Principy a perspektivy aktivních metod v akustice

Transkript

1 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice Ondřej Jiříček Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 1/31

2 O čem to bude Princip Trocha historie Jednorozměrný případ zvukovody Strategie aktivního řízení zvukových polí feedback feedforward Trojrozměrné případy globální řízení lokální řízení Aplikace Co dál... Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 2/31

3 Princip Interference zvukových vln Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 3/31

4 Princip Interference zvukových vln Huygensův princip Z H Z H ~Z P oblast ticha Z S =-Z H Z S Z P S 0 S 0 Z P S 0 a) b) c) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 3/31

5 Princip Interference zvukových vln Huygensův princip Akustická vazba Vyzářený akustický výkon je snížen pomocí druhého zdroje v blízkosti primárního zdroje hluku Monopól dipól Dipól kvadrupól Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 3/31

6 Princip Interference zvukových vln Huygensův princip Akustická vazba Řízení módů Malé uzavřené prostory Amplitudy módů vytvářených primárním zdrojem hluku jsou potlačovány sekundárními zdroji Rozmístění sekundárních zdrojů je klíčové Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 3/31

7 Princip Interference zvukových vln útlum 20 db ϑ 4,7 útlum 30 db ϑ 2,8 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 3/31

8 Princip 20log ψ p ψ s [db] db 10 db (φ p φ s ) [ ] L=0 L=+3 L=+6 db Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 3/31

9 Historie aktivního snižování hluku Christian Huygens 1678 Lord Rayleigh 1877 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 4/31

10 Historie aktivního snižování hluku Christian Huygens 1678 Lord Rayleigh 1877 Paul Lueg 1936 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 4/31

11 Historie aktivního snižování hluku Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 4/31

12 Historie aktivního snižování hluku Christian Huygens 1678 Lord Rayleigh 1877 Paul Lueg 1936 Olson a May 1953 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 4/31

14 Historie aktivního snižování hluku Christian Huygens 1678 Lord Rayleigh 1877 Paul Lueg 1936 Olson a May 1953 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 4/31

15 Historie aktivního snižování hluku Christian Huygens 1678 Lord Rayleigh 1877 Paul Lueg 1936 Olson a May 1953 Conover 1956 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 4/31

17 Řízení zvuku v potrubí 1D případ λ>1,7d, resp. λ>2h Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

18 Řízení zvuku v potrubí 1D případ ( 2 t 2 c2 0 2 ) x 2 ψ=0 ψ(x,t)=ae j(ωt kx) +Be j(ωt+kx), k=ω/c 0 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

19 Řízení zvuku v potrubí 1D případ D/Dt= / t+u / x ( D 2 Dt 2 c2 0 2 ) x 2 ψ=0 ψ(x,t)=ae j(ωt ωx/(c 0+U)) +Be j(ωt+ωx/(c 0 U)). Proudění obvykle zanedbáváme Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

20 Řízení zvuku v potrubí 1D případ q(t)=ae jωt v + = q 2S, v = q 2S, v(x)= q 2S e jk x p x = ρ v 0 t, p=ρ oc 0 v, p(x)= ρ 0c 0 2S qe jk x Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

21 Řízení zvuku v potrubí 1D případ p p (x)= ρ 0c 0 2S q pe jk x p s (x)= ρ 0c 0 2S q se jk x L p(x)=p p (x)+p s (x) p(x)=0, pro x>l ρ 0 c 0 2S q pe jkx + ρ 0c 0 2S q se jk(x L) =0 q s = q p e jkl Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

22 Řízení zvuku v potrubí 1D případ p(x)= ρ 0c 0 2S q pe jkl ( e jk(l x) e jk(l x)), 0<x<L p(x)= ρ 0c 0 2S q pe jkx ( 1 e j2kl), x<0 kl=nπ L=nλ/2 p(x)=0, x<0 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

23 Řízení zvuku v potrubí 1D případ x>l+d p(x)= ρ 0c 0 2S q pe jkx + ρ 0c 0 2S q s1e jk(x L) + ρ 0c 0 2S q s2e jk(x (L+d)) q s1 = q s2 e jkd, q s2 = q p e jkl 2jsinkd Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

