Barrera de ruido activa circular que utiliza un filtro de control teórico considerando la interacción entre el altavoz y la barrera

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2649 (2023) Citar este artículo

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Se propuso una barrera de ruido activa circular que utiliza un filtro de control calculado teóricamente sin adaptación en tiempo real para reducir el ruido en un espacio exterior específico. Se utiliza una barrera circular compacta para que el sistema móvil pueda hacer frente a los cambios en la ubicación del espacio de trabajo, y el ruido en una banda de frecuencia amplia se puede reducir realizando un control activo del ruido a través de altavoces de control dispuestos alrededor de una barrera. Sin embargo, hubo una brecha significativa en el rendimiento en comparación con el rendimiento máximo logrado con el filtro fijo experimental debido a un modelo teórico extremadamente simplificado que ignora la interacción entre los altavoces de control y la barrera. Por lo tanto, este estudio trató de minimizar la degradación del rendimiento al aplicar el filtro de control calculado teóricamente. Se introduce otro modelo teórico para mejorar el rendimiento de reducción de ruido al considerar la interacción entre el altavoz de control y la barrera. A través de experimentos, se confirma que el rendimiento de reducción de ruido mejora en aproximadamente 2,6 dB en la frecuencia de interés.

Los problemas de ruido en los entornos industriales son cada vez más variados y graves, y junto con las normas sobre ruido cada vez más estrictas, la reducción del ruido se está convirtiendo en un tema más importante. El ruido en varios espacios, como las áreas de descanso o los espacios de trabajo, puede generar estrés, distracción y pérdida de la audición1 y muchos trabajadores en las industrias están expuestos a ruidos fuertes durante largos períodos de tiempo. Se puede utilizar una barrera acústica para reducir el ruido, pero es ineficaz para reducir el ruido en una banda de baja frecuencia debido al ruido difractado. Para reforzar la reducción de ruido en una banda de baja frecuencia, se estudió la barrera acústica activa2,3,4,5,6 que aplica control activo de ruido (ANC)7 a una barrera. Al colocar parlantes y micrófonos de error sobre la barrera, el ruido difractado en una banda de baja frecuencia se reduce a través de ANC. La disposición de micrófonos y altavoces8,9, el método de obtención del filtro de control10,11 y el uso de fuentes de control unidireccionales12 han sido estudiados para mejorar el rendimiento de la barrera activa contra el ruido. Sin embargo, la barrera acústica activa que utiliza una barrera semi-infinita es costosa y requiere un lugar grande para instalarse. Además, es difícil de mover, por lo que solo es aplicable a un entorno fijo.

Para resolver este problema, se propuso la barrera acústica activa circular que utiliza un filtro de control calculado teóricamente13,14,15 para reducir el ruido en un espacio exterior específico en lugar de la reducción global del ruido. La barrera de ruido activa circular consiste en una barrera circular compacta y altavoces de control colocados alrededor de la barrera con el objetivo de reducir el ruido en un espacio objetivo individual, como un espacio de trabajo o de descanso. Requiere menos costo y espacio en comparación con la barrera semi-infinita, y se puede mover y reinstalar. Se utiliza un filtro de control calculado teóricamente sin disponer micrófonos sobre el espacio objetivo porque los micrófonos dispuestos para aplicar ANC obstruyen a los trabajadores. El filtro de control calculado teóricamente se puede calibrar rápidamente, por lo que es fácil responder a los cambios en la posición de la fuente de ruido o el espacio de control de destino.

Sin embargo, la brecha de rendimiento entre el rendimiento teóricamente obtenible y los resultados experimentales es significativa. En el estudio anterior13, se calcula un filtro de control basado en un modelo teórico extremadamente simplificado destinado a proporcionar un método de control de ruido de aplicación sencilla. La degradación del rendimiento se produce debido a la diferencia entre el modelo teórico simplificado y el sistema experimental. Por lo tanto, este estudio trató de minimizar la degradación del rendimiento que ocurre cuando el filtro de control calculado teóricamente se aplica al sistema de control de ruido híbrido circular. La interacción entre el altavoz de control y la barrera, que es una de las principales causas, no puede ser considerada por el modelo teórico simplificado anterior, por lo que se introduce otro modelo teórico.

