Активная шумовиброзащита
Принцип действия
Традиционные средства защиты от шума (звукоизолирующие перегородки, акустические экраны, звукопоглощающие покрытия) обычно плохо работают на низких частотах и увеличение их эффективности связано с большими дополнительными затратами. Активные системы шумозащиты используют длинные звуковые волны, связанные с низкочастотным звуком. Такие системы работают на принципе ослабляющей интерференции между звуковыми полями, создаваемыми «первичными» источниками шума («первичный» источник здесь тот, звуковое поле от которого необходимо снизить) и специально созданными «вторичными» источниками («вторичный» источник шума здесь тот, который создается для формирования специального звукового поля). Работу активной шумозащиты можно понять из рис. 5.7.
Рис. 5.7. Схема устройства активной шумозащиты: 1 – источник шума; 2 – микрофон; 3 – усилитель; 4 – анализатор спектра; 5 – фазоинвертор; 6 – блок динамиков; 7 – область тишины
Микрофон обнаруживает падающую звуковую волну и через фазоинвертор и др. устройства передает сигнал на динамик. Цель состоит в том, чтобы использовать динамик для генерации звуковых волн в противофазе со звуковой волной от «первичного» источника.
Суперпозиция двух волн от «первичного» и «вторичного» источников вызывает интерференцию и в месте наложения волн создается область тишины.
Эффект уменьшения наблюдается, если два сигнала находятся в противофазе, а их амплитуды приблизительно равны. Вероятно, что в другой области звукового поля звуковые волны будут в фазе, что приведет к усилению результирующего звукового поля.
Снижение шума активными методами может достигаться в длинных трубопроводах, или тоннелях, где звуковая волна плоская, в замкнутых объемах с диффузным характером звукового поля, для источников в свободном пространстве, где образуется бегущая звуковая волна.
Реализация принципа активной шумозащиты возможна на низких частотах. Понятие низкая частота изменяется в зависимости от рассматриваемых условий. В тоннелях или трубах значения низкой частоты определяется условиями распространения плоской волны. В замкнутых объемах активное шумоподавление возможно на нескольких первых собственных частотах колебаний объема. Для снижения шума от источников в свободном звуковом поле расстояние между «первичным» и «вторичным» источником должно быть меньше по сравнению с длиной волны, которую надо снизить.
В трехмерном пространстве применение активной шумозащиты ограничивается ситуациями, при которых расстояние между «первичными» и «вторичными» источниками имеет тот же порядок, что и длина звуковой волны. В помещениях, наименьшие размеры которых составляют несколько метров, это ограничивает верхнюю частоту, для которой возможно активное регулирование, в диапазоне с частотой до нескольких сотен Гц.
Примеры применения
Активная защита от шума находит достаточно широкое применение. Широко ведутся работы по применению такой защиты в салоне автомобиля. При этом используется несколько микрофонов и динамиков. На рис. 5.8 показано какой эффект достигается при изменении числа оборотов двигателя на четырех сиденьях автомобиля. В диапазоне частоты вращения двигателя 3000…6000 об/мин достигаемое снижение от 5 до 20 дБА.
Рис. 5.8. УЗ, дБА, на 4-х сиденьях автомобиля при изменении частоты вращения двигателя: 1 – без активной шумозащиты; 2 – с активной шумозащитой;
На рис. 5.9 приведены спектры снижения шума в помещении на низких частотах. Достигнуто снижение от 5 до 12 дБ в диапазоне частот 70…120 Гц.
Рис. 5.9. Узкочастотный спектр УЗД до (1) и после (2) применения активной шумозащиты
Для снижения шума в салоне самолета было использовано 16 громкоговорителей и 32 микрофона. Были зарегистрированы снижения УЗД: 10…14 дБ на частоте 88 Гц (частота лопасти турбовинтового двигателя); 6…7 дБ на частоте 176 Гц и 4…5 дБ на частоте 274 Гц.
Хороший эффект был получен при снижении шума трансформаторов (низкая частота, ярко выраженные 2…3 гармоники колебаний), дымовых труб (плоская звуковая волна) и др. устройств. Принцип активного шумоподавления используется также для снижения звуковой вибрации в транспортных средствах. Некоторые примеры и эффективность применения активной шумозащиты приведены в табл. 9.2.
Таблица 5.2
Эффективность применения активной шумозащиты
Транспортное средство, установка, агрегат |
Снижение УЗД, дБ |
Частотный диапазон шумоглушения, Гц
|
Салон автомобиля Кабина самолёта Вентилятор Турбомашина Выпуск двигателя внутреннего сгорания Выпуск компрессора АЭ с активной шумозащитой
|
8…15 10…14 16 15 12
10 7…10 |
50…200 До 500 ОЧВ* ОЧВ* До 400
До 400 До 300
|
* Основная частота вращения
|
||
Анализ данных, приведённых в табл. 9.2, показывает, что активная шумозащита эффективна на низких частотах в диапазоне 50…500 Гц. Эффективность активной шумозащиты на отдельных частотах достигает 10…16 дБ. Столь высокая эффективность активной шумозащиты в низкочастотном диапазоне – это её большое преимущество, так как в этой области спектра средства пассивной шумозащиты (например, звукоизоляция, звукопоглощение) имеют сравнительно невысокую эффективность. В то же время невысокая эффективность активной шумозащиты в области высоких частот – её большой недостаток. Активная шумозащита сложна в эксплуатации, сравнительно дорога. Тем не менее, её усовершенствование и широчайшее использование совместно с пассивной шумозащитой для различных условий ещё впереди.