24 Řízení zvuku v potrubí 1D případ p p (x)= ρ 0c 0 2S q pe jkx (1+R) p(x)= ρ 0c 0 2S [ qp (1+R)+q s ( e jkl +Re jkl)] e jkx, x>l p(x)= ρ 0c 0 2S [q p (1+R)e jkx +q s ( e jk(l x) +Re jk(l+x))],0<x< Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

25 Řízení zvuku v potrubí 1D případ p(x)=0, x>l q s = q p 1+R e jkl +Re jkl R=1, q s = q p cos(kl) f= c 0(2n+1), n=0,1,2,... q s 4L Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 5/31

26 Strategie aktivního řízení zvukových polí Zpětná vazba - feedback strategie Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 6/31

27 Strategie aktivního řízení zvukových polí Zpětná vazba - feedback strategie 1 E(ω)=D(ω) 1 G(jω)C(jω) 1 S ee (ω)=s dd (ω) 1 G(jω)C(jω) 2. Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 6/31

28 Strategie aktivního řízení zvukových polí Feedforward strategie Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 7/31

29 Strategie aktivního řízení zvukových polí Feedforward strategie E(ω) = D(ω) + G(jω)C(jω)X(ω). D(ω)=P(jω)S(ω) Systém bez šumu:x(ω)=s(ω) E(ω) =[P(jω) + G(jω)C(jω)]S(ω) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 7/31

30 Strategie aktivního řízení zvukových polí Feedforward strategie E(ω) =[P(jω) + G(jω)C(jω)]S(ω) Z požadavkue(ω)=0 v místě chybového mikrofonu plyne G(jω)= P(jω) C(jω) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 7/31

31 Krátká rekapitulace adaptivních algoritmů y(n)= FIR filtry I 1 i=0 g i x(n i) 1. Pro konečné koeficienty jsou vždy stabilní. 2. Fázová odezva odpovídá prostému zpoždění jejich fáze je lineární. 3. Změny frekvenční odezvy způsobené malými změnami koeficientů jsou malé a snadno predikovatelné. Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 8/31

32 Krátká rekapitulace adaptivních algoritmů y(n)= I 1 i=0 IIR filtry g i x(n i)+ 1. Nemusí být vždy stabilní. 2. Jejich fáze nemůže být lineární. K b k y(n k) k=1 3. Malé změny koeficientůb k mohou způsobit velké změny frekvenční odezvy. Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 8/31

33 Krátká rekapitulace adaptivních algoritmů E[e 2 (n)] g k =2E Adaptivní filtry d(n) g i + x(n) y(n) e(n) e(n)=d(n) - I 1 i=0 [ e(n) e(n) ] g k g i x(n i) = 2E[e(n)x(n k)] g i (n+1)=g i (n) µ E[e2 (n)] g i gi =g i (n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 8/31

34 Krátká rekapitulace adaptivních algoritmů Adaptivní filtry g i d(n) + x(n) y(n) e(n) - g i (n+1)=g i (n)+αe(n)x(n i), pro vešchnai 0<α< 1 IE[x 2 (n)] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 8/31

35 Krátká rekapitulace adaptivních algoritmů Adaptivní filtry g i d(n) + x(n) y(n) e(n) - g i (n+1)=g i (n)+αe(n)x(n i), pro vešchnai 0<α< 1 IE[x 2 (n)] Wiener a Hoff LMS Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 8/31

36 Aktivní systém s LMS adaptací x(n) P(z) y(n) d(n) + - G(z) C(z) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 9/31

37 Aktivní systém s LMS adaptací Kompenzace chybové cesty x(n) P(z) d(n) y(n) + - e(n) G(z) C -1 (z) C(z) Ĉ 1 (z) nelze realizovat širokopásmově Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 9/31

38 Aktivní systém s LMS adaptací x(n) P(z) d(n) y(n) + - e(n) G(z) C(z) C(z) x (n) g i (n+1)=g i +αe(n)x (n i) Widrow a Burgess (1981) FXLMS (filtered-x LMS) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 9/31

