СПОСОБ АКТИВНОГО ПОДАВЛЕНИЯ ШУМОВ Российский патент 1997 года по МПК G01K11/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для гашения шума ограниченной области, содержащей шумящий объект, а также при защите объекта от внешних шумов при сохранении всего спектра полезного звукового сигнала.

Известен способ управления акустическим полем в кабине транспортного средства или аналогичном пространстве, заключающийся в том, что устанавливают измерительные микрофоны в местах локализации шумов, например, в кабине, у двигателя, колес и формируют противофазные подавляющие сигналы в конкретных областях кабин, например, за спинкой сиденья в салоне автомобиля [1]
Недостатком данного способа является низкая точность и малая область применения, так как учитываются сигналы лишь в конкретных зонах области, а подавление осуществляется в малых локальных зонах замкнутого пространства.

Известен также способ шумового контроля, заключающийся в том, что контролирующие элементы устанавливают в узлах сетчатой структуры и осуществляют с учетом полученных сигналов, а также сигналов ошибки с другой группы контролирующих элементов, регулирование противофазных подавляющих сигналов, которые поступают также с одной определенной поверхности [2]
Недостатком известного способа также является малая область применения, так как для сохранения необходимой точности датчики необходимо устанавливать по поверхностям, имеющим элементарные пространственные формы и решать для регулировки уравнение с учетом только таких поверхностей, что в свою очередь не позволяет применять способ для контроля шума в любых объемах. Низка также точность измерения, так как излучающее гасящее поле может восприниматься в зоне контроля, что вызывает не только искаженные измерения, но также за счет акустической обратной связи может возникнуть генерация.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ активного подавления шумов, заключающийся в том, что формируют измерительную зону за счет дискретного расположения микрофонов в точках вокруг зоны источника шума, формируют активную зону за счет дискретного расположения монопольных источников звука в точках вокруг измерительной зоны с образованием между этими зонами промежуточной зоны и защищенной от шума внешней зоны, измеряют микрофонами звуковое давление шума и излучают монопольными источниками звука компенсирующие сигналы, противофазные сигналам с микрофонов [3]
Недостатком способа является то, что достаточную точность можно получить только при допущении, что поверхности являются гладкими, замкнутыми и имеют элементарные пространственные формы, а эти допущения снижают область применения способа.

Целью изобретения является повышение точности и расширение области использования за счет применения способа для нестационарных звуковых полей и в полосе частот для стационарных звуковых полей, а также за счет гашения нежелательных источников звука путем увеличения числа зон контроля и излучения (а также активных зон).

Цель достигается тем, что микрофоны и монопольные источники звука помещают в узлах соответствующих энергетических трехмерных прямоугольных разностных сеток, образуя внешнюю и внутреннюю сеточные границы G_i измерительной зоны и внешнюю и внутреннюю сеточные границы G_e активной зоны, измеряют значения звуковых давлений шума за следующие друг за другом интервалы времени, вычисляют значения суммарной энергетической плотности f_i (t, g_i) источников шума измерительной зоны и значения суммарной энергетической плотности f_e (t, g_e) компенсирующих сигналов источников и звука активной зоны, осуществляют регулировку значения f_e (t, g_e) суммарной энергетической плотности, учитывая значения звукового давления шума за текущий t и предшествующий ему T интервалы времени, причем значения f_e (t, g_e) и f_i (t, g_i) вычисляют как:

где P_i (t, g_i) значение звукового давления шума в узлах измерительной зоны;
значение звукового давления шума звуковых источников в узлах активной зоны;

r_ei расстояние между соответствующими узлами сеточных границ измерительной и активной зон;
C скорость звука в среде;
h_i, h_e соответствующие шаги прямоугольных разностных сеток в измерительной и активной зонах соответственно;
Q_Gi,e, Q_Di,e, Q_de,i характеристические функции сеточных границ G_i,e и зон D_i,e и d_i,e соответственно;
A_i, A_e матрицы систем конечно-разностных уравнений, аппроксимирующих уравнений Лапласа конечно-разностной сетки в измерительной и активной зонах соответственно.

На фиг. 1 представлена схема принципа формирования сеточных границ; на фиг.2 пример схемы размещения сеточных границ поверхностей.

На произвольной замкнутой измерительной поверхности S_i, окружающей область D_i с шумящим оборудованием 1, расположены в точках G_i монопольные измерительные микрофоны 2. На активной поверхности S_e, охватывающей измерительную поверхность, расположены в точках G_e монопольные звуковые источники 3. Измерительные микрофоны 2 и звуковые источника 3 связаны через блок 4 измерения и регулирования.

Способ осуществляют следующим образом.

Предположим, что область D_i с шумящим оборудованием окружена измерительной поверхностью S_i, которая целиком погружена в акустическую среду, а звуковое давление P(t) в окрестности S_i описывается волновым уравнением:
,
Δ оператор Лапласа.

В окрестности поверхности S_i рассчитываем трехмерную прямоугольную разностную сетку с шагом h_i. Эти сетки используются при построении системы разностных уравнений для значений давления в узлах разностной сетки. Эта система аппроксимирует уравнение Гельмгольца относительно давления в окрестности поверхности S_i области D_i.

Выбор шага h_i определяет точность решения. Звуковое давление P(t, x_i) в узлах x_i этой разностной сетки описывается системой разностных уравнений:

где коэффициенты m и K образуют матрицу A₁.

Двойной слой узлов трехмерной прямоугольной разностной сетки, лежащих наиболее близко к поверхности по обе ее стороны, образуют сеточные границы G_i. В точках g_i сеточных границ G_i устанавливают набор микрофонов 2, которые измеряют текущее звуковое давление P_i(t_i, g_i).

На основе получаемой информации формируется набор f_i(t, g_i) значений плотностей "фиктивных" звуковых источников в текущий момент времени в точках g_i по формулам:

где Q_M характеристическая функция множества M, под M обобщены все множества, входящие как индексы Q.

Таким образом, использование двойной решетки микрофонов, установленных на двух сеточных границах области D_i, источники которой необходимо "выключить" и формулы /1/ теории разностного потенциала, позволяет выделить поле этих нежелательных источников звука из общего звукового фона, причем нежелательные источники могут иметь ту же частоту, что и прочие.

Далее, в окрестности активной поверхности S_e рассчитывается своя трехмерная прямоугольная разностная сетка с шагом h_e, матрица конечно-разностных уравнений, а также сеточные границы G_e.

В узлах g_e "активных" сеточных границ G_e вычисляется текущее значение P(t, g_e) звукового поля "фиктивных" звуковых источников f_e(t, g_e), находящихся в узлах измерительных сеточных границ G_e, при этом используются формулы разностного потенциала безграничного пространства:

где r_ei расстояние между соответствующими точками измерительных и активных G_e сеточных границ.

В узлах сеточных границ G_e устанавливают монопольные звуковые источники 3. На основе полученных значений P(t, g_e) вычисляют значения f_е (t, g_е) плотности источников 3, чтобы "выключить" поле нежелательных источников в области D_i. Значение плотности вычисляется по формулам:

где d_e защищаемая от нежелательных источников области D_i часть области D_e.

C помощью блока 4 измерения и регулирования плотности монопольных звуковых источников.

Следует отметить, что для вычисления мощностей источников используется не только текущее звуковое давление P(t, g_i), но и давление за конечный предшествующий интервал времени
T /C,
где C скорость звука в среде;
максимальное из расстояний между точками сеточных границ измерительных и активных поверхностей.

При вычислении параметров по формулам /1/ /3/ нахождение собственных источников в защищаемой части пространства не препятствует выработке необходимых управляющих значений, хотя и вносит свой вклад в значения давления на измерительных сеточных границах.

Монопольные звуковые источники 3 также вносят свой вклад в звуковое давление на сеточных границах G_i, однако их суммарный вклад не препятствует вычислению мощностей при применении формул /1/ /3/.

Описанный способ годится и для случаев, когда разделительная поверхность S_i пересекает границу помещения. В этом случае в формулу /2/ вместо запаздывающего потенциала безграничного пространства представляется подходящее фундаментальное решение волнового уравнения в виде запаздывающего потенциала, удовлетворяющее заданным на границе помещения условиям.

Для частного случая, когда измерительные и активные G_e сеточные границы совпадают (т. е. когда информация о значениях суммарного давления P(t, g_e), вызванного как нежелательными источниками области D_i, так и источниками области D_e, в точках активных границ каким-либо образом уже определена), предлагаемый способ упрощается.

Подстановка значений суммарного поля P(t, g_e) в формулу /3/ дает необходимые значения плотностей источников.

Таким образом, способ используют аппроксимацию интеграла Гельмгольца-Гюйгенса с помощью разностного потенциала, формулы /1/ /3/, что позволяет:
использовать только монопольные источники;
произвольно выбирать форму измерительной и активной поверхности;
выделять из общего звукового поля и гасить шум, находящийся внутри измерительной поверхности;
использовать способ как для гармонических источников с фиксированной частотой звука, так и для шума в полосе частот.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для подавления шума ограниченной области, содержащей шумящий объект. Сущность изобретения: формируют измерительную зону S_i расположением микрофонов в точках g_i вокруг источника шума и активную зону S_e за счет дискретного расположения монопольных источников звука в точках g_e вокруг измерительной зоны, измеряют звуковое давление в измерительной зоне в следующие друг за другом интервалы времени и излучают компенсирующие сигналы источниками звука активной зоны, при этом микрофоны и источники звука помещают в узлах энергетических трехмерных разностных сеток, вычисляют значения суммарной энергетической плотности источников шума f_i и компенсирующих сигналов источников звука f_e и регулируют f_e с учетом значения давления шума. 2 ил.

Способ активного подавления шумов, заключающийся в формировании измерительной зоны S_i за счет дискретного расположения микрофонов в точках g_i вокруг зоны источника шума D_i, формирования активной зоны S_e за счет дискретного расположения монопольных источников звука в точках g_e вокруг измерительной зоны с образованием между этими зонами промежуточной зоны d_i и защищенной от шума внешней зоны d_e, измерений микрофонами звукового давления шума, излучения монопольными источниками звука компенсирующих сигналов, противофазных сигналов с микрофонов, отличающийся тем, что микрофоны и монопольные источники звука помещают в узлах соответствующих энергетических трехмерных прямоугольных разностных сеток, образуя внешнюю и внутреннюю сеточные границы G_i измерительной зоны и внешнюю и внутреннюю сеточные границы G_e активной зоны, измеряют значения звуковых давлений шума за следующие друг за другом интервалы времени, вычисляют значения суммарной энергетической плотности f_i (t, g_i) источников шума измерительной зоны и значения суммарной энергетической плотности f_e (t, g_e), компенсирующих сигналов источников звука активной зоны, осуществляют регулировку f_e (t, g_e) суммарной энергетической плотности, учитывая значения звукового давления шума за текущий t и предшествующий ему T интервала времени, причем значение f_e (t, g_e) и f_i (t, g_i) вычисляют как


где P_i (t, g_i) значения звукового давления шума в узлах измерительной зоны;
значение звукового давления шума звуковых источников в узлах активной зоны;

r_e i расстояние между соответствующими узлами сеточных границ измерительной и активной зон;
C скорость звука в среде;
h_i, h_e соответствующие шаги прямоугольных разносных сеток в измерительной и активной зонах соответственно;
Q_{G i , e}, Q_{D i , e}, Q_{d e , i} характеристические функции сеточных границ G_i , e и зон D_i , e и d_i , e соответственно;
A_i, A_e матрицы систем конечно-разностного уравнения аппроксимирующего уравнения Лапласа конечно-разностной сетки в измерительной и активной зонах соответственно.