Представляемая работа посвящена проблеме активного гашения волновых полей различной физической природы. Данная проблема является актуальной при решении целого ряда научных и технических задач, таких, как создание безэховых и экранирующих камер или площадок, имитирующих условия «свободного поля» [1]- обеспечение маскировки отражающих или излучающих объектов [2]- снижение уровня шума в кабинах и салонах самолетов, вертолетов, автомобилей и тракторов, снижение «внешней» шумности транспортных средств [3−9]- звуко — и виброизоляция силовых энергетических установок, снижение механическйх колебаний и вибраций производственного оборудования с целью уменьшения механического износа деталей, повышению их долговечности [10,11].
Традиционные пассивные методы гашения волновых полей, успешно применяемые в настоящее время, основаны на использовании различных поглощающих материалов, многослойных покрытий, вибродемпферов, перегородок, компенсаторов на основе резонансного поглощения и т. п. [11]. Обладая такими достоинствами, как надежность, относительно низкая стоимость и простота реализации, пассивные методы оказываются неэффективными при компенсации низкочастотных полей, когда необходимо значительно увеличивать толщину поглощающего слоя [8,11]. Их использование также затруднено в случаях, когда параметры излучения меняются во времени в широких пределах из — за невозможности оперативно изменять характеристики гасящей системы.
Принципиально другой подход к решению проблемы компенсации волновых полей основан на подавлении первичного волнового поля в за данной области пространства и в заданном диапазоне частот путем создания компенсирующего поля, инверсного по отношению к исходному, с помощью системы «управляемых» излучателей.
Идею активного гашения трудно назвать новой. Первой публикацией на эту тему, по всей видимости, можно считать американский патент Луэга, выданный в 1933 году. Однако строгое решение задачи активного гашения волновых полей впервые было дано только в конце 60-х — начале 70-х годов в работах Г. Д. Малюжинца, М. В. Федорюка [12−14] и М. Жесселя [15−17]. Эти работы положили начало новому направлению в развитии методов активной компенсации. Кратко рассмотрим постановку задачи активного гашения волновых полей в формулировке Г. Д. Малюжинца (см. рис, В1). диполь л • щщштль] «ЧУН.ИИ.
8 диполь л.
I приемники.
О МОНОПОЛЫ ф.
Рис. В1. Расположение приемных и излучающих поверхностей дня внешней а) и внутренней б) задачи Г. Д. Малюжинца.
Пусть замкнутая звукопрозрачная поверхность S} делит все пространство на внешнюю и внутреннюю области, каждая из которых может содержать источники излучения и рассеивающие тела. Предположим, что на этой поверхности равномерно размещены приемники двух типов: монополи и диполи. Внешняя задача активного гашения формулируется следующим образом: используя измерения суммарного поля всех приемников на поверхности S1, необходимо так возбудить равномерно распределенные гасящие излучатели, находящиеся на другой замкнутой звукопрозрачной поверхности S2, охватывающей S}, чтобы вне S2 компенсирующее поле было равно с обратным знаком полю внутренних источников, а внутри S2 оно было равно нулю. Взаимное расположение источников и поверхностей для внешней задачи показано на рис. В1а. Помещая поверхность S2 внутри S/, приходим к внутренней задаче, когда поле внешних по отношению к поверхности S/ источников компенсируется внутри S2 (см. рис. В1б). В работах Г. Д. Малюжинца было показано, что используя приемники двух типовмонополи и диполи, можно факторизовать полное поле относительно приемной поверхности S/, то есть выделить его часть, относящуюся лишь к внутренним или внешним источникам в отдельности. Им были также найдены явные выражения, связывающие управляющие сигналы для диполь-ных и монопольных излучателей на поверхности S2 с сигналами монопольных и дипольных приемников, расположенных на S,. Построенные таким образом приемная и излучающая поверхности обладают свойством однонаправленности и по аналогии с известным принципом дифракции часто называются приемной и излучающей поверхностями Гюйгенса [14].
Необходимость одновременного использования приемников и излучателей двух типов вытекает из условия единственности решения уравнения Гельмгольца [18], в соответствии с которой решение однородного уравнения внутри некоторой замкнутой области однозначно определяется по значениям поля и его нормальной производной на границе этой области. Известно, однако, что для полуограниченных областей удается построить однозначное решение только по граничным значениям поля (или его нормальной производной), если выполнено дополнительное условие «излучения» на бесконечность [18]. Нетрудно показать, что в этом случае для решения задачи активного гашения достаточно иметь излучатели одного типа — монополи или диполи.
Задача Малюжинца допускает различные обобщения. Так, например, пользуясь стандартной процедурой перехода из временной области в частотную и обратно с помощью преобразования Фурье, можно без труда распространить решение Малюжинца на случай гашения волновых полей с произвольной зависимостью от времени. В работе [19] рассмотрена задача активного гашения звуковых волн, распространяющихся в среде, плотность и скорость звука в которой зависят от пространственных координат. Метод активного гашения электромагнитных полей на основе поверхностей Гюйгенса описан в работах [20], где показано, что из — за необходимости учета поляризации волн число приемников и излучателей должно быть увеличено вдвое по сравнению со случаем гашения скалярного поля. Известен ряд работ, посвященных развитию метода Малюжинца для задач гашения из гиб-ных колебаний стержней, пластин и оболочек [21,22]. Возможность активного гашения упругих волн в твердом теле теоретически исследовалась в работе [23]. Как видно из перечисленных работ, метод Малюжинца является универсальным и принципиально применимым для компенсации волновых полей различной физической природы в различных средах.
В последующих работах [24,25] была показана возможность использования дискретно расположенных приемников и излучателей с расстоянием между соседними элементами порядка половины минимальной длины волны, приближенно аппроксимирующих приемные и излучающие поверхности Гюйгенса. Были, также, найдены некоторые способы преодоления возникающей в такой дискретной задаче (вообще говоря, не эквивалентной задаче Малюжинца) волновой обратной связи между приемниками и излучателями [10]. В ряде работ, приведенных в обзоре [10], были рассмотрены модификации метода, предпринятые с целью создания упрощенных систем активного гашения с одним типом приемников и излучателей. В работе [26] был предложен и исследован метод объединения каждой пары монопольдиполь в один сложный элемент триполь, обладающий кардиоидной диаграммой направленности. Следует отметить, что впоследствии направленные элементы типа триполь стали широко использоваться в одномерных системах активного гашения.
Выполненные теоретические исследования позволили экспериментально проверить работоспособность систем активного гашения в задачах компенсации звука в заглушённой воздушной камере [16], в одномодовом и двухмодовом волноводах[27,28] и снижении шумности промышленного трансформатора [29]. Более подробное обсуждение и подробный список работ этого периода имеется в обзоре [10].
Полученные экспериментально результаты подтвердили привлекательность метода активного гашения волновых полей, но, в то же время, выявили необходимость весьма точной настройки передаточных функций системы управления и критичность систем активного гашения к небольшим изменениям исходных данных, имеющим место в любой реальной задаче. Так, например, для того, чтобы снизить уровень монохроматического поля на 20 дБ необходимо обеспечить точность настройки гасящего сигнала по амплитуде в пределах ±0,6 дБ и по фазе — ±5°. Корректное управление гасящими излучателями требует знания функций Грина волновой задачи, геометрии приемной и излучающей поверхностей, физических свойств реальных приемников, излучателей, а также параметров электронных цепей управления. Следует отметить однако, что точное определение функций Грина аналитическими или экспериментальными способами сопряжено с значительными сложностями. Проблема настройки системы управления становится особенно острой при возрастании N — числа приемников и излучателей, поскольку при этом требуется вычислить или определить N2 передаточных функций между ними.
Преодолеть указанную трудность удалось путем применения адаптивных методов и алгоритмов настройки систем активного гашения [30−33]. Отличительная особенность адаптивных систем состоит в том, что в процессе работы они могут автоматически изменять свои параметры (или даже структуру), «приспосабливаясь» к априори неизвестным или изменяющимся условиям функционирования [34]. Особенно эффективным средством автоматической настройки систем управления стали различные модификации адаптивных градиентных алгоритмов [35−39]. В зависимости от поставленной задачи при этом используются различные критерии качества, такие, как суммарная мощность остаточного акустического поля в точках расположения контрольных приемников, мощность остаточного вибрационного поля, мощность волны, бегущей в некотором выделенном направлении, мощность излучаемого или рассеиваемого поля в дальней зоне. В сочетании с использованием новых технологий в области конструирования приемников и излучателей [40,41], эти методы обеспечили существенный прогресс в развитии адаптивных систем активного гашения (АСАГ).
В настоящее время известно множество публикаций, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию методов активного гашения. Значительное количество патентов, имеющих отношение к этой тематике, свидетельствуют об успешном коммерческом использовании с начала 90-х годов некоторых типов АСАГ. Разработкой новых методов и систем активной компенсации заняты научные центры во многих ведущих странах мира. Используя традиционную классификацию по способу применения систем, сделаем краткий обзор основных современных направлений развития АСАГ.
1. Системы гашения в свободном пространстве. Если источник шума локализован и если источник противошума можно расположить рядом с исходным на расстоянии, меньшим половины минимальной излучаемой длины волны, то уровень исходного поля может быть понижен за счет преобразования первичного монополя в диполь, квадруполь или мульти-поль более высокого порядка. Суммарное излучение диполя по уровню оказывается меньшим, чем излучение однополюсника, если расстояние между двумя монополями, образующими диполь, мало по сравнению с длиной волны [42].
Введение
м в систему дополнительных источников с преобразованием ее в мультиполь можно добиться дальнейшего снижения общего уровня шума. Таким способом удается компенсировать шум, создаваемый небольшими механизмами, типа компрессоров [3], и даже шум двигателя грузового автомобиля в заданном угловом секторе [43].
В тех случаях, когда источник исходного шума не локален (его размеры больше длины волны) и/или по техническим условиям гасящий излучатель нельзя разместить вблизи от него, задачу компенсации шума в пространстве можно решить путем использования АСАГ, реализованных по методу Малюжинца — Жесселя. Например, в работе [44] сообщалось о теоретическом и экспериментальном исследовании трехмерной АСАГ, состоящей из одного монопольного приемника и большого количества распределенных по сферической поверхности (излучающая поверхность Гюйгенса) монопольных источников. При этом достигалась компенсация поля первичного источника, расположенного в центре сферы, в полосе частот 20 -200 Гц с эффективностью 10−15 дБ. В [45] для гашения узкополосного лопастного шума мощного промышленного вентилятора использовалась система, состоящая из 12 излучателей и 6 контрольных микрофонов. При этом удалось снизить излучение шума в окружающее пространство на 20 -30 дБ при улучшении параметров самой вентиляционной системы. В работе [46] с помощью АСАГ решалась внутренняя задача Малюжинца — Жесселя компенсации монохроматического поля. При этом приемная поверхность Гюйгенса отсутствовала, а первичный и гасящий излучатели запитывались от одного синусоидального генератора на частоте 200 Гц. Такая схема активного гашения (обычно называемая неавтономной) является моделью системы с идеальным приемником и гарантирует отсутствие волновой обратной связи и самовозбуждения [10]. Излучающая поверхность Гюйгенса в этих экспериментах синтезировалась в зависимости от постановки задачи разными системами излучателей. Если внешнее поле при компенсации внутреннего должно было сохраняться неизменным (классическая задача Малюжинца), то использовались Триполи. Если внешнее поле могло быть изменено, то использовалась система монополей. Уровень компенсации исходного поля внутри области гашения при использовании трех трипольных излучателей и трех контрольных микрофонов достигал 10 -15 дБ. В [9] описывается неавтономная АСАГ для гашения мощных квазигармонических составляющих шума турбовентиляторного двигателя. Поскольку эти составляющие жестко связаны с лопастной частотой турбины, опорный сигнал АСАГ синтезировался в данном случае из сигнала тахометра, измеряющего частоту вращения турбины. Гасящая поверхность Гюйгенса была реализована с помощью 12-ти акустических горнов, размещенных по периметру сопла. Три контрольных датчика располагались в трех метрах от сопла. При включенной системе гашения подавление сигнала на лопастной частоте и ее первой гармонике достигало 18 дБ в секторе 60 градусов от оси турбины.
Последующие работы по гашению акустических полей в свободном пространстве были связаны с созданием автономных АСАГ, синтезирующих сигналы гашения на основе непосредственного измерения исходного акустического поля с помощью системы первичных измерителей [47]. В [48] была исследована простейшая пространственная автономная АСАГ, использующая монополь и диполь в качестве первичных приемников и такую же конфигурацию в качестве гасящих излучателей. Геометрически все приемники и излучатели располагались на одной оси. При этом путем специального соединения приемных и излучающих элементов удалось компенсировать волновую обратную связь. Моделирование и эксперименты показали, что такая система, управляемая многоканальным адаптивным фильтром, мало искажает исходное поле до системы измерителей, обеспечивая компенсацию монохроматического поля на 20 -30 дБ в секторе порядка 45 градусов относительно оси за системой гасящих излучателей. 2. Одномерные системы гашения. Типичной одномерной системой является воздушный канал или трубопровод, заполненный жидкостью, в котором распространяются плоские волны с длиной волны, по крайней мере в 2 раза большей ширины канала. Такого рода каналы характерны для вентиляционных систем, систем кондиционирования воздуха и систем охлаждения силовых установок судов. Снижение уровня низкочастотных шумов в таких акустических объектах иногда может быть достигнуто путем использования активных систем, реализующих принцип отрицательной акустической обратной связи [3,49]. В этом случае гасящий излучатель управляется сигналом расположенного рядом с ним приемного микрофона, причем расстояние между ними должно быть много меньшим минимальной длины волны гасимой волны. Контрольные микрофоны в такой системе не требуются, роль адаптивной системы управления сводится к выбору оптимального коэффициента усиления и ограничения полосы пропускания для устранения самовозбуждения. Эффективность систем с отрицательной обратной связью составляет порядка 10−15 дБ при гашении низкочастотных шумов, их известным достоинством является возможность компенсации распространяющихся случайных импульсных (с ограниченным спектром) шумов [50].
Если расстояние между приемным микрофоном и гасящим излучателем монопольного типа по условиям задачи больше четверти минимальной длины волны, используются АСАГ с прямой связью, состоящие из измерительных приемников, управляемых гасящих излучателей и контрольных приемников [3,49,51]. В силу наличия волновой обратной связи в тракте гасящий излучатель — измерительный приемник необходимо применять специальные меры для предотвращения самовозбуждения системы. В работах [32,33] показано, что использование адаптивных управляющих стройств позволяет, при некоторых условиях, решить проблему устойчивости. В рабо-те[52] предложено использовать дополнительный канал с бесконечной импульсной переходной характеристикой, моделирующий и компенсирующий волновую обратную связь. Этот метод используется при гашении распространения шума мощных центробежных насосов по воздуховодам [53,54]. Другим способом обеспечения устойчивости автономных АСАГ является использование направленных элементов типа триполей, воспроизводящих, фактически, одномерные приемные и излучающие поверхности Гюйгенса [26,27,55−57].
Если исходный шум имеет циклический характер, опорный сигнал АСАГ может быть синтезирован с помощью какихлибо синхросигналов. Исследование одномерных автономных АСАГ было проведено в работах [58,59], в том числе системы активного управления граничными условиями [60]. Известным примером применения таких АСАГ являются активные глушители выхлопного шума двигателей внутреннего сгорания [3,49,61,62]. Следует отметить, что при использовании таких систем был обнаружен эффект повышения экономичности двигателей на 2−5% при снижении уровня низкочастотного шума на 6−10 дБ.
3. Активные шумозащитные наушники. Пассивные средства индивидуальной акустической защиты, такие, как лепестки, вкладыши, наушники и шлемы имеют неудовлетворительные характеристики в области низких частот [11]. Поэтому, начиная с 1987 года, ряд фирм США и Германии освоили промышленное производство активных наушников, использующих принцип отрицательной акустической обратной связи и обеспечивающие снижение низкочастотного шума на 10−15 дБ. Соответствующие патенты приведены в обзоре [6]. В последующих работах в этом направлении была, например, достигнута компенсация внешнего шума до уровня, позволяющего распознавать сигналы медицинского стетоскопа на борту спасательного вертолета (автономная система) [63]. Известно также использование активных наушников для индивидуальной защиты от мощных (на уровне болевого порога) квазигармонических шумов при некоторых медицинских исследованиях [49].
4. Активное гашение в замкнутых объемах. Задача активного управления акустическим полем в замкнутом объеме путем размещения в нем гасящих излучателей наиболее детально теоретически и экспериментально анализировалась группой исследователей Саутгемптонского университета [64−66]. В этих работах изначально предполагалась возможность независимого формирования опорного сигнала АСАГ, поэтому рассматривалась только неавтономная система с излучателями и контрольными приемниками монопольного типа и многоканальным управляющим устройством, передаточные функции которого реализовывались адаптивными фильтрами с конечными импульсными переходными характеристиками [67]. Настройка такой системы осуществлялась путем минимизации суммы квадратов амплитуд давлений, измеренных дискретно расположенными контрольными приемниками.
Рассматривалась проблема оптимального размещения гасящих излучателей и контрольных приемников и оценивалась эффективность компенсации в зависимости от их количества при разной модальной плотности исходного поля. За количественную оценку модальной плотности исходного поля бралось число эффективно возбуждаемых акустических мод, попадающих в 3 дБ ширину полосы основной моды.
Исследования показали, что при высокой модальной плотности эффективное гашение может быть достигнуто только в том случае, если первичный источник шума локален, а вторичные источники располагаются от него не далее, чем на половину длины волны (случай близкий к задаче гашения локального источника шума в свободном пространстве). При низкой модальной плотности исходного гармонического поля гасящие излучатели могут быть разнесены, в принципе, на любое расстояние от первичного ис-, точника шума, но при этом точки размещения гасящих излучателей и контрольных приемников должны находиться в пучностях исходного поля, причем в этих точках относительные фазы доминирующих акустических мод должны совпадать. При исходном возбуждении на резонансных частотах было достигнуто общее подавление исходного поля порядка 10−16 дБ и с увеличением количества гасящих излучателей уровень гашения увеличивался. При возбуждении исходного поля вне резонасных частот уровень компенсации снижается до 1−2 дБ. Аналогичные результаты были получены в работах [68,69]. Анализ энергетических характеристик системы гашения показал, что при оптимальном гашении исходное поле компенсируется, в основном, за счет изменения нагрузочного импеданса первичного источника, а не за счет поглощения звуковой мощности гасящими излучателями.
Далее было установлено, что число необходимых гасящих излучателей должно соответствовать числу возбуждаемых мод вблизи частоты сигнала возбуждения. С ростом частоты модальная плотность быстро растет приблизительно пропорционально кубу частоты. Этот факт накладывает фундаментальное частотное ограничение на использование АСАГ в замкнутых объемах. Сделанные оценки для салонов автомобилей показали применимость рассмотренного метода активного гашения вплоть до 250 Гц. Проведенные в дальнейшем эксперименты по гашению циклического шума в кабине спортивного автомобиля (источник шума — двигатель и коробка скоростей) [70], дорожного шума в салоне легкового автомобиля (для формирования опорных сигналов использовались вибродатчики, размещенные в подвеске) [71], лопастного шума в салоне турбовинтового самолета (система имела 16 излучателей и 32 контрольных приемника, опорный сигнал синтезировался с помощью тахометра) [72] подтвердили достоверность полученных результатов. Следует также отметить, что в последнем эксперименте была подтверждена возможность создания локальных зон компенсации шума с размерами порядка одной десятой длины волны. Эта идея была впоследствии использована при построении простой АСАГ для компенсации мощных дискретных составляющих шума в кабине трактора [73].
5. Активное гашение структурного звука. Другим способом уменьшения энергии акустического поля в замкнутом объеме является метод активного гашения передачи шума по структуре объекта от удаленного источника шума к замкнутому объему. Использование этого метода является эффективным в тех случаях, когда количество путей распространения структурного шума невелико. При этом частотный диапазон гашения может быть существенно увеличен. В обзорах [3,5] описан способ снижения шума салона автомобиля за счет активной виброизоляции двигателя. В работе [5] описывается АСАГ, уменьшающая передачу продольных и поперечных колебаний механизма управления лопастями вертолета через жесткие опоры в фюзеляж. В качестве гасящих излучателей с двумя степенями свободы использовались магнитострикционные элементы, размещенные внутри трубчатых опор. Этот же метод контроля распространения структурного шума использовался и для снижения уровня акустического излучения в открытое пространство тонких протяженных оболочек, содержащих внутри себя жесткие вибрирующие тела, связанные с оболочкой пассивными и активными виброизоляторами [74−76].
6. Активное гашение излучения вибрирующих поверхностей. Возможность управления излучением вибрирующей плоскости путем использования активной адаптивной неавтономной системы, непосредственно воздействующей на саму поверхность была показана в работе [77]. В этой системе три пьезокерамических активатора располагались на поверхности плоской пластины, возбуждаемой точечной силой. Адаптивное управление сигналами активаторов обеспечивалось за счет использования сигналов трех пленочных пьезоэлектрических датчика, расположенных также на поверхности пластины. В данном случае использовался метод гашения дальнего поля по измерениям ближнего поля, предложенный в [78]. Пленочные датчики были сформированы и расположены таким образом, что осуществляемая ими пространственная фильтрация виброколебаний под их поверхностью позволяла получить сигнал эквивалентный измерениям поля в дальней зоне [40]. При возбуждении пластины гармоническим сигналом с частотой, лежащей вне резонанса, была получена значительная компенсация излучаемого акустического поля порядка 15 дБ в секторе 180 градусов.
Для сравнения были проведены эксперименты с использованием трех контрольных микрофонов, расположенных в дальней зоне. При этом было достигнуто более глубокое подавление порядка 25 дБ, что объясняется неточностью реализации необходимой формы пленочных датчиков. Интересно отметить, что задача компенсации излучаемого акустического поля и задача снижения уровня вибрационного поля приводят к разным решениям. Более того, иногда компенсация акустического поля приводит к увеличению вибрационного поля и наоборот. В этих случаях компенсация акустического поля фактически происходит за счет снижения эффективности излучения. Данный эффект был более подробно исследован в работе [79].
