Ανάπτυξη συστήματος ενεργού ελέγχου θορύβου χαμηλών συχνοτήτων σε ρυθμικά πεδία με σύνθετες ακουστικές πηγές

Abstract

The subject of this PhD thesis is the control of low-frequency noise in modal sound fields of small, closed spaces using a compound secondary source. Low-frequency steady-state noise in small spaces is exacerbated by resonances of the enclosed sound field. The goal is the local and, approximately, global control of tonal low-frequency noise in a modal field, with a compound control source, at a fixed position. The polar radiation of the compound source varies through the parametric control of the signals of the comprising elementary sources. The method is based on adapting the coupling of the compound control source to the spatially dominant modal noise field, causing noise attenuation in selected regions. The acoustic simulations are done with the Finite Element Method, which examines the possibility of using a compound source in the control of the modal field and in various topologies. The compound source is developed with low power factor loudspeakers and acoustic measurements are conducted to obtain its radiation polar pattern. To drive the control source, software is developed that implements a genetic algorithm to optimize the signals of the elementary sources. The effectiveness of the system is evaluated by conducting experimental tests in real space, verifying its high performance. In addition, the variation of a basic operation of the genetic algorithm, which yields faster convergence to the optimal solution, is tested, and evaluated. The combination of the compound source and software in the experimental application is original, reliable, and effective. Its performance in suppressing tonal noises is adequate to excellent, while its concentrated form offers flexibility and ease of application, compared to previous proposals with distributed sources.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο έλεγχος θορύβου χαμηλών συχνοτήτων σε ρυθμικά ηχητικά πεδία μικρών κλειστών χώρων με χρήση μίας σύνθετης δευτερεύουσας πηγής. Ο χαμηλόσυχνος θόρυβος σταθερής κατάστασης στους μικρούς χώρους επιδεινώνεται από τους συντονισμούς του περίκλειστου ηχητικού πεδίου. Ο στόχος είναι ο τοπικός και, κατά προσέγγιση, ολικός έλεγχος του τονικού χαμηλόσυχνου θορύβου σε ρυθμικό πεδίο, με μία σύνθετη πηγή ελέγχου, σε σταθερή θέση. Η πολική ακτινοβολία της σύνθετης πηγής καθίσταται μεταβαλλόμενη μέσω της παραμετρικής οδήγησης των σημάτων των στοιχειωδών πηγών, που την απαρτίζουν. Η μέθοδος βασίζεται στην προσαρμογή της σύζευξης της σύνθετης πηγής ελέγχου με το ρυθμικό πεδίο θορύβου που κυριαρχεί στον χώρο, προκαλώντας την εξασθένιση του θορύβου σε επιλεγμένες περιοχές. Οι ακουστικές προσομοιώσεις γίνονται με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων, με τις οποίες εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης μιας σύνθετης πηγής στον έλεγχο του ρυθμικού πεδίου και σε διάφορες τοπολογίες. Η σύνθετη πηγή κατασκευάζεται με μεγάφωνα χαμηλού συντελεστή δύναμης και διεξάγονται ακουστικές μετρήσεις για τη λήψη του πολικού διαγράμματος ακτινοβολίας της. Για την οδήγηση της πηγής ελέγχου αναπτύσσεται λογισμικό που υλοποιεί γενετικό αλγόριθμο βελτιστοποίησης των σημάτων των στοιχειωδών πηγών. Η αποτελεσματικότητα του συστήματος αξιολογείται με τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών σε πραγματικό χώρο, επαληθεύοντας την υψηλή απόδοσή του. Επιπλέον, δοκιμάζεται και αξιολογείται η παραλλαγή μίας βασικής λειτουργίας του γενετικού αλγορίθμου, η οποία αποδίδει ταχύτερη σύγκλιση στη βέλτιστη λύση. Ο συνδυασμός της σύνθετης πηγής και του λογισμικού στην πειραματική εφαρμογή είναι πρωτότυπος, αξιόπιστος και αποτελεσματικός. Η απόδοση του στην καταστολή των τονικών θορύβων είναι από επαρκής έως εξαιρετική, ενώ η συγκεντρωμένη μορφή του, προσδίδει ευελιξία και ευκολία εφαρμογής, έναντι των προηγούμενων προτάσεων με διανεμημένες πηγές.