Материал: Sb95738

4.2. Системы активного гашения шума в звуковом диапазоне частот

Специалисты говорят, что на Земле трудно найти место, где не будет посторонних звуков в течение 20 мин. Речь идет о звуковом диапазоне частот.

В настоящее время для борьбы с шумом в основном применяются пассивные средства: ограждения, специальные покрытия, глушители и др., эффективность которых определяется отражением и поглощением звуковой волны. Эти средства имеют хороший коэффициент ослабления звуковой энергии в широком диапазоне частот. Их недостаток – большие габариты и неэффективность на низких частотах. В ряде случаев пассивные средствамогут создавать дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Активный метод снижения шума основан на эффектах одномерной (плоской) или пространственной интерференции. Происходит уменьшение исходного звукового давления при наложении на него компенсирующего звукового поля, которое создается специальными излучателями. Естественно, активный метод предполагает, что для обеспечения «компенсации» излучателями расходуется энергия.

Сам принцип подавления колебаний за счет создания действующего в противофазе компенсирующего источника с использованием дополнительной энергии известен давно. Причем этот принцип применялся не только для подавления шума или вибрации. Вероятно, первые патенты на приборы на основе идеи активной компенсации шума интерференцией со звуковой волной, которая находится в противофазе, были получены в тридцатые годы прошлого столетия. Но в то время эти идеи не могли быть реализованы технически. Первые опытные системы по уменьшению звукового давления недалеко от микрофона в области низких частот были созданы в 1950 г.

Практические системы с использованием активной компенсации шума появились в 1980-е гг. после появления быстродействующих систем адаптивной цифровой обработки сигналов. Были получены патенты на соответствующие устройства и алгоритмы активной компенсации шума в разных каналах. Несмотря на значительное количество статей по этой тематике говорить о массовом использовании таких систем рано.

Следует отметить, что эти системы не могут носить универсального характера и зависят от характеристик шума: узкополосный он или широкополосный. Кроме того, большое значение имеет геометрия пространства распространения звуковой волны (воздуховод, большой или малый закрытый объем, свободное пространство).

26

Для подавления (создания противошумового сигнала – антишума) широкополосного шума необходимо иметь непрерывную информацию о первичном шуме для его анализа. Узкополосный шум, как правило, имеет периодический характер, поэтому информацию о его частотной характеристике можно получить косвенным путем, например с тахометра, который измеряет частоту вращения генератора шума. Частотная характеристика такого шума соответствует основной частоте вращения машины. Особенность системы – ее независимость от посторонних звуковых сигналов, например для транспортных средств. Эффективность работы систем, создающих антишум, определяется точностью фазы генерируемого шума и амплитудой. Активное гашение шума особенно эффективно в закрытом корпусе и на низких частотах

(до 600 Гц).

Системы активного шумоподавления – по сути современные системы автоматического управления. С этой точки зрения их можно классифицировать следующим образом:

–системы управления с прямой (широкополосная одноканальная, узкополосная одноканальная, многоканальная) и обратной связью;

–системы активного гашения шума с адаптивным фильтром.

Основное принципиальное отличие активных систем гашения шума от обычных САУ состоит в том, что каналы связи в них не только электриче-

ские, но и акустические. Таким образом, временные характеристики прохождения сигнала существенно различаются, а в местах соединения каналов естественно возникает положительная обратная связь в основном канале.

В качестве примера рассмотрим структуру многоканальной системы акустического контроля. Аналогичная САУ, но для относительно узкого и длинного воздуховода, в котором поток воздуха, как правило, турбулентный, будет одноканальной. Такой шум характерен для вентиляционных каналов и выхлопных труб.

Принцип работы этой системы следующий. Информационный сигнал с входных микрофонов или неакустического датчика поступает на контроллер, в котором вырабатывается управляющий сигнал равной амплитуды, но противоположный по фазе. В этом случае громкоговорители производят подавляющий шумовой сигнал, похожий на измеренный шум на входных микрофонах. Для успешной работы такой системы необходима временная задержка, обусловленная расстоянием и скоростью распространения звука от датчиков (входных микрофонов) до управляемых источников (громкоговорите-

27

лей). Кроме того, пространство на участке, где установлены элементы системы управления, должно быть непрерывным и не содержать элементов, способных изменить структуру шума. Микрофоны ошибки измеряют сигнал для настройки адаптивного фильтра контроллера. Принципиальная схема такой системы приведена на рис. 4.2, где приняты следующие обозначения: ИШ – источник шума; НД – неакустический датчик; МВ – микрофоны входные; МО – микрофоны ошибки; КД – компенсирующие динамики; У – усилитель; W – адаптивный фильтр; С – фильтр информационного сигнала; LMS – фильтр; К – контроллер.

Рис. 4.2. Многоканальная система акустического контроля

На этом примере хорошо видно, какая информация о регулируемых параметрах, управляющих сигналах и т. п. передается по проводам в форме электрического или акустического сигнала, распространяемого в объемах разной конфигурации и размера.

Кроме отмеченных активных систем гашения шума следует упомянуть о системах подавления аэродинамических и гидродинамических шумов в трубопроводах. Отдельную большую и многообразную группу представляют аэродинамические глушители. Их эффективность определяется:

–многократным переотражением акустической энергии;

–противофазным сложением акустических сигналов;

–преобразованием акустической энергии в тепловую;

–поглощением энергии в специальных пористых материалах.

При этом надо учитывать, что воздушные, паровые и жидкостные трубопроводы являются по существу акустическими передающими цепями с определенной мощностью и частотными характеристиками передаваемого ими акустического сигнала.

28

Достаточно распространенные глушители разделяют на реактивные, резонансные и интерференционные по принципу действия, который основывается на переотражении звуковой волны, наличии специальных резонаторов и обходных каналов соответственно.

4.3. Системы активного виброгашения и виброизоляции

Системы активного виброгашения (САВ) значительно более разнообразны по принципу действия и могут быть разделены на следующие типы:

–компенсационные системы с дополнительными специальными источниками вибрации, которые устанавливаются на механизмы или конструкции (активные виброгасители):

–системы, управляющие возмущающими силами в источнике (например, встроенные системы автоматической балансировки роторов электрических машин);

–системы, управляющие статической и динамической жесткостями амортизаторов (активная виброизоляция);

–системы, управляющие собственной частотой резонансных средств виброгашения (управляемые виброгасители);

–системы, состоящие из двух одинаковых виброактивных механизмов, связанные блоком синхронизации.

Из этих САВ реальные результаты достигнуты в компенсационных системах и виброизоляции.

В качестве примера на рис. 4.3 представлена активная виброзащитная система с дополнительной массой, которая колеблется в противофазе с основным объектом, где приняты следующие обозначения: 1 – объект виброзащиты; 2, 3 – измерительные устройства; 4 – корректирующее устройство; 5 – регулятор; 6 – исполнительный механизм; 7 – дополнительная масса.

Идея конструкции подобных систем известна давно, более того, имеется некоторый опыт их использования. По существу, представленная САУ повторяет методы подавления акустического сигнала в звуковом диапазоне частот. Однако введение дополнительной колеблющейся массы далеко не всегда практически возможно из-за массогабаритных ограничений и надежности всей конструкции при аварийных ситуациях.

Кроме того, в соответствии с исполнительным механизмом можно назвать электрогидравлические, электропневматические, магнитоэлектрические, пьезоэлектрические и электромагнитные САВ. В качестве примера рассмотрим электрогидравлическую САВ с силовым цилиндром двойного действия.

29