39 Identifikace systému Off-line identifikace Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 10/31

40 Identifikace systému On-line identifikace Widrow a Stearns x(n) P(z) d(n) y(n) y (n) + - e(n) G(z) C(z) C(z) x (n) C(z) y (n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 10/31

41 Identifikace systému Úplná on-line identifikace x(n) P(z) d(n) y(n) + - e(n) G(z) C(z) C(z) x (n) C(z) P(z) - e(n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 10/31

42 Akustická zpětná vazba Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 11/31

43 Akustická zpětná vazba X(ω)=S(ω)+F(jω)Y(ω)+N 1 (ω) E(ω)=P(jω)S(ω)+C(jω)Y(ω)+N 2 (ω) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 11/31

44 Akustická zpětná vazba Pro systém bez šumu: Y(ω)=G(jω)X(ω), X(ω)= E(ω)=S(ω) S(ω) 1 F(jω)G(jω) [ P(jω)+ C(jω)G(jω) ] 1 F(jω)G(jω) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 11/31

45 Akustická zpětná vazba Z požadavkue(ω)=0 v místě chybového mikrofonu plyne P(jω) G(jω)= C(jω) P(jω)F(jω) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 11/31

46 Metody polačení akustické zpětné vazby Směrové mikrofony Směrové sekundární zdroje Vhodný kompenzační algoritmus Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 12/31

47 Metody polačení akustické zpětné vazby Swinbanksův zdroj Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 12/31

50 Metody polačení akustické zpětné vazby Kompenzace zpětné vazby pevným filtrem x(n) P(z) d(n) + - e(n) F(z) F(z) G(z) C(z) C(z) x (n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 12/31

51 Metody polačení akustické zpětné vazby Kompenzace zpětné vazby pevným filtrem Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 12/31

52 Metody polačení akustické zpětné vazby Kompenzace zpětné vazby adaptivním filtrem Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 12/31

53 Metody polačení akustické zpětné vazby Kompenzace zpětné vazby adaptivním filtrem Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 12/31

54 x-lms v kmitočtové oblasti x(n) W(z) y(n) Ĉ(z) omezení funkce F 1 x (n) µ(k) F (N,N) X (k) E(k) F (N,0) e(n) w i (m+1)=w i (m)+f 1 {µ(k)x m(k)e m (k)} + Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 13/31

55 x-lms v kmitočtové oblasti 110 control-off control-on L [db] f [Hz] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 14/31

56 Aktivní řízení zvuku v 3D Dvoukanálový systém v potrubí ventilátor referenční mikrofon sekundární zdroje y 2 (t) chybové mikrofony e 2 (t) měřicí mikrofon x(t) y 1 (t) e 1 (t) DSP analyzátor Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

57 Aktivní řízení zvuku v 3D Dvoukanálový systém v potrubí ˆF 1 (z) x(n) Σ W 1 (z) y 1 (n) Ĉ 11 (z) Ĉ 12 (z) Ĉ 21 (z) Ĉ 22 (z) LMS LMS W 2 (z) ˆF 2 (z) e 1 (n) e 2 (n) y 2 (n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

58 Aktivní řízení zvuku v 3D Dvoukanálový systém v potrubí w 1 (n+1)=w 1 (n)+µ 1 x 11(n)e 1 (n)+µ 2 x 12(n)e 2 (n) w 2 (n+1)=w 2 (n)+µ 2 x 21(n)e 1 (n)+µ 1 x 22(n)e 2 (n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

59 Aktivní řízení zvuku v 3D 80 control-off control-on L [db] f [Hz] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

60 Aktivní řízení zvuku v 3D 0.06 measured by MLSSA IIR model c 11 (n),ĉ 11 (n) n Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

61 Aktivní řízení zvuku v 3D 0.06 measured by MLSSA IIR model f 1 (n),ˆf 1 (n) n Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

62 Aktivní řízení zvuku v 3D Čtyřkanálový systém v potrubí ventilátor referenční mikrofon sekundární zdroje chybové mikrofony měřicí mikrofon x(t) e m (t) y k (t) DSP analyzátor Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

