СПОСОБ АКТИВНОГО ГАШЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ШУМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2025 года по МПК G10K11/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относятся к технике разработки и использования способов активной защиты от акустических шумов и могут быть применены для акустического противодействия обнаружению шумящих объектов.

Уровень техники

Известен способ активного гашения акустического шума путем возбуждения дополнительных шумовых полей, интерференция которых с первичным полем приводит к снижению уровня акустического шума. Сигналы для возбуждения источников дополнительных шумовых полей формируют обычно с помощью цепей отрицательной обратной связи (Патент РФ №2368017, кл. G10K 11/16, 2009). В этом аналоге существенными признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения являются создание дополнительных шумовых полей и цепи обратной связи.

Известен способ активного гашения звукового шума, заключающийся в воздействии на шум первым гасящим звуковым полем, формируемым первым звуковым источником гасящего поля, возбуждаемым первым контроллером электрического сигнала с определенной передаточной характеристикой, включенным в цепь акустической обратной связи с помощью опорного приемника звукового давления (микрофона) и последующем контроле суммарного поля контрольным приемником звукового давления (микрофоном) (Патент США №7158644, кл. 381/715 (Н03В 29/00), 2007). В этом аналоге существенными признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения являются создание дополнительных шумовых полей и цепи обратной связи.

Данный способ принят за прототип обоих вариантов способа.

Недостатком прототипа является высокая вычислительная нагрузка на контроллер, применяемый при реализации способа для решения оптимизационной задачи подбора передаточной характеристики в реальном масштабе времени методом наименьших квадратов (LMS least mean square, колонка 6, строка 44), а также только возможность отражать шум от сечения расположения вторичного (гасящего) источника поля, но не поглощать шум.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений является снижение вычислительной нагрузки на контроллер, применяемый при реализации способов, а также возможность поглощения шума источниками вторичного (гасящего) поля.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат, состоящий в снижение вычислительной нагрузки на контроллер, применяемый при реализации способов, а также возможность поглощения шума, в первом варианте достигается за счет того, что в известном активном способе гашения звукового шума, заключающемся в воздействии на шум первым гасящим звуковым полем, формируемым первым звуковым источником гасящего поля, возбуждаемым первым контроллером Kƒ(q) электрического сигнала с определенной передаточной характеристикой, включенным в цепь акустической обратной связи с помощью опорного микрофона и последующем контроле суммарного акустического поля контрольным микрофоном, в предлагаемом способе на шум воздействуют вторым гасящим звуковым полем, формируемым вторым источником гасящего поля, расположенным на известном расстоянии вдоль направления распространения шума от первого источника гасящего поля и возбуждаемого вторым контроллером L(q), включенным между первым и вторым источниками гасящих полей, при этом идентифицируют пути распространения шума от первого и второго источников гасящих полей до опорного и контрольного микрофонов и синтезируют второй контроллер L(q) до получения минимального поля на опорном микрофоне, используя в качестве входного сигнала на втором контроллере L(q) выходной сигнал первого контроллера Kƒ(q), затем идентифицируют передаточные характеристики от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного микрофонов и затем по результатам идентификации путей распространения шума от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного микрофонов проводят синтезирование передаточной функции первого контроллера Kƒ(q) до получения минимального поля на контрольном микрофоне. Причем в ходе идентификации путей распространения первичных и вторичных полей в их модели задержки на целое число интервалов дискретизации при распространении между приемными и излучающими устройствами вводят явным способом, исключая ее влияние на дробно-рациональные модели.

Кроме того, изменяют направление оси динамиков каждого из пары источников гасящего (вторичного) поля относительно направления распространения гасимого шума можно изменять характеристики дробно рациональных моделей до получения характера передаточной функции вторичного пути распространения гасящего шума, а также передаточной функции пути акустической обратной связи, как можно ближе к минимально-фазовому, т.е. в идеальном случае обратимому.

Во втором варианте способа, заключающемся в воздействии на шум первым гасящим звуковым полем, формируемым первым звуковым источником гасящего поля, возбуждаемым первым контроллером электрического сигнала с определенной передаточной характеристикой, включенным в цепь акустической обратной связи с помощью опорного приемника звукового шума и последующем контроле суммарного поля контрольным приемником звукового шума, на шум воздействуют вторым гасящим звуковым полем, формируемым вторым источником гасящего поля, расположенным на известном расстоянии вдоль направления распространения шума от первого источника гасящего поля и возбуждаемого вторым контроллером, включенным между первым и вторым источниками гасящих полей, при этом идентифицируют пути распространения шума от первого и второго источников гасящих полей до опорного и контрольного приемников и синтезируют второй контроллер до получения минимального поля на опорном приемнике, используя в качестве входного сигнала на втором контроллере выходной сигнал первого контроллера, затем идентифицируют передаточные характеристики от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного приемников и затем по результатам идентификации путей распространения шума от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного приемников проводят синтезирование передаточной функции первого контроллера до получения минимального поля на контрольном приемнике, при этом в качестве опорного приемника звукового шума используют опорную антенну их двух разнесенных вдоль направления распространения шума микрофонов, причем опорная антенна формируется третьим контроллером, минимизирующим остаточную разность сигналов передаточной характеристики до дальнего, от источника гасящего поля микрофона опорной антенны и передаточной характеристики до ближнего от источника гасящего поля микрофона антенны, тем самым третий контроллер минимизирует чувствительность опорной антенны для направления на источник расположенный выше по пути распространения гасимого шума, затем идентифицируют с использованием первого и второго контроллеров передаточную характеристику от пары источников гасящего поля до опорной антенны.

В качестве контрольного приемника звукового шума используют контрольную антенну, сформированную из двух разнесенных вдоль направления распространения шума микрофонов, причем контрольная антенна формируется четвертым контроллером, при этом если контрольную антенну разместить на месте опорной антенны, то настройка контрольной антенны осуществляется аналогично опорной антенне, а если контрольная антенна расположена в своем штатном месте, то для ее настройки используется дополнительный технологический излучатель, расположенный выше по пути распространения гасимого шума от контрольной антенны, тем самым четвертый контроллер минимизирует чувствительность контрольной антенны для направления на источник расположенный выше по пути распространения гасимого шума, затем идентифицируют передаточную характеристику от пары источников гасящего поля до контрольной антенны.

По результатам идентификации пути распространения шума от пары источников гасящего поля до контрольной антенны вводится дополнительная обратная связь от контрольной антенны, путем синтеза передаточной функции пятого контроллера до получения минимального поля на контрольной антенне. Как и в первом варианте способа в ходе идентификации путей распространения первичных и вторичных полей в их модели задержки на целое число интервалов дискретизации при распространении между приемными и излучающими устройствами вводят явным способом, исключая ее влияние на дробно-рациональные модели.

Как и в первом варианте способа изменяют направление динамиков каждого из пары источников гасящего (вторичного) поля относительно направления распространения гасимого шума можно изменять характеристики дробно рациональных моделей до получения характера передаточной функции вторичного пути распространения гасящего шума, а также передаточной функции пути акустической обратной связи, как можно ближе к минимально-фазовому, т.е. в идеальном случае обратимому.

Краткое описание чертежей

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг. 1 представлена схема реализации первого варианта способа; на фиг. 2 - схема реализации второго варианта способа; на фиг. 3 представлен 1/3 октавный спектр шума без гашения (штрих-пунктир) и при наличии (сплошная линия) активного гашения парой динамиков; на фиг. 4 представлен короткий отрезок сигнала опорного микрофона при отключенных (толстая линия) и при включенных (тонкая линия) динамиках гашения; на фиг. 5 представлен короткий отрезок сигнала контрольного микрофона при отключенных (толстая линия) и при включенных (тонкая линия) динамиках гашения; на фиг. 6 представлен отрезок сигнала контрольного микрофона без (темная линия) и при наличии (светлая линия) активного гашения парой динамиков, на котором присутствуют интервалы продолжительностью 1 сек, в которые отключался источник шума, подлежащего гашению.

Изобретения поясняются на примере акустической трубы, где наблюдается простая ситуация, одномодового распространения звука до первой критической частоты волновода. Иллюстрации приведены для волновода с первой критической частотой 1340 Гц.

Обозначения на фиг. 1, 2 соответствуют дискретной модели. Момент времени, обозначенный k, q^-1 соответствует задержке на интервал дискретизации. Нежелательный шум поступает с правого конца трубы (фиг. 1, 2). Спектр поступающего шума w(k) может отличаться от равномерного, характерного для белого шума n(k), что обозначено присутствием фильтра с частотной характеристикой Q(q) справа на фиг. 1, 2. Временной сигнал у(k), связанный с воздействием нежелательного шума, регистрируется микрофоном контроля первичного шума (опорным). Далее по пути распространения нежелательного шума расположены источники гасящего поля, возбуждаемые сигналом у(k) первого контроллера Kƒ(q) и u(k) второго контроллера L(q). Перед выходом из трубы расположен микрофон (контрольный) контроля остаточного шума z(k), на этот микрофон может поступать дополнительное возмущение d(k). Труба оканчивается фланцем (на чертеже не оцифрован).

Первичный путь P(q) гасимого шума, вторичный путь S(q) гасящего поля, путь R(q) акустической обратной связи, а также источники гасящего поля обозначены на фиг. 1, 2.

На фиг. 2 используются те же обозначения, что представлены на фиг. 1.

Кроме того, на фиг. 2 под обозначением Lp(q) - представлен третий контроллер, Lo(q) - четвертый контроллер; Kв(q) - пятый контроллер.

На местах опорного и контрольного микрофонов установлены опорная и контрольная антенны (антенны для наблюдения соответственно первичного и остаточного шумов).

Расположение исполнительного элемента в одном сечении волновода позволяет создать в этом сечении отражение волны от этого сечения. Расположение двух исполнительных элементов, отстоящих друг от друга вдоль оси волновода, позволяет при правильной настройке их работы создать активное поглощение исполнительными элементами.

Для тонального гасящего поля два вторичных источника фазируются так, чтобы суммарный сигнал от них на микрофоне контроля первичного поля (опорном) приводит к минимизации, т.е. чтобы сигнал верхнего по потоку вторичного источника компенсировался сигналом нижнего по потоку вторичного источника.

В шумовом или даже периодическом поле ситуация усложняется и решается контроллером L_p(q) компенсации поля акустической обратной связи. Этот контроллер синтезируется так, чтобы при известных по результатам идентификации передаточных характеристиках акустической обратной связи от двух вторичных источников до опорного микрофона минимизировать их суммарную передаточную характеристику. При этом изменяется передаточная характеристики вторичного пути, что требует идентификацию вторичного пути с учетом наличия контроллера L_p{q) компенсации поля акустической обратной связи. После синтеза контроллера L_p{q) компенсации поля акустической обратной связи, идентификации изменившихся передаточных характеристик вторичного пути и пути акустической обратной связи, производится синтез контроллера Kƒ(q) гашения шумового поля.

В натурных объектах или их физических макетах идентификация упомянутых характеристик путей распространения должна быть проведена по сопоставлению зондирующих сигналов на входе идентифицируемого элемента с синхронной записью выходных сигналов этого же элемента. Эта процедура имеет отработанные реализации, требующие, однако, некоторой ручной подстройки начальной точки поиска, однако, процедура, требующая только знания количества входов и выходов и реализующая правильную оценку порядка описания в переменных состояния идентифицируемой системы, при условии возбуждения всех ее мод зондирующим сигналом. Наличие контроллера может менять режим работы всей системы, что может сказаться на аппроксимирующих эту систему линейных описаниях. По этой причине желательно дополнительное определение параметров моделей в ходе идентификации в замкнутой цепи, т.е. уже с работающим контроллером. В ходе эксплуатации системы ее характеристики могут изменяться, необходима адаптивная подстройка контроллера от исходного значения под изменяющиеся условия.

Контроллер Kƒ(q) гашения шумового поля осуществлен по схеме с предсказывающей связью. При синтезе контроллера во внимание принимаются сигнал ошибки гашения, сигнал наблюдения поля давления и выходной сигнал контроллера. Контроллер синтезируется по результатам идентификации прямого пути - от опорного микрофона до контрольного микрофона, вторичного пути - от динамиков гашения до контрольного микрофона, и пути акустической обратной связи - от динамиков гашения до микрофона наблюдения (опорного микрофона). Каждый путь описывается передаточной характеристикой, чем выше порядок описания, тем точнее осуществляется предсказание.

Режим активного гашения в данном способе обеспечивается корректным синтезом контроллера, пересчитывающего принимаемое опорным микрофоном звуковое давление в электрический сигнал, возбуждающий источник гасящего поля. Величина гашения оценивается по спектру сигнала на контрольном микрофоне.

Изменяя направление оси источников гасящего поля относительно направления распространения гасимого шума можно изменять характеристики дробно рациональных моделей. В ходе идентификации путей распространения первичных и вторичных полей в их модели задержки на целое число интервалов дискретизации при распространении между приемными и излучающими устройствами вводят явным способом, исключая ее влияние на дробно-рациональные модели. Наиболее благоприятными для синтеза контроллера гашения являются минимально фазовые характеристики вторичных путей распространения от динамиков гашения до контрольного микрофона. У минимально фазовых характеристик все их нули у непрерывных моделей расположены в левой полуплоскости, а у дискретных моделей расположены в круге единичного радиуса, такие характеристики обратимы.

Эффект гашения может быть усилен путем использования приемной антенны бегущей волны вместо опорного и/или контрольного микрофонов (второй вариант способа). Опорная антенна формируется следующим образом. Для формирования антенны используют дополнительный микрофон, расположенный на известном расстоянии вдоль направления распространения шума от первого микрофона. Для формирования приемной антенны из дальнего от гасящих динамиков микрофона p1 и ближнего к гасящим динамикам микрофона р2 формируется контроллер Lp, который минимизирует остаточную разность сигналов передаточной характеристики до дальнего микрофона p1 и передаточной характеристики до ближнего микрофона р2. Затем идентифицируют передаточную характеристику от пары источников гасящего поля до опорной антенны.

Сформированная подобным образом антенна, но размещенная вместо контрольного приемника может быть использована в качестве контрольной антенны (фиг. 2). Затем идентифицируют передаточную характеристику от пары источников гасящего поля до контрольной антенны.

Эффект гашения может быть усилен путем введения дополнительной обратной связи от контрольной антенны. По результатам идентификации пути распространения шума от пары источников гасящего поля до контрольной антенны выполняют синтез передаточной функции контроллера обратной связи Kb до получения минимального поля на контрольной антенне.

Сигналы обратной и предсказывающей связей от опорной и контрольной антенны могут быть использованы совместно.

Осуществление изобретения

На фиг. 3 представлены результаты активного гашения звукового шума данным способом. Штрих-пунктирная кривая представляет спектр входящего в трубу звукового шума, а сплошная кривая - спектр выходящего из трубы частично погашенного шума.

При этом вычислительная нагрузка на контроллер снижается за счет того, что в отличии от прототипа, в контроллере синтезируется оптимальная для гашения шума передаточная функция заранее перед началом процедуры гашения шума. Использование двух излучателей гасящего поля приводит к поглощению, а не только отражению, первичного поля, что будет описано ниже. Этим достигается поставленный технический результат.

Кроме того, пара гасящих динамиков приводит к поглощению шума. На фиг. 4 приведены отрезки реализации сигнала на опорном микрофоне при отключенных динамиках гашения (толстая линия) и при включенных динамиках гашения (тонкая линия), заметно, что уровень сигнала остается практически неизменным. На фиг. 5 приведены отрезки реализации сигнала на контрольном микрофоне при отключенных динамиках гашения (толстая линия) и при включенных динамиках гашения (тонкая линия), заметно, что уровень сигнала существенно уменьшился, т.е. шум поглотился динамиками гашения.

На фиг. 6 приведен отрезок сигнала контрольного микрофона без (темная линия) и при наличии (светлая линия) активного гашения парой динамиков, на котором присутствуют интервалы продолжительностью 1 сек, в которые отключался источник шума, подлежащего гашению. На приведенном сигнале видно, что с исчезновением сигнала опорного микрофона контроллеры излучающей антенны и гашения шума автоматически уменьшают подаваемый на динамики гашения сигнал, а при последующем возникновении шума, подлежащего гашению, возобновляют работу источников вторичного гасящего поля.

Сопоставление сигналов на опорном (фиг. 4) и контрольном (фиг. 5) микрофонах, между которыми расположены актюаторы (гасящие звук динамики) показывает, что работа гасящих динамиков практически не сказывается на уровне сигнала на опорном микрофоне (фиг. 4), тогда как на контрольном микрофоне (фиг. 5) сигнал становится существенно менее интенсивным при работе гасящих динамиков, т.е. динамики способствуют поглощению шума.

При этом вычислительная нагрузка на контроллер снижается за счет того, что в отличии от прототипа, в контроллере синтезируется оптимальная для гашения шума передаточная функция заранее перед началом процедуры гашения шума. Использование двух излучателей гасящего поля приводит к поглощению, а не только отражению, первичного поля, что будет описано ниже. Этим достигается поставленный технический результат.

Изобретения относятся к активным способам защиты от акустических шумов и могут быть использованы для акустического противодействия обнаружения шумящих подводных объектов. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является снижение вычислительной нагрузки на контроллер, применяемый при реализации способа. Данный технический результат достигается тем, что в классическую схему активного гашения шума добавляют второй источник гасящего поля и второй контроллер и синтезируют его передаточную функцию так, чтобы минимизировать сигнал акустической обратной связи на опорном микрофоне. При этом поле, поступающее от верхнего по потоку источника гасящего поля, компенсируется полем нижнего по потоку источника гасящего поля. Эффект гашения может быть усилен путем использования вместо опорного и контрольного микрофонов опорной и контрольной антенн. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ активного гашения звукового шума, заключающийся в воздействии на шум первым гасящим звуковым полем, формируемым первым звуковым источником гасящего поля, возбуждаемым первым контроллером электрического сигнала с определенной передаточной характеристикой, включенным в цепь акустической обратной связи с помощью опорного микрофона и при последующем контроле суммарного поля контрольным микрофоном, отличающийся тем, что на шум воздействуют вторым гасящим звуковым полем, формируемым вторым источником гасящего поля, расположенным на известном расстоянии вдоль направления распространения шума от первого источника гасящего поля и возбуждаемым вторым контроллером, включенным между первым и вторым источниками гасящих полей, при этом идентифицируют пути распространения шума от первого и второго источников гасящих полей до опорного и контрольного микрофонов и синтезируют второй контроллер до получения минимального поля на опорном микрофоне, используя в качестве входного сигнала на втором контроллере выходной сигнал первого контроллера, затем идентифицируют передаточные характеристики от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного микрофонов и затем по результатам идентификации путей распространения шума от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного микрофонов проводят синтезирование передаточной функции первого контроллера до получения минимального поля на контрольном микрофоне.

2. Способ п. 1, отличающийся тем, что изменяют направление оси динамиков каждого из пары источников гасящего поля относительно направления распространения гасимого шума и тем самым изменяют передаточные характеристики до получения характера передаточной функции вторичного пути распространения гасящего шума как можно ближе к минимально-фазовому, а в ходе идентификации путей распространения первичных и вторичных полей в их модели задержки на целое число интервалов дискретизации при распространении между приемными и излучающими устройствами вводят явным способом, исключая ее влияние на используемые характеристики при синтезе контроллеров.

3. Активный способ гашения звукового шума, заключающийся в воздействии на шум первым гасящим звуковым полем, формируемым первым звуковым источником гасящего поля, возбуждаемым первым контроллером электрического сигнала с определенной передаточной характеристикой, включенным в цепь акустической обратной связи с помощью опорного приемника звукового шума и при последующем контроле суммарного поля контрольным приемником звукового шума, отличающийся тем, что на шум воздействуют вторым гасящим звуковым полем, формируемым вторым источником гасящего поля, расположенным на известном расстоянии вдоль направления распространения шума от первого источника гасящего поля и возбуждаемым вторым контроллером, включенным между первым и вторым источниками гасящих полей, при этом идентифицируют пути распространения шума от первого и второго источников гасящих полей до опорного и контрольного приемников и синтезируют второй контроллер до получения минимального поля на опорном приемнике, используя в качестве входного сигнала на втором контроллере выходной сигнал первого контроллера, затем идентифицируют передаточные характеристики от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного приемников и затем по результатам идентификации путей распространения шума от пары источников гасящего поля до опорного и контрольного приемников проводят синтезирование передаточной функции первого контроллера до получения минимального поля на контрольном приемнике, при этом в качестве опорного приемника звукового шума используют опорную антенну их двух разнесенных вдоль направления распространения шума микрофонов, причем опорная антенна формируется третьим контроллером, минимизирующим остаточную разность сигналов передаточной характеристики до дальнего, от источника гасящего поля микрофона опорной антенны и передаточной характеристики до ближнего от источника гасящего поля микрофона антенны, затем идентифицируют с помощью первого и второго контроллеров передаточную характеристику от пары источников гасящего поля до опорной антенны.

4. Способ п. 3, отличающийся тем, что в качестве контрольного приемника звукового шума используют контрольную антенну, сформированную из двух разнесенных вдоль направления распространения шума микрофонов, причем контрольная антенна формируется четвертым контроллером.

5. Способ п. 4, отличающийся тем, что по результатам идентификации пути распространения шума от пары источников гасящего поля до контрольной антенны вводится дополнительная обратная связь от контрольной антенны путем синтеза передаточной функции пятого контроллера до получения минимального поля на контрольной антенне.

6. Способ п. 3, отличающийся тем, что изменяют направление оси динамиков каждого из пары источников гасящего поля относительно направления распространения гасимого шума и тем самым изменяют передаточные характеристики до получения характера передаточной функции вторичного пути распространения гасящего шума как можно ближе к минимально-фазовому, а в ходе идентификации путей распространения первичных и вторичных полей в их модели задержки на целое число интервалов дискретизации при распространении между приемными и излучающими устройствами вводят явным способом, исключая ее влияние на используемые характеристики при синтезе контроллеров.