Моделирование аналоговой системы активного шумоподавления
,
ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени »
*****@***ru
Максимальное использование результатов моделирования и современных технологий цифровой обработки сигналов обусловлено необходимостью расширения области применения систем активной шумозащиты и повышения их эффективности. Львиная доля исследований по активному управлению акустическими полями приходиться на зарубежные страны. В России подобными проблемами занимались, например, (2009), (2003), (2004), затрагивая проблему борьбы с низкочастотным шумом в разных областях науки и техники. Исследования затрагивают как процессы шумообразования, так и разработку адаптивных алгоритмов управления гасимой волной. Существуют отдельные публикации, посвященные использованию генетических алгоритмов и генетического програмирования для проектирования системы активного шумового контроля в вентиляционных каналах (J. Werner и др., 2002). Ученые F. Jiang и др. (1995) исследовали общую структуру адаптивной системы активного контроля шума, предложив устойчивый адаптивный алгоритм, реализованный в частотной и временной областях. В их исследованиях численное моделирование и экспериментальные результаты подтверждают устойчивость работы разработанных адаптивных алгоритмов по сравнению с известными. Целью данного исследования является моделирование шумопоглощения активных наушников программными средствами.
Использование средств индивидуальной защиты слуха – шумозащитных наушников является одним из эффективных способов снижения вредного воздействия шума на человека в рабочей зоне, когда применение других средств защиты, например, коллективного типа, экономически нецелесообразно или технически недостижимо. В соответствии с [1] обеспечение в установленном порядке работников, занятых на работах с вредными или опасными условиями труда средствами индивидуальной защиты относится к мероприятиям, ежегодно реализуемым работодателем по улучшению условий и охраны труда и снижению уровней профессиональных рисков. Существующие на рынке средства индивидуальной защиты конкурируют между собой по техническим характеристикам, прямо пропорционально влияющим на их стоимость.
Проблема защиты слуха достаточно сложна, хотя бы потому, что чрезмерная изоляция рабочего от внешних шумов может привести к самым нежелательным последствиям. Например, работник может оказаться не в состоянии услышать речевой сигнал, передаваемый коллегой по работе или звук работы двигателя малошумного автопогрузчика. Поэтому работник не должен быть полностью изолирован от производственной акустической среды.
В наушниках активного типа шум гасится методом синтеза гасящей волны, то есть такие наушники имеют специальным образом встроенные электроакустические датчики (микрофоны) и излучатели гасящей волны. Подавление шума обеспечивается за счет интерференции звуковых волн.
В современном мире нет необходимости строить тестовый образец для проверки и подтверждения расчетов. Модели устройств, сделанные на компьютере, являются менее затратными, а точностью едва ли уступают своим «материальным» аналогам. Повсеместно распространены 3D модели деталей машин и механизмов, которые могут дать представление не только о внешнем виде, но и об изменении характеристик материала в ходе эксплуатации.
Программы для полноценного моделирования электронных цепей и устройств, такие как National Instruments Multisim, теперь позволяют тестировать не только работоспособность, но и эффективность работы проектируемого устройства.
С помощью тестовой версии Программы Multisim была смоделирована и проверена аналоговая система активного шумоподавления, реализованная в рамках [2]. Задачей данной проверки являлось определение работоспособности системы активного шумоподавления с использованием сигналов разных типов и частот.
Схема устройства была реализована в системе автоматизированного проектирования Multisim (рис. 1). Вместо микрофона использовался генератор сигнала, к выходу был подключен один из каналов виртуального осциллографа. Для большей наглядности эксперимента еще один канал подключен к входу схемы.
Рис 1. Рабочий экран программы Multisim
Через схему пропускалось три вида сигналов: синусоидальный, пилообразный и прямой. Ценность для данного исследования представляют только синусоидальные волны и любая звуковая волна имеет синусоидальную форму. Тем не менее воздействие элементов схемы на другие виды сигнала также представляет интерес.
Испытания проводились для волн частотой 50, 100, 250, 400, 600, 800, 1000, 2000, 3000, 4000, 6000 и 8000 Гц.
Настройки схемы оставались неизменными, изменялись только настройки шкал осциллографа и параметры генератора сигналов.
Согласно полученным данным, при данных параметрах схемы, опережение по фазе полученного сигнала от сигнала 50 Гц равно приблизительно 0,25 периода, от сигнала 100 Гц 0,1периода. Тем не менее, такие данные характерны только для периодических волн, при воздействии единичного сигнала, соответственно, данные изменятся.
На частотах от 100 Гц до 2 кГц фазы исходного и полученного сигнала не отличаются, на этих частотах должна быть обеспечена максимально эффективная работа схемы. На частоте 3 кГц и выше полученный сигнал начинает отставать по фазе от исходного и на частоте 8 кГц отставание по фазе будет равно приблизительно 0,15 периода.
При пропускании через схему пилообразных и прямых волн было замечено, что на низких частотах форма полученной волны сильно отличается от формы исходного сигнала. Это связано с тем, что конденсаторы, стоящие на входе и выходе схемы не могут зарядиться и разрядиться мгновенно. На более высоких частотах формы сигналов становятся сходными, однако, самой схеме нужно время, чтобы войти в рабочий режим: изначально наблюдается сильное, порядка 0,2−2 В отклонение осей исходного и полученного сигналов.
Полученные в ходе исследования данные можно увидеть в таблице. В ней представлена амплитудно-частотная характеристика процесса шумоглушения с помощью спроектированной схемы. Амплитуды исходного и результирующего сигналов даны в децибелах.
Согласно полученным данным, акустическая эффективность полученного устройства равна примерно 32 дБ, что подтверждает работоспособность спроектированной схемы.
Таблица Результаты испытаний аналоговых шумозащитных наушников
Частота, Гц | Исходный сигнал | Результирующий сигнал |
63 | 77,0 | 59,8 |
80 | 77,0 | 62,0 |
100 | 77,3 | 68,5 |
125 | 79,8 | 80,0 |
160 | 88,3 | 86,3 |
200 | 92,5 | 85,2 |
250 | 91,4 | 82,0 |
315 | 89,5 | 80,6 |
400 | 92,3 | 79,6 |
500 | 91,4 | 80,4 |
630 | 93,2 | 80,9 |
800 | 92,6 | 78,6 |
1000 | 99,0 | 79,0 |
1250 | 100,4 | 80,8 |
1600 | 100,4 | 82,0 |
2000 | 102,5 | 89,1 |
2500 | 106,1 | 93,7 |
3150 | 111,1 | 90,4 |
4000 | 113,4 | 88,3 |
5000 | 105,3 | 82,2 |
6300 | 108,1 | 74,6 |
8000 | 100,6 | 71,8 |
Рис 2. График амплитудно-частотной характеристики процесса активного шумоглушения.
Для большей наглядности, согласно полученным результатам, составлена диаграмма процесса, отображенная на рис. 2, где можно увидеть значительное уменьшение интенсивности сигнала по сравнению с исходным.
Таким образом, с помощью моделирования можно провести все работы по испытанию работоспособности и эффективности работы устройства перед созданием опытного образца.
Список использованных источников
1. Приказ Минздравсоцразвития России № 000н от 1 марта 2012 г. «Об утверждении Типового перечня ежегодно реализуемых работодателем мероприятий по улучшению условий и охраны труда и снижению уровней профессиональных рисков».
2. Заявка на патент на изобретение № от 01.01.2001 «Активные наушники и способ обработки сигнала в них» / , ,