63 Aktivní řízení zvuku v 3D Čtyřkanálový systém v potrubí ˆF k (z) 4 4 x(n) Σ W k (z) 4 y k (n) Ĉ i (z) x i (n) 6 LMS 4 e m (n) w 1 (n+1)=w 1 (n)+µ 1 x 1 (n)e 1 (n)+ +µ 3 x 3 (n)e 3 (n)+µ 5 x 5 (n)[e 2 (n)+e 4 (n)] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

64 Aktivní řízení zvuku v 3D 90 control-off control-on L [db] f [Hz] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 15/31

65 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha p(x)= V Q vol (y)g(x y)dv+ + [G(x y) y p(y) p(y) y G(x y)] nds V p(x)= jωρ 0qexp( jk x y ) 4π x y Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

66 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha y/λ 1 zóna ticha y/λ 4 zóny ticha 0,5 2 z s z p z s z p 0 0,5 1 1,5 x/λ x/λ Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

67 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

68 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha 1. konfigurace analyzátor měřená oblast primární zdroj e 2 (t) 2. konfigurace e 1 (t) DSP y 1 (t) y 2 (t) x(t) Gen. Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

69 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha K ˆF k (z) K x(n) Σ W k (z) K y k (n) Ĉ i (z) x i (n) K M LMS M e m (n) Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

70 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha 70 control-off control-on L [db] f [Hz] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

71 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha 70 control-off control-on L [db] f [Hz] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 16/31

72 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha y [cm] Hz 20,00 12,00 4,000-4,000-12,00-20,00 L [db] x [cm] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 17/31

74 Aktivní řízení zvuku v 3D Zóny ticha Hz 20,00 y [cm] ,00 4,000-4,000-12, ,00 L [db] x [cm] Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 17/31

80 Příklady aplikací Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 18/31

81 Hlavní aplikace Potrubí - klimatizace, výfuky Vniřní hluk automobilů Vnitřní hluk letadel a vrtulníků Tlumení hluku ventilátorů Tlumení hluku transformátorů Aktivní protihlukové bariéry Aktivní úprava vnitřní akustiky Aktivní absorbéry Aktivní úprava doby dozvuku Aktivní chrániče sluchu Zóny ticha Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 19/31

82 Hlavní aplikace Tlumení kmitání (budovy, lodě, nosné konstrukce...) Aktivní izolace vibrací Semiaktivní tlumení vibrací, chytré materiály Aktivní řízení strukturální akustiky (ASAC)... Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 20/31

83 Vnitřní hluk letadel Převzato od S.J. Elliott, Active 2009 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 21/31

84 Vnitřní hluk letadel Převzato od S. Leth a W.G. Halvorsen, Inter-noise 99 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 22/31

87 Aktivní protihlukové bariéry Převzato od Ohnishi et al., Active 1999 Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 25/31

88 Závěr Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 26/31

89 Aktivní metody Výhody Účinné na nízkých frekvencích Malé rozměry Hygienicky nezávadné Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 27/31

90 Aktivní metody Výhody Účinné na nízkých frekvencích Malé rozměry Hygienicky nezávadné Nevýhody Nutná údržba Cena za pořízení a provoz Nevhodné pro vysoké frekvence Jen pro některé typy zdrojů Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 27/31

91 Pasivní metody Výhody Při vhodné konstrukci velmi trvanlivé Obvykle nevyžaduje údržbu Velký výběr materiálů a variant Nevýhody Malá účinnost na nízkých frekvencích Prostorově náročné Účinnost je omezena fyzikálními vlastnostmi použitých materiálů Hygienické problémy Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 28/31

92 Hlavní směry vývoje Měniče pro aktivní řízení zvuku i vibrací Vývoj stabilnějších algoritmů Hledání nových aplikací Protihlukové bariéry Extrémní podmínky (letecké motory, nelineární akustika) Aktivní snižování vibrací a kmitání Přechod ke komerčnímu využití Aktivní a hybridní tlumiče hluku v potrubích Aktivní úprava doby dozvuku Aktivní chrániče sluchu Aktivní tlumení náprav vozidel... Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 29/31

93 Čas na dotazy... Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 30/31

94 Děkuji za pozornost Principy a perspektivy aktivních metod v akustice p. 31/31