Назад в библиотеку

Источник: Doctoral Dissertation Series No.2005:03.– 2005. – с. 24-28. // URL: https://www.diva-portal.org/...

Noise and Vibration Control of Combustion Engine Vehicles


Mathias Winberg


Ronneby, April 2005

Department of Signal Processing

Blekinge Institute of Technology

372 25 Ronneby, Sweden


Автор перевода: А.А. Дёмушкина

АКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ШУМОМ И ВИБРАЦИЕЙ.

Шум низкой частоты и проблемы вибрации в различных типах механизмов часто трудно решить посредством стандартных пассивных методов. Пассивные методы в области низкой частоты могут использовать некоторые резонирующие шумопоглатилель, [1], которые, к сожалению менее привлекательное решение в механизме. Другие пассивные подходы включают пространство, чтобы разместить материал поглощения во внутренней части тела, которое фактически является наиболее распространенным решением, или помещать абсорбент на некоторое расстояние от внутреннего тела, [2] и [3]. Это также проблематичное решение, начиная с потребностей поглощения приблизительно одной четверти длины волны. Это подразумевает, что для частоты 200 Гц необходимая толщина приблизительно 425 мм. Следовательно, использование пассивных методов, чтобы ослабить шум низкой частоты и колебания, ниже 400 − 500 Гц, часто непрактично, поскольку потребуется дополнительный объем и вес. Кроме того, во всех областях транспортировки большой вес и размер связаны с высоким расходом топлива.

Одно привлекательное альтернативное решение состоит в том, чтобы применять активное шумоподавление и управление вибрацией, [4] − [8]. Сегодня, активные методы развиваются из научно-исследовательских исследований в фактические продукты. В методах активного шумоподавления и управления вибрацией, основной принцип состоит в создании вторичного звука или поля вибрации, которое вмешивается в исходное, основное поле. Суперпозиция этих двух полей приведет к разрушительной интерференции, если амплитуды идентичны, и у этих двух полей будут противоположные фазы. В теории сокращение звука или поля вибрации может быть одинаковым, но на практике есть несколько ограничений. Метод активного управления был известен в течение почти 70 лет, но только в последнии 20 лет, метод стал выполнимым, благодаря разработке цифрового сигнального процессора. Сегодня обычные компьютеры достаточно быстры, чтобы разместить активный контроллер. Однако ПК должен быть оборудован мощной звуковой картой, которая может обработать число требуемых вводов и выводов. ASIO (Ввод и вывод потоковой передачи аудио) стандарт дает пространство для процессора, чтобы связаться со звуковой картой таким способом,при которым маленькие задержки сохраняются между вводом и выводом.

В шумном транспортном средстве рассматриваются оба метода для того чтобы достигнуть глобального контроля, где шум во всем транспортном средстве уменьшен. Этот подход часто очень трудный, так как это - источник шума, который должен быть непосредственно распространяться. В реальном активном шумумоподавлении преобладает контроль над участками. Этим контролем мы уменьшаем шум только в определенных областях транспортного средства, предпочтительно вокруг ушей пассажиров и/или операторов. Хотя, местный контроль обычно создает более высокие уровни звука за пределами области контроля, это допустимо. Как пример, в автомобильном применении пассажиры лучше чтобы на 10 дБ уменьшился уровень звука вокруг головы. Это могло быть достигнуто многочисленными способами, но данный подход должен использовать громкоговорители, чтобы создать вторичную звуковую область и использовать микрофоны контроля, чтобы измерить звуковую область, которая должна быть минимизирована. Этот подход известен как система активного шумоподавления, [29]. Активный контроль может также быть применен, чтобы изменить способы вибрации в структуре, чтобы уменьшить излученный звуковой сигнал. В этом случае решение называют ASAC, Активным Структурным Акустическим Контролем, где структуру составят структурные возбудители с целью минимизировать звуковое давление в транспортном средстве, [22]. Этот метод описан в AVIIS ( в III части тезисов). В AVC, Активном контроле за вибрацией, описуется только структура механизма, который подвергается контролю, [32]. Акселерометры используются в качестве датчиков, измеряющих колебания, которые должны быть минимизированы, в то время как структурные возбудители используются, чтобы создать вторичные силы. Это уменьшит структурные колебания и, если правильно всё будет работать, то излучаемый звуковой сигнал в помещении будет также уменьшен.

Другая точка зрения состоит в том, что существует шумная окружающая среда, и необходимо просто снабдить пассажиров и команду наушниками, использующими комбинацию пассивных и активных методов шумоподавления. Чтобы позволить команде общаться друг с другом с высокой речевой ясностью и на низких уровнях, сигналы микрофона чистят от окружающего шума при помощи спектрального вычитания. Такие методы представлены и оценены в проекте "Вертолет", часть 2.

3.1. Исторический анализ активного управления шумом и вибрацией.

Первая публикация о том, что сегодня рассматривается как активное шумовое управление, была сделана Paul Leug в 1933 году, когда он зарегистрировал патент на активное управление шумом в канале, [24]. Основная идея кажется простой сегодня, но была большим прорывом в тридцатых, когда он генерировал вторичное звуковое поле, используя громкоговоритель, который вмешался в основной шум вентилятора. Микрофон использовался, чтобы обнаружить шум вентилятора, перемещающийся вниз по течению через канал. Звук, назначенный контроллером, соединялся с тональными компонентами (единственные частоты) в жестком переплете вентилятора, проходящего через воздух. Сигнал микрофона подключался к контроллеру, который вычислял входящий сигнал к громкоговорителю. Контроллер в то время состоял из усилителя и модуля задержки так, чтобы фаза и амплитуда могли быть скорректированы должным образом, после чего уровень звука ослаблялся. Это - так называемый метод управления с предопределением. Lueg также сделал эксперименты, где создавались тихие зоны перед вторичным громкоговорителем в трехмерном звуковом поле, [24].

Рисунок 1 − Метод управления с предопределением, предложенный Paul Leug


Следующий доклад на тему активного шумоподавления был сделан Harry Olson и Everet May в 1953 году, где Olson и May представили то, что они назвали "Электронный звукопоглотитель". Вместо того, чтобы поместить микрофон на расстоянии от громкоговорителя, чтобы обнаружить звуковое поле задолго до того, как оно достигнет громкоговорителя, микрофон был помещен очень близко к громкоговорителю. Выходной сигнал микрофона был тогда возвращен к контроллеру, разработанному, чтобы управлять выходным сигналом громкоговорителя. Это привело к затуханию звукового поля около микрофона. С работой данного механизма возле ушей человека, происходило сокращение уровня звукового давления. Этот метод был успешен в самолетах и автомобилях, но самое известное устройство, использующее метод обратной связи, стала гарнитура. Наушники коммерчески доступны, и почти всегда сделаны на основе аналогового контроллера, так как очень важно, чтобы задержка в контроллере была короткой, которую более трудно достигнуть цифровым контроллером. Carme представил в 1988, [25], эффективный аналоговый фильтр управления (трилистниковидный фильтр) с низкой задержкой и высоким коэффициентом усиления по петле, приводящим к очень высокому затуханию. Активные гарнитуры на основе этого аналогового метода обратной связи были на коммерческом рынке в течение почти 10 лет.

Рисунок 2 − Обратная связь ANC по отношению к наушникам

В 1954 William Conover сделал другой важный доклад, [26], в котором предметом управления был электрический шумопреобразователь. Шумопреобразователь - это, устройство, очень подходящее для активного шумового управления, главным образом вследствие того, что шум чрезвычайно узкополосный, низко-частотный (основная гармоника приблизительно в 50-60 Гц в зависимости от состояния), и периодический. Как вторичный источник, Conover тоже использовал громкоговоритель, помещенный около преобразователя. Кроме того, Conover использовал метод предопределения, как представлял Lueg, но вместо того, чтобы использовать микрофон в качестве ссылочного датчика, был предложен неакустический ссылочный датчик. Для контролироля остаточного звукового поля, было использован датчик управления (микрофон) . Фаза и амплитуда опорного сигнала в контроллере были вручную скорректированы таким способом, которым высокое шумовое затухание было достигнуто в микрофоне. Идея Conover формируется на основание современной узкополосной связи с предопределенным активным управлением, и именно этиже идеи использовались в проектах, представленных на конференциях, посвященным активному шумоподавлению и управлению вибрацией.

Адаптивный алгоритм необходим, чтобы отследить изменения в основном шуме и поле вибрации. Значительный шаг вперед к подходящему контроллеру был сделан в 1960, когда Widrow и Hoff разработали алгоритм Least Mean Square (LMS), [5]. Метод обеспечивает мощный подход к цифровой фильтрации в ситуациях, когда конечная длина фильтра применима. Алгоритм LMS - элемент стохастического семейства алгоритмов , из-за его простого характера, часто используется в качестве сравнительного теста к другим алгоритмам.

Kido продвинул работу электрического шумапреобразователя и представил использование многократных вторичных источников в 1975, [27]. Здесь, шумовое затухание 12 дБ было измерено. Kido также работал с шумом канала, где были исследованы новые и более усовершенствованные алгоритмы управления. И Kido и Caplin работали над контроллерами, реализованными на цифровых сигнальных процессорах, которые автоматически (адаптивно) корректировали фазу и амплитуду ведущих сигналов к вторичным источникам. Проблема заключалась в том, что в моменте времени, цифровой сигнальный процессор испытывал недостаток в питании, необходимом для достижения хорошей производительности систем,и использовал множество других источников.

В восьмидесятых много различных исследовательских групп начало работать в областе активного шумаподавления и управления вибрацией. Но один из самых важных прорывов был сделан Widrow в 1991, когда он представил Filtered-x Least Mean Square алгоритм (Filtered X-LMS), [8]. Алгоритм компенсирует физический путь между вторичными источниками и датчиками. Без этой компенсации алгоритм LMS часто приводит к нестабильности и медленной адаптации. Активная система управления с многократными датчиками и многократными вторичными источниками, вместе с Filtered X алгоритмом LMS, была представлена Steven Elliot в 1987, чтобы ослабить уровень звукового давления всего корпуса, [28]. В девяностых активный шум и системы вибрации появились из научно-исследовательских лабораторий в коммерческие продукты, главным образом из-за быстрой разработки цифрового сигнального процессора.

Исследования, компьютерные моделирования и практические эксперименты, описаны в [30] - [35].

ССЫЛКИ

  1. L.L. Beranek, Acoustics, American Institute of Physics Inc., 1993.

  2. L. E. Kinsler, A R. Frey, A.B. Coppens and J.V. Sanders, Fundamentals of Acoustics, third edition John Wiley & Sons Inc., 1982.

  3. L.L. Beranek, Noise and Vibration Control, Institute of Noise Control Engineering, 1988.

  4. P.A. Nelson, S.J. Elliott, Active Control of Sound, Academic Press, 1992.

  5. C. H. Hansen ans S. D. Snyder, Active Control of Noise and Vibration, E &FN SPON 1997.

  6. S. Elliott, Signal Processing for Active Control, Academic Press, 2001.

  7. O. Tokhi, S. Veres, “Active Sound and Vibration Control − Theory and Applications”, IEE Control Engineering, serier 62, 2002.

  8. S. M. Kuo, D. R. Morgan, Active Noise Control Systems. John Wiley and Sons INC., 1996.

  9. N. Wiener, Extrapolation, Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series with Engineering, Wiley, New York, 1949.

  10. M. R. Schroeder, “Processing of communications signals to reduce effects of noise”, no. 3,403,224, filed may 28, 1965, issued september 24, 1968, US Petent, 1968.

  11. M. R. Schroeder, “Apparatus for suppressing noise and distortion in communication signals,” no. 3.180,936, filed december 1, 1960, issued April 27, 1965, US Patent 1965.

  12. M.R. Weiss, E. Aschkenasy and T.W. Parsons, “Processing speech signals to attenuate interference,” in IEEE Symposium on Speech Recognition Contributed Papers, New York, NY, USA, 1974, pp. 292-295

  13. J. S. Lim, A. V. Oppenheim, “Enhancement and Bandwith Compression of Noisy Speech,” in Proceedings of the IEEE, vol. 67, no.12, pp. 1586-1604, December 1979.

  14. M. R. Weiss, E. Aschkenasy and T. W. Parsons, “Study and development of the intel technique for improving speech intelligibility,” Technical report, Nicolet Scientific Corperation, Northvale, NJ, USA, April 1975.

  15. S. F. Boll, “Supperssion of acoustic noise in speech using spectral subtraction”,IEEE Transation on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 27,no. 2, pp. 113-120, April 1979.