La barrera de ruido activa circular se describe brevemente. La estructura se muestra en la Fig. 1. Se obtiene un filtro de control para ANC para minimizar la energía potencial acústica del espacio de control objetivo como se muestra en la ecuación. (1).

Configuración de la barrera acústica activa circular (arriba) e ilustración de una estructura axisimétrica en dos dimensiones (abajo). La fuente de control es una fuente lineal circular en el estudio anterior. a es el radio de la barrera. V es el espacio de control objetivo y S es la sección transversal de la estructura simétrica al eje.

Aquí, \(Pn \, [Pa]\) y \(Pc \, [Pa]\) son respectivamente la presión sobre el espacio de control objetivo por el ruido y la fuente de control. V es el espacio de control objetivo y S es la sección transversal de la estructura simétrica al eje. \(\rho \, [kg/m^3]\) y \(c \, [m/s]\) son la densidad del aire y la velocidad del sonido, respectivamente. El filtro de control obtenido \(K_w\) para minimizar la Eq. (1) se proporciona en la ecuación. (2).

Debido a la estructura axisimétrica, el dominio de cálculo integral para calcular el filtro de control se puede cambiar del espacio a la superficie.

La energía potencial acústica residual se da en la ecuación. (4).

La reducción de ruido se define como la reducción de la energía potencial acústica en el espacio de control objetivo, como se muestra en la ecuación. (5).

\(C_0\) es la energía potencial acústica en el espacio de control objetivo antes de reducir el ruido \(\big {(} C_{0}=\int _V \frac{|P_n|^2}{2\rho c^2 }dv \grande {)}\).

El rendimiento de reducción de ruido en la banda de frecuencia de interés se define como se indica en la ecuación. (6).

\(C_{int,0}\) es la suma de \(C_0\) en la banda de frecuencia de interés \(\big {(}C_{int,0}=\int _F\ C_0 df \big {) }\). \(C_{int,e}\) es la suma de \(C_e\) en la banda de frecuencia de interés \((C_{int,e}=\int _F C_e df )\). F es la banda de frecuencia de interés.

Para obtener el filtro de control en la Ec. (3), se utiliza la presión calculada teóricamente. En el caso del ruido se utiliza la ecuación establecida por Flammer16 asumiendo la barrera circular como un disco muy delgado bajo una condición acústicamente dura. La ecuación está escrita en la coordenada esferoidal achatada. Las relaciones entre la coordenada cartesiana (x, y, z) y la coordenada esferoidal achatada \((\xi ,\eta ,\phi )\) se dan en la ecuación. (7).

Aquí, a es el radio de una barrera circular. La presión del ruido ubicado en \((\eta _0,\xi _0,\phi _0)\) con una barrera circular acústicamente dura en el origen se muestra en la ecuación. (8). Se omite el término armónico \((e^{i \omega t})\).

Aquí, \(N_{mn}\) es la constante de normalización y \(\varepsilon _m\) es 1 para \(m=0\) y 2 para todos los demás valores. \(k=\frac{2\pi }{\lambda }\) es el número de onda. \(\xi _<\) es \(min(\xi ,\xi _0)\) y \(\xi _>\) es \(max(\xi ,\xi _0)\). \(S_{mn} (-ika,\eta )\) es la función de onda angular esferoidal achatada y \(R_{mn}^{(j)} (-ika,i\xi )\) es la función de onda angular esferoidal achatada función de onda del tipo \(j^{th}\).

En el caso de la fuente de control, en el estudio previo se utiliza una fuente de control circular13. Sin embargo, una fuente de control circular que es un monopolo infinitamente distribuido en un círculo no puede considerar la interacción entre los altavoces de control y la barrera. La razón por la que los altavoces de control se colocan en el borde de la barrera es diferente de una fuente circular que se ilustra en la Fig. 2.

Configuración del sonido generado por un altavoz en campo libre (izquierda) y un altavoz con barrera (derecha).

Como se muestra en la Fig. 2, un altavoz en el campo libre puede asumirse como un monopolo cuando el altavoz es mucho más pequeño que la longitud de onda. Sin embargo, un altavoz conectado al borde de la barrera genera un campo de sonido diferente en comparación con una fuente monopolar porque parte del sonido que se propaga hacia la parte trasera del altavoz está bloqueado por la barrera. Para abordar esto, se introduce un anillo oscilante en un deflector cerrado finito para que sirva como fuente de control para considerar la interacción entre el altavoz y la barrera. Está en un deflector finito con la parte posterior cerrada, y el anillo vibra para generar sonido, como se muestra en la Fig. 3. El grosor del anillo (\(r_o\)-\(r_i\)) está determinado por el diámetro del diafragma del altavoz de control.

Configuración de un anillo oscilante en un bafle trasero cerrado finito para considerar la interacción entre el altavoz y la barrera.

Debido a la estructura del pistón vibratorio con el deflector interno, aparece un efecto similar a la interacción entre el parlante y la barrera, y por lo tanto se puede aproximar al caso donde los parlantes de control se colocan en el borde de una barrera circular. La ecuación del anillo oscilante en un deflector cerrado finito se puede derivar cambiando la condición límite del disco oscilante en un deflector cerrado17. En comparación con la fuente de control circular, el modelo se vuelve más complejo, pero se mantiene la propiedad axisimétrica.

Comsol comprueba el rendimiento de reducción de ruido del sistema híbrido de control de ruido propuesto a través de una simulación FEM. En la simulación, el material de la barrera se selecciona como aluminio y seis modelos de altavoces simples se colocan en el borde de la barrera. El modelo de altavoz simple utilizado en la simulación se muestra en la Fig. 4. Es una estructura de recinto cerrado y el interior está lleno de aire. El sonido se genera ajustando la velocidad del diafragma.

El modelo de altavoz utilizado en la simulación es una estructura de recinto cerrado y el sonido se genera mediante la oscilación del diafragma.

Los altavoces se colocan de modo que el centro del altavoz quede en el borde de la barrera. La configuración del modelo de simulación se ilustra en la Fig. 5.

Configuración del modelo de simulación. Se utiliza un modelo de altavoz simple para las fuentes de control. a es el radio de la barrera. V es el espacio de control objetivo.

La pérdida de inserción en el plano \(rz\) se muestra en la Fig. 6 para confirmar si el ruido se reduce en el espacio de control. La pérdida de inserción se define como Eq. (9). \(P_{n,0}\) es la presión cuando no se aplican los métodos de reducción de ruido, y \(P_e\) es la presión residual reducida al usar la barrera activa circular. \(k=\frac{2\pi }{\lambda }\) es el número de onda.

La sección transversal del modelo de simulación en el plano \(rz\) (arriba). Pérdida de inserción en el plano \(rz\): (a) \(ka=0.95\) y (b) \(ka=9.5\).

Se muestra que se reduce el ruido alrededor del espacio de control. El ruido en un espacio opuesto al espacio de control puede aumentar debido al campo de sonido de control para la reducción de ruido en el espacio de control objetivo. Si se requiere evitar el aumento del ruido en el espacio donde se encuentra la fuente de ruido, el uso de un altavoz de control unidireccional puede ser una solución.

La reducción de ruido definida en la ecuación. (5) se muestra en la Fig. 7. El modelo teórico 1 es el caso de usar una fuente circular como fuente de control, y el modelo teórico 2 propuesto usa el anillo oscilante en un deflector cerrado finito como fuente de control.

