Modelowanie, optymalizacja i sterowanie dla celów strukturalnej redukcji hałasu urządzeń

Projekt sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2017/25/B/ST7/02236.

 

 

Tło

Drgania mechaniczne i hałas stanowią obecnie jedne z najistotniejszych zagrożeń cywilizacyjnych. Hałas o dużym natężeniu lub długotrwałej ekspozycji może prowadzić do uszkodzenia słuchu. Często powoduje rozdrażnienie, wpływa negatywnie na system nerwowy, a nawet na ostrość widzenia. W przemyśle jest on niejednokrotnie przyczyną utrudnień w komunikacji pomiędzy personelem, zmniejszając przez to efektywność wykonywanej pracy. Brak możliwości usłyszenia sygnałów alarmowych lub dźwięków związanych z pracą innych urządzeń znacząco zwiększa niebezpieczeństwo. Przekroczenie obowiązujących norm skutkuje koniecznością ograniczenia czasu pracy, zwiększając w ten sposób koszty. Nawet w gospodarstwie domowym, hałas generowany przez takie urządzenia jak pralka, odkurzacz, ekspres do kawy itp. potrafi być dotkliwy. Pasywne bariery dźwiękoizolacyjne i dźwiękochłonne są nieefektywne dla niskoczęstotliwościowych hałasów urządzeń, a w wielu przypadkach nie mogą być zastosowane, gdyż znacznie zwiększają rozmiary urządzeń lub są przyczyną ich przegrzewania i w konsekwencji awarii. Jednakże, rozwój w dziedzinach mikroelektroniki, inteligentnych materiałów, przetwarzania sygnałów i systemów sterowania, a także technik obliczeniowych umożliwia poszukiwanie alternatywnych rozwiązań.

Cel projektu

Zespół zrealizował w ostatnich latach projekt badawczy zatytułowany „Aktywna redukcja hałasu akustycznego urządzeń za pomocą sterowania drganiami obudowy”, nr DEC‑2012/07/B/ST7/01408. W ramach projektu podjęto się przygotowania podstaw teoretycznych do zaproponowania tzw. aktywnych obudów urządzeń. Ogólna koncepcja polega na otoczeniu urządzeń generujących hałas cienkościennymi obudowami (a w przypadku niektórych typów urządzeń – wykorzystaniu ich własnych obudów), których ściany będą odpowiednio sterowane za pomocą wzbudników. Celem sterowania jest generowanie drgań ścianek obudów w taki sposób, aby izolować akustycznie urządzenie („blokować” wydostawanie się dźwięku na zewnątrz obudowy). Zaletą tego podejścia jest globalna redukcja hałasu, w całym pomieszczeniu, co jest nieosiągalne przy użyciu opisanych w literaturze metod aktywnej redukcji wykorzystujących głośniki. Podczas wykonanych eksperymentów laboratoryjnych, dla hałasów tonalnych i wielotonalnych generowanych we wnętrzu obudowy uzyskano ponad 10 dB-ową globalną redukcję w całym dużym pomieszczeniu (w niektórych strefach poziom redukcji znacznie przekraczał nawet 20 dB), co spotkało się z bardzo dużym uznaniem w środowisku międzynarodowym. W rezultacie, postawiona w projekcie teza została zweryfikowana, potwierdzając że „dzięki sterowaniu drganiami ścian obudowy urządzenia, przemysłowego lub domowego, możliwa jest redukcja hałasu, na który narażeni są użytkownicy tego urządzenia”. Realizacja projektu pozwoliła otworzyć nowy kierunek badań w dziedzinie aktywnej redukcji drgań i hałasu. W trakcie realizacji tego projektu pojawiło się wiele nowych zagadnień. Opierając się o zdobyte doświadczenie, zespół podjął się realizacji nowego projektu badawczego, którego celem jest dalszy rozwój podstaw teoretycznych dla obudów redukujący hałas (w sposób pasywny, półaktywny i aktywny) i sformułowanie kompletnej teorii, która może w przyszłości zostać z sukcesem skomercjalizowana.

Metodologia

Badania prowadzone są na trzech typach obudów. Pierwszy z nich, to obudowa o sztywnej konstrukcji szkieletowej, w której każda ściana wykonana jest z osobnego panelu/paneli. Drugi typ, to obudowa o lekkiej konstrukcji bezszkieletowej, w której ściany połączone są ze sobą tworząc samonośną strukturę. Trzecim typem są obudowy rzeczywistych urządzeń, wraz z różnymi ich komplikacjami, jak przetłoczenia, zagięcia, wewnętrzne mocowania itp., co znacząco utrudnia modelowanie matematyczne.

W ramach projektu zostaną opracowane nowe typy modeli matematycznych, które będą reprezentować różne rodzaje rozważanych obudów. Zostaną one poddane szerokiej analizie umożliwiającej opracowanie wytycznych dla optymalizacji rozmieszczenia elementów pomiarowych i wykonawczych. Opracowane modele zostaną uogólnione, opierając się na parametrach, które mogą być dobrane poprzez pomiary eksperymentalne.

Podjęty zostanie problem ograniczenia złożoności obliczeniowej w aktywnych układach redukcji poprzez zastosowanie wyrafinowanych algorytmów sterowania, do tej pory nie stosowanych w tych zagadnieniach. Celem będzie także zapewnienie stabilności i poprawienie szybkości zbieżności algorytmów sterowania, szczególnie istotnej dla rzeczywistych hałasów niestacjonarnych. Badania będą miały charakter teoretyczny, wsparty wieloma symulacjami i eksperymentami na różnych obudowach, w tym rzeczywistych urządzeń.

Zostaną rozwinięte metody pasywne (nie wymagające źródeł zasilania) bazujące na optymalnym rozmieszczeniu na ścianach obudowy dodatkowych obciążeń i usztywnień. Umożliwia to kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych obudowy w celu zwiększenia jej pasywnej izolacyjności lub poprawienia własności układu sterowania. Takie rozwiązania pasywne są szczególnie atrakcyjnie, gdyż pozwalają na uzyskanie taniego autonomicznego izolatora akustycznego o dużej skuteczności dla wybranego pasma częstotliwości. Przewiduje się również modyfikacje istniejących obudów (lub wykonanie nowych) bazując na rozwoju metodologii kształtowania odpowiedzi częstotliwościowej.

Zespół projektowy

Kierownik:

Wykonawcy: