Моделирование распространения акустических волн для систем активного шумоподавления

Guest Lars Fromme 06/11/2015
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Сегодня нашим гостем и приглашенным автором будет Lars Fromme из университета прикладных наук FH Bielefeld (Германия).

В настоящее время нормативы по технике безопасности и охране труда требуют решения проблемы работы в условиях большого шума от работающих механизмов. Конечно-элементное моделирование позволяет проектировать недорогие решения для контроля уровня шума, обеспечивающие безопасную и более комфортную работу. Исследователи университета прикладных наук FH Bielefeld поставили перед собой задачу спроектировать одно из таких решений, используя современный инструмент моделирования — программное обеспечение COMSOL Multiphysics.

Сравнение пассивного и активного шумоподавления

Самым распространенным методом шумоподавления является добавление звукопоглощающего материала в специализированных звукозащитных наушниках. Кроме тоого, работающую машину можно окружить акустическим экраном или экранирующим материалом. Такие методы называются пассивным демпфированием или пассивным шумоподавлением. К их минусам можно отнести плохую работу на низких частотах. В этом случае на помощь приходит активное шумоподавление. Микрофон улавливает шумы и управляемый источник нивелирует их. Это назвается активным контролем шумов или системой активного шумоподавления (САШ).

Микрофон принимает посторонние шумы, а источник генерирует сигнал в противофазе. Затем эти два противофазных сигнала складываются. В итоге, результирующий шум близок к нулю. Например, динамики наушников с активным шумоподавлением наряду с музыкальным произведением будут генерировать дополнительный сигнал, противофазный улавливаемому микрофонами. За счет такой гасящей интерференции начальный шум значительно уменьшается. Всё это управляется сложным алгоритмом шумоподавления. Как правило, в шумодавляемых наушниках высокочастотный шум подавляется пассивной системой (как и в обычных наушниках), а низкочастотный шум — САШ.

На рисунке показано два сигнала в противофазе.
Принцип САШ для простого синусоидального сигнала.

Бюджетные методы снижения шума на производственных предприятиях

Снижение шума на производстве в условиях завода или фабрики — одна из самых сложных задач, особенно если учитывать затраты на техническое решение. В исследовательском проекте под названием «Бюджетная мехатронная система», мой коллега, д.т.н. Joachim Waßmuth и его команда в Institute of System Dynamics and Mechatronics ISyM (Институте Систем Динамики и Мехатроники) в университете Прикладных Наук изучали бюджетные системы активного шумоподавления для производственных предприятий (1). Для проведения исследований была выбрана кабина комбайна, как один из примеров воздействия негативных шумов на рабочего.

Чтобы спроектировать бюджетную систему, учёные использовали недорогие компоненты САШ и выбрали проектировочный метод на основе детального моделирования. Помимо разработки алгоритма моделирования и создания моделей компонентов системы (микрофонов усилителей и динамиков), очень важно понимать, как распространяются акустические волны в пространстве. Для валидации разработки были рассмотрены две тестовые измерительные системы, подробно описанные ниже.

К вопросу анализа распространения акустических волн и шума

Эффект шумоподавления обычно ограничен малыми областями в пространстве. Когда звук распространяется в окружающей среде, он отражается от твёрдых поверхностей и преломляется. Это затрудняет измерение и обнаружение звуковых полей в больших областях. Чтобы использовать САШ, необходимо точно знать фазу и амплитуду звукового сигнала в том месте, в котором предполагается его нейтрализация.

Шумоподавление зависит от:

  • Частоты
  • Положения источника шума
  • Положения динамиков, которые генерируют сигнал в противофазе
  • Геометрии окружающего пространства (будь то комната или кабина)

При разработке САШ важно воспроизвести реальные условия в конечно-элементной модели. Используя акустические компьютерные расчеты, можно точно и эффективно исследовать распространение акустических волн в заданной геометрии.

Испытательный стенд №1: Труба, сделанная из оргстекла

Чтобы упростить модель на начальном этапе, учёные выбрали трубу в качестве своей первой тестовой установки. Для проверки результатов моделирования они собрали установку с регулируемой длинной трубы.

На фотографии изображена труба из полиметилметакрилата (ПММА).
Труба, сделанная из полиметилметакрилата (ПММА), с подвижным динамиком на одном конце и микрофоном с другой.

Для различных значений длины трубы динамик воспроизводил синусоидальные сигналы с частотой от 50 Гц до 5000 гц. Результирующий уровень звукового давления (sound pressure level — SPL) измерялся микрофоном на другом конце трубы. Соответствующаяподобная модель была создана в COMSOL Multiphysics с использованием физического интерфейса Pressure Acoustics (Скалярная акустика). Стенки трубы задавались граничным условием Sound Hard Boundary (Жёсткая акустическая стенка). Для анализа измеряемого SPL динамик задавался различными способами: как точечный источник monopole point source или как распределенный излучатель с помощью узла normal acceleration (нормальное ускорение), для которого задавался диффузор различной формы (плоский, сферический или конусообразный).

Ожидаемо, что наилучшие результаты были достигнуты с конусообразной формой диффузора. Как видно на рисунке ниже, результаты моделирования хорошо согласуются с измеренными данными. Несоответствие некоторых пиков может быть связано с тем, что установка была немного другой длины, чем в модели, либо была не учтена упругость стенок, Что может оказать небольшое влияние на эффективную скорость звука в системе. При сравнении также заметно присутствие некоторых дополнительных потерь, присутствующих в реальной системе, о чём говорит большая ширина резонансных пиков на экспериментальной зависимости. Эти эффекты могут быть включены в более подробную модель. Однако это выходит за рамки данного исследования и данной заметки.

На графике показано сравнение результатов испытания и результатов моделирования.
Сравнение измеренных данных (синяя линия) и результатов моделирования (красная линия). В данном случае длина трубы была равна 450 мм.

Испытательный стенд №2: Кабина комбайна

Затем исследователи перешли к прикладному применению — моделированию кабины комбайна. Данный проект поддержала фирма-производитель сельскохозяйственного оборудования CLAAS и предоставила кабину комбайна для практических исследований. Динамик использовался в качестве источника звука внутри кабины, а микрофон располагался в окрестности реального положения человеческого уха.

На рисунке изображена кабина комбайна.
Кабина комбайна. Красными прямоугольниками показано расположение динамика и микрофона.

Для начала была построена CAD-геометрия только внутреннего объёма воздуха.

На рисунке изоражена воздушная область в COMSOL Multiphysics.
Расчетная воздушная область в модели COMSOL Multiphysics.

Динамик был задан как точечный монопольный источник, а окна — через ГУ sound hard boundaries. Так как в модели необходимо учитывать демпфирование, пол, крыша кабины и обивка сидений были заданы граничными условиями Impedance (Импеданс), при этом использовалась модель пористого слоя, доступная в настройках данного ГУ (2).

На нижеприведённом графике видно, что результаты моделирования данным простым методом оказались достаточно достоверными. Модель может быть уточнена путём добавления дополнительных геометрических деталей (особенно реалистичного динамика) и использования более сложных и реалистичных свойств пористых материалов.

На графике показано сравнение результатов испытания и результатов моделирования.
Сравнение измеренных данных (синяя линия) и результатов моделирования (красная линия). Пористые материалы задавались полуэмпирической моделью Delany-Bazley-Miki (Делани-Бэзли–Мики) (2).

Выводы

Знание о том, как распространяются акустические волны в системах активного шумоподавления, очень важно при проектировании. К сожалению, даже для моделирования простейшей конфигурации требуются глубокие знания и опыт.

Однако, представленные в данной заметке результаты обнадёживают. В будущем исследования будут посвящены более современным моделям, а также экспорту моделей динамических систем (например, модели состояния окружающего пространства) пониженного порядка, если это возможно.

Дополнительные ресурсы

  1. Kaupmann, D., Lehmann, T. Waßmuth, J.: Methodische Entwicklung kostengünstiger Störschallkompensationssysteme, VDI Fachtagung Mechatronik, 2015
  2. COMSOL Multiphysics, Acoustics Module — User’s Guide, V5.1, 2015 (Руководство пользователя COMSOL Multiphysics для модуля Акустика)
  3. Доклад с конференции COMSOL 2015 в Гренобле: "Simulation of Acoustical Transfer Paths for Active Noise Control (Моделирование растространения акустических волн для систем активного шумоподавления)"

О приглашенном авторе

Lars Fromme получил диплом по физике в 2002 году. После этого он работал в университете Bielefeld в группе, занимающейся теоретической физикой высоких энергий и в частности специализировался на исследованиях в области физики элементарный частиц и космологии. После получения докторской степени в 2006 году, он стал работать в офисе COMSOL Multiphysics в Гёттингене в качестве инженера по продажам и стал менеджером по маркетингу спустя несколько лет. Более того, он был ответственным за учебные курсы по COMSOL Multiphysics в Германии. С 2013 года он работает на должности профессора в FH Bielefeld University of Applied Sciences, обучая физике, математике и мультифизическому моделированию.



Комментарии

  1. Владимир Бер October 20, 2018   9:51 am

    Для практического применения такого метода необходимо:
    1. алгоритмический процессор с высокой скоростью обработки принимаемого сигнала, определения профиля шума, генерации и воспроизведения обратного сигнала.
    2. множественное количество приемных шумомеров, настроеных работать только на определенный частотный диапазон.
    3. множественное кол-во динамиков, для воспроизводства уровня звукового даления соответствующего исходной энергии звуковой волны.

Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта