СИСТЕМА АКТИВНОГО ШУМОПОДАВЛЕНИЯ С УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ Российский патент 2015 года по МПК G10K11/178 

Изобретение относится к средствам защиты от акустических шумов различного происхождения и может использоваться в производственных и жилых помещениях, а также на открытой местности.

Известны устройства для активного подавления шумов (см., например, патенты: RU №2115960, МПК G10K 11/16, опубликован 20.07.1998 г.; US №5848169, МПК: G11K 11/00, опубликован 08.12.1998 г.), суть работы которых заключается в том, что звуковой сигнал шума, воспринятый микрофоном, преобразуют в электрический и после обработки подают на динамик, который излучает звуковые волны той же частоты, но с фазой, противоположной падающим на микрофон волнам.

Основным и принципиальным недостатком данных устройств является их ограниченность излучения по диапазону частот, так как используемые в них акустические системы (динамики) по своему строению являются резонансными колебательными системами и не позволяют воспроизводить широкополосный сигнал сколько-нибудь достоверно. Определенная масса и размеры компонентов таких систем не позволяют равноценно воспроизводить на одном динамике сигналы из разного частотного диапазона, порождая фазовые и амплитудные искажения на краю отведенного частотного диапазона. Использование же нескольких динамиков, излучающих в разных частотных диапазонах, требует использования фильтров и не позволяет при суммировании получить форму сигнала, достаточную для качественного шумоподавления в широком частотном диапазоне.

Для равномерного подавления необходимо, чтобы звуковые волны шума и волны, излучаемые устройством, были не только когерентны, но чтобы при этом совпадали по форме их поверхности волнового фронта и направления их распространения. В противном случае когерентные волны, приходя в различные точки пространства, будут иметь разные фазы и в зависимости от разности фаз будут в одном месте гасить друг друга, а в другом усиливать.

Кроме того, излучение динамиками сформированного для подавления шумов сигнала происходит с задержкой порядка 10^-3 с (скорость излучения акустической системой низкочастотной составляющей сигнала). В результате возникает необходимость разнесения микрофона и динамика на расстояние порядка 0,5 м (такое расстояние успевает пройти шумовая волна за время излучения динамиками сигнала шумоподавления). Однако характеристики самой шумовой волны в новом месте будут уже другими и, соответственно, излучаемый сигнал не будет эффективным для ее подавления (вследствие отсутствия когерентности).

Попытки устранения данных недостатков сделаны при разработке устройств активного шумоподавления (см., патент RU: №2363992, МПК G10K 11/178, опубликован 10.08.2009 г.; №2411592, МПК G10K 11/178, опубликован 10.02.2011 г.), содержащих основной и контрольный микрофоны, устройства преобразования и обработки полученных сигналов, устройство формирования сигнала шумоподавления и не менее одного динамика, излучающего сформированный сигнал.

Наличие в вышеописанных устройствах контрольного микрофона позволяет несколько скорректировать фазовые сдвиги, возникающие вследствие временной задержки излучения между шумовым сигналом и сигналом шумоподавления. Однако применение данных устройств возможно только в ограниченном объеме пространства, прилегающем к точке излучения.

Известна система направленного звука Audio SPOTLIGHT (http://www.holosonics.com/products.html), содержащая генератор высокочастотного (ультразвукового) излучения (звуковой проектор) и микроконтроллер, формирующий предыскажения в излучаемый сигнал.

В данной системе генерируемое высокочастотное излучение предварительно модулируется заданным сигналом звукового диапазона и затем, направленно распространяясь в пространстве, возбуждает в окружающем воздухе данный сигнал модуляции, позволяя слышать его в зоне распространения несущей волны.

Принципиально описанная система может быть использована для активного шумоподавления, однако ее возможности жестко ограничены «конусом» распространения несущей волны, а ее применение, требующее ультразвуковых сигналов большой мощности, является вредным для человека и энергозатратным в эксплуатации.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является система активного шумоподавления (см. патент US №5535283, МПК G10K 11/178, опубликован 09.07.1996 г.), содержащая расположенный на пути распространения шумовой волны микрофон, аналого-цифровой преобразователь, устройство обработки полученного сигнала, цифроаналоговый преобразователь с фильтром высоких частот и излучатель.

В известной системе акустический шум улавливается микрофоном, после чего преобразуется в цифровой код при помощи аналого-цифрового преобразователя. Полученные данные корректируются в устройстве обработки сигнала (вносятся предыскажения, производятся фазовые сдвиги и т.п.) и далее подаются в цифроаналоговый преобразователь. Полученный в результате преобразования аналоговый сигнал на выходе проходит через фильтр высоких частот, в котором отсекается его высокочастотная составляющая, излучается и, складываясь с шумовой волной, гасит ее.

Вышеописанная система позволяет достаточно эффективно производить шумоподавление в среднечастотной области звукового спектра (приблизительно от 100 до 6000 Гц). Однако за пределами обозначенного частотного диапазона также возникают фазовые и амплитудные искажения, вследствие чего с ее помощью невозможно подавлять шумы в области высоких и низких частот.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение прибора, способного обеспечивать эффективное шумоподавление во всем диапазоне звуковых частот в заданном объеме.

Техническим результатом изобретения является возможность качественного шумоподавления в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц в области до 10 м³.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что система активного шумоподавления с ультразвуковым излучателем, состоящая из расположенного на пути распространения шумовой волны микрофона, аналого-цифрового преобразователя, устройства обработки полученного сигнала, цифро-аналогового преобразователя и излучателя, дополнительно содержит генератор высокочастотного излучения и смеситель, расположенные в системе между устройством обработки сигнала и цифро-аналоговым преобразователем, широкополосный усилитель мощности, расположенный последовательно за цифроаналоговым преобразователем и акустический фильтр ультразвуковых частот, расположенный после излучателя, при этом излучатель в системе является ультразвуковым.

В качестве ультразвукового излучателя в системе может быть использован пьезоизлучатель.

Изобретение поясняется рисунком, на котором представлена схема системы активного шумоподавления с ультразвуковым излучателем.

Система активного шумоподавления содержит микрофон 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, устройство 3 обработки сигнала, генератор 4 высокочастотного излучения со смесителем 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, усилитель мощности 7, ультразвуковой излучатель 8 и акустический фильтр 9 сверхвысоких частот.

Система работает следующим образом.

Акустический шум звукового диапазона (от 15 до 25000 Гц) улавливается микрофоном 1 и преобразуется в цифровой код при помощи аналого-цифрового устройства 2, данные цифрового кода поступают в устройство 3 обработки сигнала, в котором исходные сигналы обрабатываются (производится частотная коррекция электронного тракта, вносятся предыскажения, необходимые для последующего сложения с шумовым сигналом), и после заданного интервала задержки подаются на смеситель 5. В смесителе подготовленными сигналами модулируются высокочастотные импульсы диапазона 250-350 кГц, поступающие от генератора 4. Далее промодулированные импульсы подаются в цифроаналоговый преобразователь 6. При этом устройство обработки сигнала в реальном времени производит управление работой генератора 4 и подстраивает характеристики генерируемых импульсов. Высокочастотный аналоговый сигнал с выхода ЦАП поступает на широкополосный усилитель мощности 7, где он усиливается до необходимого уровня и далее излучается ультразвуковым излучателем 8 в виде акустического сигнала. Акустический фильтр сверхвысоких частот 9 ограничивает выход ультразвуковой составляющей (несущую волну) и пропускает в окружающее пространство звуковую составляющую (волну модуляции), полностью соответствующую шумовому акустическому сигналу и воспроизводимую противофазно к нему.

При этом, поскольку скорость излучения акустического сигнала ультразвуковым излучателем (например, пьезоизлучателем) существенно выше, чем у резонансных динамических акустических систем, и составляет порядка 10^-5 с, расстояние между микрофоном и излучателем можно минимизировать, что дополнительно улучшает качество шумоподавления и расширяет объем пространства, в котором оно производится.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечивать высококачественное шумоподавление во всем диапазоне звуковых частот в заданном объеме.

Изобретение относится к области акустики, в частности к системам шумоподавления. Система активного шумоподавления с ультразвуковым излучателем состоит из микрофона, аналого-цифрового преобразователя, устройства обработки полученного сигнала, цифроаналогового преобразователя, ультразвукового излучателя, генератора высокочастотного излучения со смесителем, широкополосного усилителя, акустического фильтра. При этом генератор и смеситель расположены между устройством обработки сигнала и цифроаналоговым преобразователем, а усилитель мощности своим входом соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход усилителя соединен с пьезоэлектрическим преобразователем, выход преобразователя соединен со входом акустического фильтра. Технический результат - расширение спектра излучаемых частот. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система активного шумоподавления с ультразвуковым излучателем, состоящая из расположенного на пути распространения шумовой волны микрофона, аналого-цифрового преобразователя, устройства обработки полученного сигнала, цифроаналогового преобразователя и излучателя, отличающаяся тем, что дополнительно содержит генератор высокочастотного излучения и смеситель, расположенные в системе между устройством обработки сигнала и цифроаналоговым преобразователем, широкополосный усилитель мощности, расположенный последовательно за цифроаналоговым преобразователем, и акустический фильтр ультразвуковых частот, расположенный после излучателя, а излучатель в системе является ультразвуковым.

2. Система активного шумоподавления с ультразвуковым излучателем по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ультразвукового излучателя использован пьезоизлучатель.