Reducción de ruido de barrera circular (azul), barrera de ruido activa circular usando el filtro de control obtenido a través de la fuente de control circular (rojo) y barrera de ruido activa circular usando el filtro de control basado en el modelo teórico propuesto (amarillo).

Se muestra que la barrera de ruido activa circular puede reducir el ruido en la banda de frecuencia ancha. Sin embargo, se muestra que existe una brecha de rendimiento entre los dos casos en los que se utilizan diferentes filtros de control basados ​​en modelos teóricos. El filtro de control basado en el anillo oscilante en un modelo de deflector cerrado cerrado logra una mejor reducción de ruido que el filtro de control obtenido usando una fuente de control circular debido a la interacción entre el altavoz y la barrera. Como resultado, se confirma la validez del anillo oscilante en un deflector cerrado finito como fuente de control en el modelo teórico de la barrera acústica activa circular.

La barrera estaba hecha de aluminio con un espesor de 6 mm y una densidad de 2,7\(g/cm^3\). El radio de la barrera es de 0,26 m. Los altavoces se colocan de modo que el centro del altavoz quede en el borde de la barrera. El experimento se realizó en una cámara anecoica de 3,6 m de ancho y largo, 2,4 m de alto y una frecuencia mínima permisible de 100 Hz. Como fuentes de ruido y control se utilizaron altavoces comerciales capaces de generar una banda de 200 a 20 kHz. En el caso de la banda de frecuencia de interés, se determina la banda desde 200 Hz, la frecuencia más baja que puede generar el altavoz, hasta 2000 Hz, donde la barrera de ruido puede lograr una reducción de ruido de 5 dB o más. Las mediciones se realizaron a intervalos de 10 cm en una sección del espacio de control objetivo. La frecuencia de muestreo es de 6000 Hz y se utilizó ruido blanco gaussiano como señal de ruido. La ANC de bucle abierto se lleva a cabo sin micrófonos de error utilizando el filtro de control calculado teóricamente. En el caso del filtro de control se utilizó el filtro de control en el dominio del tiempo obtenido por la transformada inversa de Fourier del filtro de control en el dominio de la frecuencia. El sistema experimental construido se muestra en la Fig. 8. La configuración experimental del globo es la misma que la del estudio anterior13.

Configuración del sistema experimental (arriba) y el sistema experimental construido en una cámara anecoica (abajo).

La reducción de ruido medida como se define en la ecuación. (5) se muestra en la Fig. 9. El modelo teórico 1 es el caso de usar una fuente circular como fuente de control, y el modelo teórico 2 propuesto usa el anillo oscilante en un deflector cerrado finito.

Rendimiento de reducción de ruido en la simulación (izquierda) y en el experimento (derecha): barrera de ruido (azul), control de ruido híbrido usando el filtro de control basado en el modelo 1 (rojo) y control de ruido híbrido usando el filtro de control basado en el modelo 2 (amarillo).

De manera similar a los resultados de la simulación, la barrera de ruido circular atenúa el ruido en aproximadamente 5 dB o más por encima de 2000 Hz, pero se muestra que la reducción de ruido es insignificante o que el ruido se amplifica por debajo de 1000 Hz. En el sistema de control de ruido híbrido, el rendimiento mejora aplicando ANC. Sin embargo, en el caso del modelo 1, se produce una diferencia en el campo sonoro de control debido a la interacción entre los altavoces y la barrera, lo que se traduce en un rendimiento deficiente. Por el contrario, en el caso del modelo 2, el sistema de control de ruido híbrido consigue una reducción de ruido de unos 10,6 dB en la banda de frecuencias de interés utilizando el filtro de control calculado teóricamente. El rendimiento de reducción de ruido como se define en la ecuación. (6) se muestra en la Tabla 1. Como resultado, se valida que el anillo oscilante en un deflector cerrado finito es más apropiado para la barrera acústica activa circular que una fuente circular.