В последующих работах были рассмотрены вопросы использования одноканальных (один приемник — один излучатель) неавтономных систем для формирования желаемых модальных характеристик вибрирующих поверхностей с более низкими излучающими способностями или с резонансными частотами, не попадающими в полосу частот сигналов возбуждения [80]. Исследовалась также возможность одновременного использования независимых одноканальных систем для активного контроля вибраций. При этом анализировалось влияние одноканальных систем друг на друга [81,82] и условие устойчивости такой системы в целом [74].
7. Системы активного гашения локальные во времени и/или пространстве. Рассмотренные выше системы активного гашения с раздельным измерением исходного и остаточного полей в той или иной степени нуждаются в некоторой априорной информации об исходном шумовом поле и характеристиках трактов распространения шума. В развитие систем с обратной волновой связью в ряде работ предлагается новый подход к построению АСАГ, основанный на создании систем локальных во времени (в которых управляющий сигнал синтезируется за время, много меньшее минимального временного масштаба падающей волны) и (или) локальных в пространстве (когда измерение поля производится в окрестностях активного элемента).
В работе [83] анализировались локальные в пространстве и времени алгоритмы управления граничными условиями в одномерной задаче. Причем модуляционный алгоритм, периодически изменяющий мягкое состояние границы на жесткое и обратно, был экспериментально проверен применительно к задаче гашения низкочастотных гравитационных поверхностных волн с частотами 0,5−2,5 Гц. В работах [84,85] рассмотрены некоторые пространственные задачи гашения акустических полей излучения и рассеяния. Исследовались гасящие системы, состоящие из многих излучателей, расположенных на замкнутых поверхностях. В развитие классической задачи Малюжинца-Жесселя предлагались три альтернативных подхода: а) алгоритм компенсации объемной скорости излучающего объекта, основанный на покрытии поверхности объекта гасящими поршневыми излучателями в виде таблеток управляемой толщины (с локальным в пространстве и времени управлением) — б) алгоритм компенсации звукового давления на гасящих поршнях с итеративной подстройкой амплитуд колебательной скорости (на основе локального в пространстве, но нелокального во времени измерения комплексных амплитуд давления) — в) алгоритм поршневого согласования жесткой поверхности с падающей плоской волной (нелокальный в пространстве и времени). Следует отметить, что в работе [86] система, компенсирующая объемную скорость излучаемого объекта исследовалась экспериментально, при этом было достигнуто гашение излучаемого акустического поля на 10−20 дБ в полосе частот 50−500 Гц.
Из приведенного краткого обзора можно сделать следующие выводы.
Первоначальным этапом синтеза систем активного гашения является выбор структурной схемы, способной обеспечить решение поставленной задачи. Уточнение необходимой структуры АСАГ сопряжено с проведением дополнительных специальных исследований по выбору геометрии системы гашения (расположения первичных и контрольных приемников) — определению требуемой точности моделирования передаточных функций между измерителями и гасящими излучателямирешению задачи компенсации волновой обратной связи между гасящими излучателями и первичными приемниками. Следует отметить, что вопросы синтеза устойчивых систем активного гашения широкополосных акустических полей при наличии сильной волновой обратной связи, возникающей за счет переотражений от несогласованных границ, даже в одноканальном варианте недостаточно освещены в известных публикациях. Требует дополнительных исследований и решение задачи построения узкополосных многоканальных систем активного гашения, компенсирующих многомодовые акустические поля в замкнутых объемах.
Второй проблемой, возникающей при построении АСАГ является выбор адаптивного алгоритма управления, согласованного в некотором смысле с условиями поставленной задачи. Как правило, при рассмотрении алгоритмов решающими факторами являются: скорость сходимости, точность настройки, устойчивость алгоритма, трудоемкость вычислений, стоимость реализации. Из анализа опубликованных работ видно, что наиболее часто дня настройки систем активного гашения используются различные версии адаптивных градиентных алгоритмов минимизации средне-квадратической ошибки. Быстрое развитие цифровой техники и появление специализированных сигнальных процессоров типа TMS-320−30,40,50, ADSP-21, DSP56000 определили предпочтительность дискретной реализации этих алгоритмов и соответствующих управляющих устройств. Однако, поскольку системы активного гашения работают в реальном масштабе времени, применение цифровых процессоров с фиксированной скоростью вычислений приводит иногда к необходимости использования упрощенных модификаций алгоритмов с уменьшенной вычислительной сложностью. Особенностью дискретной реализации управляющих устройств является необходимость анализа влияния таких факторов, как шумы квантования и формат представления сигналов, динамический диапазон вычислений цифрового процессора, эффекты переполнения разрядной сетки. Ошибки квантования вызывают появление дополнительного шума на выходе адаптивной системы, ухудшающая ее характеристики [87−91]. Уменьшение ошибок квантования путем увеличения числа разрядов сигналов и весовых коэффициентов приводит к существенному усложнению схем адаптивных систем обработки сигналов, снижению их быстродействия и увеличению стоимости. Для адекватного синтеза управляющих устройств АСАГ требуется проведение детального анализа влияния различных шумов квантования на статистические характеристики адаптивных систем с целью оптимального, в некотором смысле, выбора количества разрядов двоичного кода в различных узлах адаптивного процессора.