  16. “Digital cellular telecommunications system (phase 2+); full rate speech; voice activity detector (VAFD) for full rate speech traffic channels,” GSM 06.32 version 8.0.0,” European Standard, 1999, ETSI.

  17. Mathias Winberg and Ingvar Claesson, “Spectral Subtraction with Extended Methods”, Research Report 7/97, University of Karlskrona Ronneby, July 1997.

  18. M. M. Sounhi, C. E. Schmidt and L. R. Rabiner, “Improving the quality of a noisy speech signal,” Bell Systems Tech. Journal, vol. 60, no. 8 pp.1847-1859, october 1981.

  19. M. Berouti, R. Schwartz and J. Makhoul, “Enhancement of speech corrupted by acoustic noise,” Proceedings IEEE International Conferance Acoustics, Speech and Signal processing, April 1979, pp 212-215.

  20. H. Gustafsson, S. Nordholm, I Claesson, “Spectral Subtraction using Reduced Delay Convolution and Adaptive Averaging,” IEEE Transaction Speech and Audio Processing, vol 9, no. 8, November 2001.

  21. H. Gustafsson, S. Nordholm, I Claesson, U. Lindgren, “Dual-Microphone Spectral Subtraction,” Research Report ISRN HK/R-RES-00/2-SE, University of Karlskrona/Ronneby, Sweden, February 2000.

  22. C. R. Fuller, S. J. Elliott, P. A. Nelson, Active Control of Vibration Academic Press Inc., London, 1996.

  23. H. F. Olson, E. G. May, “Electronic Sound Absorber,” Journal of Acoustical Society of America, 25 (1953) 1130-1136.

  24. D. Guicking, “On the Invention of Active Noise Control by Paul Leug,” Journal of Acoustical Society of America 87, pp 2251-2254, 1990.

  25. C. Carme, “A New Filtering Method by Feedback for ANC at the Ear,” Proceedings of Inter-Noise 88, pp. 1083-1086, 1998.

  26. G. E. Warnaka, “Active attenuation of noise - the state of the art,” Noise Control Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 100-110, 1982.

  27. K. Kido, “Reduction of Noise by Use of Secondary Sources,” Proceedings of Inter-noise 1975, Sendai, Japan, aug. 27-29, 1975.

  28. S. J. Elliott, I. M. Stothers and P. A. Nelson, “A Multiple Error LMS Algorithm and Its Application to the Active Control of Sound and Vibration,” IEEE Transaction on Acoustics, Speech and Signal Processing, 1987, ASSP- 35(10), pp 1423- 1434.

  29. Per SjЁosten, Sven Johansson, Thomas LagЁo, Ingvar Claesson, “ Active Noise Control in a Twin Engine Patrol Boat,” Proceedings of Inter-Noise 96, vol. 3, pp. 1199-1202, Liverpool, August 1996.

  30. H. Sano, T. Inoue, A. Takahashi, K. Terai and Y. Nakamura, “Active Control System for Low-Frequency Road Noise Combines With an Audio System,” IEEE Transaction on Speech and Audio Processing, Vol. 9, No. 7, Octoberr 2001.

  31. B. Riley, M. Bodie, “An Adaptive Strategy for Vehicle Vibration and Noise Cancellation”, Proceedings of the IEEE 1996 National ,Volume: 2, pp. 836- 843, 20-23 May, 1996.

  32. L. Andrґen, L. Hakansson, I. Claesson, “Active Control ofMachine Tool Vibrations in External Turning Operations,” Journal of Engineering Manufacture, Invited, Vol. 217 No B6, pp. 869-872, 2003.

  33. S. Johansson, S. Nordebo, I.Claesson, T.L. LagЁo, P.SjЁosten, “A Novel Multiple Reference, Multiple Channel, Normalized Filtered-X LMS Algorithm for Active Control of Propeller-Induced Noise in Aircraft Cabins,” Proceedings of Inter-Noise 98, paper no. 28, Christchurch, New Zealand, 1998.

  34. U. Emborg, “Cabin Noise Control in the Saab 2000 High-speed Turboprop Aircraft,” in Proceedings ISMA23, Leuven, Belgium, Sept 16-18, 1998. ykin, Adaptive Filter Theory, 4th ed, Prentice Hall, 2002.