حذف نویز اکوستیک به روش اکتیو

وحيد طباطبار کیلی و منصور میرزاباقی

دانشکده برق دانشگاه علم و صنعت ایران

فرمت: Pdf   تعداد صفحات: 16

چکیده:

نویزهای صوتی بوسیله بسیاری از سیستم ها و وسایل صنعتی تولید می شوند. حذف كننده اكتیو نویز آکوستیک (ANC – Active Noise Cancellation) منبع ثانویه نویزی را به نحوی فعال می سازد که نویز صوتی تولید شده توسط منبع ثانویه با نویز اکوستیک ناخواسته مقابله کرده و اثر آنرا حتی الامکان کاهش می دهد. در این مقاله سه نوع سیستم ANC بررسی شده و ویژگی ها و معادلات حاکم بر رفتار آنها معرفی می شوند. هم چنین شبیه سازی این ساختارها با الگوریتم های متفاوت جهت تنظیم فیلترها شرح داده شده و در پایان با یکدیگر مقایسه می شوند.

واژه های کلیدی: فیلترهای وفقی، الگوریتم تعيين ضريب RLS و LMS، نویز اکوستیک، پردازش سیگنال

1- مقدمه

وجود نویزهای صوتی در محیط کار باعث خستگی زودرس شده و توان کاری افراد را کاهش می دهد و اگر شدت نویز اکوستیک از حدی بیشتر باشد در دراز مدت اختلالات شنوایی ایجاد می کنند [۱]. استفاده از صداگیرهای مکانیکی در همه جا امکان پذیر نیست و از طرفی این صداگیرها در فرکانس های بالای صوتی اثر مطلوب دارند زیرا طول موج فرکانس جذب شونده متناسب با ضخامت صداگیر است. در سیستم حذف نویز بروش اکتیو منبع ثانویه (بلندگو) صوتی تولید می کند که با نویز اکوستیک مقابله کرده و انرژی اکوستیک در محدوده ای از فضا به سمت صفر میل می نماید. اندازه گیری موج نویز اکوستیک در یک یا چندین نقطه انجام شده و پترن حذف کننده نویز براساس اطلاعات این اندازه گیری ها ساخته می شود. (نمودار سیستم ANC در شکل ۱ نشان داده شده است). سنسورها به دو گروه تقسیم بندی می شوند: سنسور اولیه و سنسور ثانویه.

شکل 1 – نمودار سیستم ANC

سنسور اولیه در محلی واقع شده است که میخواهیم نویز را حذف کنیم و به آن سنسور اندازه گیری خطا هم اطلاق می شود. سنسور ثانویه در محلی نصب می شود که بتوانیم اطلاعاتی راجع به نویز کسب کنیم (سنسور مرجع خطا). یک سیستم ANC وقتی اثر خوبی در حذف نویز دارد که سنسور ثانویه بتواند شکل موج نویز را در موقعیت سنسور اولیه پیش بینی کند. بنابراین تأخیر در پردازش فیلتر و هر نوع تأخیر احتمالی در روند کار مؤثر است. برخی از سیستم ها دارای یک سنسور هستند که هم میزان نویز حذف شده (مجموع پنرن حذف کننده و نویز) را اندازه گیری می کند و هم طیف منبع نویز را تخمین می زند. در این سیستم ها برای جبران تأخیر بین بلندگوی حذف کننده نویز و سنسور اولیه از مقادیر پیش گویی نویز استفاده می شود. در سیستم های ANC رفتار نویز در همه زمانها یکسان نیست و مشخصه های محیط نیز امکان دارد تغییرات آهسته ای با زمان داشته باشد. بنابراین فیلتر تولید پترن حذف کننده را بصورت وفقی طراحی می کنند. با توجه به موقعیت سنسورها و نحوه کنترل سیستم ANC سه ساختار را برای سیستم ANC معرفی می کنیم.

۲- سیستم ANC تک سنسور

این ساختار سیستم ANC به سیستم کنترل با فیدبک موسوم است. حالت ایده آل این سیستم در شکل ۲ نشان داده شده است [۳، ۲]. در این شکل (e(t معرف سیگنال محرک میکروفون است که ترکیب نویز اکوستیک با خروجی بلندگوی حذف کننده است. تابع انتقال الکتریکی حلقه فیدبک H بوده و تابع انتقال الکتریکی از ورودی بلندگوی ثانویه تا خروجی میکروفون C نامیده می شود. C شامل الكترواکوستیک بلندگو مشخصه های اکوستیک بین بلندگو و میکروفون و پاسخ الکترواکوستیک میکروفون است. (d(t معرف نویز اکوستیک در محل سنسور اولیه است.

٣- سیستم ANC دو سنسور با کنترل نیدفوروارد

روش کنترل فيدفوروارد برای کنترل اکتیو نویز توسط نمودار بلوکی شکل ۳- الف نشان داده شده است. اختلاف بین این روش و روش فیدبک کنترل در انتخاب سیگنال مرجع برای تحریک فبلتر منبع ثانویه است. در روش فيدفوروارد، از سیگنال نویز اکوسینک قبل از اینکه به محل میکروفون تعیین خطا برسد، نمونه برداری کرده و بعنوان سیگنال مرجع به فیلتر شکل دهنده پترن اعمال می شود. بنابراین قادر به کنترل علی و مؤثری برای حذف نویز ناخواسته هستیم. این سیگنال مرجع برای نویزهای هارمونیک می تواند مستقیما از قسمت مکانیکی مشاء نویز توسط تاکومتر بدست آید. بطور مثال برای حذف نویز صدای موتور، تاکومتری را به موتور متصل می کنند و کنترلر با اعمال بهره و تغییر فاز در فرکانس مناسب، نویز را حذف می کند. در حالت نویز باند وسیع (نویزی که تک فرکانس نباشد) میکروفون آشکار ساز تحت تأثیر نویز اکوستیک و پترن ناشی از بلندگوی ثانویه است. پترن بلندگوی ثانویه بعد از عبور از مسير ثانویه دچار تغییر فاز می شود و بنابراین امکان ناپایدار شدن فیلتر وجود دارد. ساده ترین روش برای بر طرف کردن تأثیر مسير ثانویه، استفاده از مدل الکتریکی تخمین مسير ثانویه درون کنترلر است (شکل 3- ج).

سیستم ANC کنترل فیدفوروارد در شکل ۳-ب نشان داده شده است. پاسخ بين مسير ثانویه یعنی بین میکروفون آشکار ساز و منبع ثانویه را (C(jω و پاسخ فرکانسی کنترلر (W(jω و پاسخ فرکانسی مسیر اولیه یعنی از مرجع سیگنال نا میکروفون را (P(jω می نامیم. طیف سیگنال خطا (EE(jω با طیف نویز (D(jω مقایسه می شود.

طیف سیگنال خطا رابطه خطی با پاسخ فرکانسی فیلتر (W(jω دارد بنابراین تنظیم در هر فرکانس بستگی به مسیر اوليه (P(jω و معکوس پاسخ فرکانسی مسیر ثانویه (C(jω دارد. پاسخ فرکانسی لازم برای کنترلر در حالت ایده ال برابر است (W(jω) = -P(jω) / C(jω و برای نویزهای بصورت تک فرکانس این معادله فقط برای همان فرکانس خاص صادق است. در حالت باند وسیع ضرایب فیلتر مورد استفاده کنترلر باید بنحوی تعیین گردند که بهترین پاسخ فرکانسی را داشته باشیم. سیگنال خروجی فیلتر W بعد از عبور از مسير ثانویه دچار تغییر فاز خواهد شد که این تغییر فاز و یا بعبارتی دیگر تاثیر مسیر ثانویه، فیلتر W را ناپایدار می کند. برای جبران این تغییر فاز، سیگنال ورودی را از فیلتر تخمین مسير ثانویه (C(z عبور داده و با استفاده از این سیگنال و سیگنال خطا ضرایب فیلتر را تنظیم میکنیم. اگر از الگوریتم LMS برای تنظیم ضرایب فیلتر استفاده شود از ضرب سیگنال فیلتر شده مرجع با سیگنال خطا ضرایب را در هر زمان وفق می دهیم و این معادلات تنظيم را « Filtered – x Lms » می نامند (شکل 3-ج) بطور مشابه از سیگنال فیلتر شد.

مرجع و سیگنال خطا برای تنظیم ضرایب فیلتر در الگوریتم های دیگر رفقى نظير RLS بهره می جوییم. اگر تابع تبدیل فیلتر تخمین مسير ثانویه (C(z برابر با jابع تبديل مسير ثانویه (C(z باشد نمودار بلوکی شکل ۴-ج به نمودار ۳-د تبدیل می شود. الگوریتم های وفقی RLS و LMS برای تنظیم ضرایب فیلتر، در قسمت قبل بیان شده است.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ آلودگی صوتی و نویز در خودروها

⇐ انواع سایلنسر یا خفه کن های صنعتی

⇐ بررسی اصول طراحی صدا خفه کن های صنعتی

⇐ اصول کاربردی کنترل صدا