Задача построения систем активного гашения, эффективно функционирующих при существенных нестационарных изменениях параметров акустических трактов и статистических характеристик сигналов, также сопряжена с известными сложностями. Основной из них является необходимость непрерывного моделирования функций Грина волнового уравнения между точками расположения гасящих излучателей и контрольных приемников. В связи с этим представляется актуальным решение задачи синтеза «полностью» адаптивных алгоритмов управления, включающих дополнительные каналы идентификации неизвестных характеристик акустических трактов системы. Недостаточное количество публикаций, посвященных экспериментальным исследованиям поведения подобных систем, сдерживает их практическое использование.
Цель работы. В соответствии с рассмотренным состоянием проблемы компенсации волновых полей при проведении исследований, отраженных в диссертации, были поставлены следующие цели:
— разработка структурных схем и создание действующих макетов адаптивных систем активного гашения широкополосных и узкополосных шумовых акустических полей.
— синтез устойчивых и эффективных дискретных адаптивных алгоритмов настройки систем активного гашения с учетом шумов квантования, конечной разрядности и производительности вычислительных устройств.
— экспериментальные исследования разработанных АСАГ в задачах компенсации широкополосных гидроакустических полей в трубопроводе с несогласованными торцами, в модели циркуляционной петли и в задаче подавления многомодового узкополосного акустического поля в замкнутом объеме.
— разработка, исследование и экспериментальная проверка эффективности адаптивных систем активного гашения с параллельной идентификацией характеристик нестационарных акустических трактов распространения сигналов.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы статистической радиофизики, теории адаптивных систем управления, теории матриц, некоторые разделы теории колебаний. Экспериментальные исследования проводились методами экспериментальной радиофизики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведено детальное исследование влияния шумов квантования сигналов и весовых коэффициентов на характеристики адаптивного трансверсально-го фильтра.
2. Разработан и исследован модифицированный градиентный алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки, предотвращающий переполнения разрядной сетки весовых коэффициентов в цифровом процессоре адаптивной системы активного гашения.
3. Разработана и апробирована широкополосная автономная система активного гашения с упрощенным поисковым градиентным алгоритмом адаптации. Экспериментально подтверждена возможность эффективного гашения широкополосного случайного гидроакустического шума в условиях сильных переотражений от несогласованных границ.
4. Разработана и экспериментально исследована многоканальная адаптивная система активного гашения многомодового узкополосного поля в замкнутом объеме. Экспериментально показана возможность использования независимых гармонических опорных сигналов с частотами близкими, но не равными частотам соответствующих составляющих исходного акустического поля.
5. Разработаны и апробированы две адаптивные системы активного гашения с дополнительными адаптивными каналами идентификации. Экспериментально подтверждена возможность использования таких систем для компенсации узкополосных акустических полей в условиях медленных нестационарных изменений характеристик акустических трактов или параметров элементов системы гашения.
Практическая ценность. Полученные в диссертации экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы при проектировании адаптивных систем активного гашения акустических, вибрационных и электромагнитных полей как в научно — исследовательских учреждениях, например, в Акустическом Институте РАН, МНИИП (г. Москва), ЦНИИ им. акад. Крылова (г. С.-Петербург), ИПФ РАН (г. Нижний Новгород), так и в организациях, связанных с практическим использованием и разработкой подобных систем.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы — 132 страницы, включая 116 страниц основного текста, приложение на 2 страницах, 31 рисунок и список литературы из 111 наименований на 11 страницах.
Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом.
1. Развиты методы анализа адаптивных систем активного гашения волновых полей с цифровыми управляющими устройствами. а) Разработана методика оптимального выбора количества двоичных разрядов в различных узлах адаптивного процессора с учетом влияния шумов квантования на характеристики адаптивных трансверсальных фильтров. Получены выражения дня мощности избыточного шума на выходе адаптивной системы, позволяющие оценить предельные характеристики подавления исходного поля. б) Предложен поисковый градиентный алгоритм адаптации с уменьшенной вычислительной сложностью, использующий в качестве рабочей функции усредненный модуль остаточного поля. Найдены условие устойчивой сходимости и основные статистические характеристики предложенного алгоритма. Показано, что при определенном выборе параметров точность настройки упрощенного алгоритма близка к характеристикам поискового градиентного алгоритма, минимизирующего средний квадрат ошибки. в) Разработан модифицированный градиентный алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки, предотвращающий переполнения разрядной сетки весовых коэффициентов в цифровом процессоре адаптивной системы активного гашения. Найдены смещения средних значений весовых коэффициентов и избыточная ошибка, вызванная этим смещением, на выходе фильтра, синтезирующего сигнал управления гасящим излучателем. Показано, что модификация алгоритма не приводит к существенным искажениям выходного сигнала адаптивной системы. г) Найдены условия устойчивой работы узкополосной АСАГ с дополнительными блоками идентификации, позволяющими автоматически корректировать параметры предыскажающих фильтров в соответствии с изменениями в акустических трактах гасящие излучатели — контрольные приемники.
2. Разработаны структурные схемы, созданы действующие макеты и экспериментально исследованы следующие адаптивные системы активного гашения. а) Система активного гашения широкополосного гидроакустического поля с упрощенным поисковым градиентным алгоритмом адаптации. Проведено подробное исследование этой системы на примере компенсации широкополосных гидроакустических полей в трубопроводе с несогласованными торцами и в модели циркуляционной петли. Полученные экспериментальные результаты подтвердили эффективность предложенной АСАГ. б) Трехканальная узкополосная АСАГ с модифицированным градиентным алгоритмом наименьших квадратов. Проведена экспериментальная проверка системы на примере компенсации суммы трех независимых квазигармонических составляющих звукового поля в замкнутом объеме. Показана возможность использования в качестве опорных сигналов независимых гармонических сигналов с частотами близкими, но не равными частотам соответствующих составляющих исходного акустического поля. в) Узкополосные АСАГ с дополнительными блоками идентификации, использующими слабые пробные гармонические сигналы или сигналы с фазовой манипуляцией с целью определения характеристик акустических трактов гасящие излучатели — контрольные приемники. Экспериментальнаяпроверка подтвердила высокую эффективность обеих систем при компенсации узкополосных полей в условиях медленных, но больших изменений параметров акустических трактов распространения сигналов.
На основании полученных результатов можно сделать следующие практические выводы:
— при синтезе цифровых управляющих устройств АСАГ необходимо учитывать, что наиболее существенный вклад в избыточную ошибку адаптивного трансверсального фильтра вносит квантование весовых коэффициентов в цифровом интеграторе, особенно при низкой скорости настройки. В то же время, разумное уменьшение разрядности весовых коэффициентов при вычислении отклика фильтра не приводит к значительному увеличению мощности избыточного шума (§ 1.3).
— для обеспечения устойчивой работы цифрового управляющего устройства системы активного гашения необходимо принимать специальные меры по предотвращению переполнений разрядной сетки адаптивного процессора (§ 2.3).
— экспериментальные результаты, полученные в § 2.2, подтверждают, что наиболее предпочтительным с точки зрения эффективности гашения и устойчивости системы в одномерной задаче компенсации широкополосных акустических полей в условиях сильных переотражений от несогласованных границ является вариант автономной АСАГ с однонаправленными приемником исходного поля и гасящим излучателем в сочетании с адаптивным тр ан св ер сальны м фильтром в качестве устройства управления. При этом допустимо использовать ненаправленные измерители остаточного поля без снижения эффективности подавления.
— для эффективного подавления квазигармонических составляющих исходного поля сигналов в замкнутых объемах может быть использована неавтономная АСАГ с градиентным алгоритмом наименьших квадратов и независимыми гармоническими опорными сигналами (§ 2.3), частоты которых могут несколько отличаться от частот соответствующих составляющих исходного акустического поля.
— в условиях медленных, но значительных нестационарных изменений характеристик акустических трактов гасящие излучатели — контрольные приемники возможно использовать предложенные в § 3.1 адаптивные системы активного гашения с дополнительными каналами идентификации. Сравнительный анализ, выполненный в в § 3.2, показал преимущества АСАГ с фазоманипулированным сигналом идентификации, проявившиеся в меньшей заметности дополнительного сигнала идентификации в спектре остаточного поля и более точной настройке предыскажающего фильтра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
