacji technicznej algorytmu sterowania aktywnego ochronnika słuchu

–     opracowanie prototypu aktywnego ochronnika słuchu z algorytmem sterowania o stałych parametrach ustalanych z wykorzystaniem algorytmu genetycznego

–     badania weryfikacyjne opracowanego prototypu aktywnego ochronnika słuchu

–     opracowanie dokumentacji technicznej ochronnika słuchu z układem aktywnej redukcji hałasu.

W ramach zrealizowanych prac opracowano algorytm sterowania układem aktywnej redukcji hałasu (ARH) o stałych parametrach ustalanych z wykorzystaniem algorytmu genetycznego. Algorytm sterowania wykorzystuje szereg zmodyfikowanych, równolegle połączonych filtrów NOTCH, których parametry są ustalane z wykorzystaniem algorytmu genetycznego. Modyfikacja filtrów NOTCH polegała na wprowadzeniu możliwości zmiany redukowanej częstotliwości.

Opracowany algorytm zaimplementowano w środowisku obliczeniowym Matlab i przeprowadzono jego weryfikację poprzez badania symulacyjne, które wykazały, że układ ARH z tym algorytmem charakteryzuje się znaczną powtarzalnością działania, a skuteczność aktywnej redukcji hałasu wynosi ok. 41 dB. Przeprowadzone badania symulacyjne wykazały także, że ze względu na fakt, że algorytm genetyczny jest algorytmem stochastycznym, wybiera on redukowane częstotliwości ze zmienną dokładnością, a efektem określenia redukowanej częstotliwości z pewnym błędem jest tzw. dudnienie.
Z tego względu opracowano zmodyfikowaną wersję algorytmu sterowania (w którym po zakończeniu działania algorytmu genetycznego uruchamiany jest algorytm LMS) i powtórnie przeprowadzono badania symulacyjne algorytmu sterowania. Wykazały one, że dla błędów określenia częstotliwości redukowanego sygnału tonalnego przez algorytm genetyczny rzędu 5 Hz maksymalna teoretyczna skuteczność aktywnej redukcji hałasu wynosi ok. 55 dB. Niższe wartości skuteczności aktywnej redukcji hałasu są osiągane dla sygnałów wielotonalnych – ok. 26–37 dB. Wprowadzone modyfikacje umożliwiły poprawę skuteczności aktywnej redukcji hałasu oraz znaczne ograniczenie czasu niezbędnego do ustalenia się parametrów aktywnego ochronnika słuchu. Po badaniach symulacyjnych opracowano model aktywnego ochronnika słuchu, w którym zaimplementowano opracowany algorytm sterowania, a następnie przeprowadzono badania laboratoryjne. Wynikowa skuteczność ARH opracowanego modelu aktywnego ochronnika słuchu wynosiła ok. 15 dB, co należy uznać za wynik satysfakcjonujący.

Projekt II.B.02.  Prototyp aktywnego ochronnika słuchu

Na podstawie uzyskanych wyników wykonano prototyp aktywnego ochronnika słuchu bazującego na nauszniku Faser N1 oraz mikrokontrolerze STM32F427. Prototyp ten poddano szczegółowym badaniom weryfikacyjnym. Układ ARH prototypu aktywnego ochronnika słuchu z zsynchronizowanym generatorem sygnałów tonalnych był w stanie skompensować sygnał hałasu o ok. 25 dB. Przykładowo, podczas redukcji sygnału trójtonalnego o częstotliwościach 141, 174, 300 Hz zarejestrowano redukcję hałasu na poziomie ok. 26 dB. Przeprowadzono również badania dotyczące skuteczności aktywnej redukcji hałasu prototypu aktywnego ochronnika słuchu podczas generacji zewnętrznego sygnału hałasu. Badania przeprowadzono dla niezsynchronizowanych sygnałów.
W pierwszej fazie badań dodatkowo ustalano częstotliwość działania filtrów NOTCH, a w drugiej fazie prowadzono badania bez jej ustalania. W pierwszym przypadku skuteczność aktywnej redukcji hałasu wynosiła ok. 11 dB, a w drugim – ok. 9 dB.

W ramach realizacji projektu opracowano także dokumentację techniczną aktywnego ochronnika słuchu oraz materiały informacyjne przeznaczone dla użytkowników. Materiały te zweryfikowano podczas seminarium i udostępniono na stronach internetowych CIOP-PIB.

Wyniki realizacji projektu posłużyły do zaproponowania nowego rozwiązania technicznego w postaci prototypu aktywnych ochronników słuchu. Jego wprowadzenie  do praktyki umożliwi ograniczenie narażenia na hałas niskoczęstotliwościowy pracowników stosujących ochronniki słuchu. Pozwoli również na poprawę jakości komunikacji słownej z pracownikami stosującymi ochronniki słuchu.

Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w 3 publikacjach naukowych oraz na 4 konferencjach międzynarodowych i 2 seminariach naukowych. Wygłoszone referaty zostały opublikowane
w materiałach konferencyjnych.