De acuerdo con los resultados de la Fig. 9, se muestra que cuando se aplica el modelo 1 se logra el peor desempeño en comparación con los resultados anteriores13. La razón es que la posición de colocación del altavoz de control se mueve hacia el interior para un mejor rendimiento. En un sistema real, el ruido se dispersa debido a los altavoces de control dispuestos. Sin embargo, el volumen del altavoz de control no se tiene en cuenta al calcular teóricamente el campo sonoro del ruido, por lo que el rendimiento se degrada debido a la diferencia en el campo sonoro del ruido. Para reducir el efecto del volumen del altavoz de control, en este estudio, los altavoces se colocan de modo que el centro del altavoz quede en el borde de la barrera como se muestra en la Fig. 10. Dado que los altavoces de control se mueven hacia adentro la barrera, la interacción entre los hablantes y la barrera se vuelve más significativa. Por lo tanto, cuando se aplica el modelo 1 que incluye una fuente de control circular, se obtiene un peor rendimiento.

Configuración de la posición de los altavoces de control.

Para obtener el máximo rendimiento del sistema experimental construido, se utiliza la solución de filtro FIR Wiener18 obtenida por los datos medidos sobre el espacio de control objetivo. La reducción de ruido medida como se define en la ecuación. (5) se muestra en la Fig. 11. El rendimiento de reducción de ruido como se define en la ecuación. (6) es de 12,8 dB, constituyendo una diferencia en el rendimiento de unos 2,2 dB respecto al caso de aplicar el filtro de control teórico basado en modelo.

Reducción de ruido en el experimento: solo a través de la barrera (azul), barrera acústica activa circular basada en el modelo 2 (rojo), barrera acústica activa circular utilizando el filtro de control teórico calibrado basado en el experimento preliminar (amarillo) y barrera acústica activa circular utilizando la solución de filtro Wiener (púrpura).

La reducción de ruido al usar el filtro de control teórico es menor que en el caso de la solución de filtro de Wiener en un rango de 450-900 Hz. Se produce una diferencia notable en la ruta secundaria por debajo de 1000 Hz entre el modelo teórico y el sistema experimental, como se muestra en la Fig. 12.

El camino secundario a una distancia de 1 m de la barrera: en el experimento (azul), modelo 1 (rojo), modelo 2 (amarillo).

Para mejorar el rendimiento, el filtro teórico debe calibrarse para considerar la dinámica del sistema, que no está incluida en el modelo teórico. La reducción de ruido se muestra en la Fig. 11 cuando se aplica la calibración basada en el experimento preliminar en la cámara anecoica. Se muestra que el rendimiento se aproxima al del caso de la solución de filtro Wiener.

Se propone una barrera de ruido activa circular que considera la interacción entre un conjunto de altavoces y una barrera para mejorar el rendimiento de reducción de ruido. Para reducir la dispersión del ruido debido a los altavoces de control, la posición del altavoz de control se mueve dentro de la barrera. Esto hace que la influencia de la interacción entre los altavoces de control y una barrera se vuelva más significativa. Por lo tanto, el anillo oscilante en un deflector cerrado finito se introduce como fuente de control y la mejora del rendimiento de reducción de ruido se valida a través de una simulación y un experimento. Se confirma que se podría lograr una reducción de ruido similar al rendimiento máximo experimental utilizando el filtro de control teórico cuando el filtro de control se sintoniza en base a un experimento preliminar. Se deben realizar investigaciones adicionales, como el estudio de métodos para obtener la información requerida para ANC o los medios para actualizar el filtro de control.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) (No. NRF-2020R1A2C1012904).

Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), Ingeniería Mecánica, 291 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34141, República de Corea

Sanghyeon Lee y el parque Youngjin

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SHL realizó la simulación y el experimento. Todos los autores analizaron los resultados y revisaron el manuscrito.

Correspondencia al Parque Youngjin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lee, S., Park, Y. Barrera de ruido activa circular que utiliza un filtro de control teórico considerando la interacción entre el altavoz y la barrera. Informe científico 13, 2649 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27756-4

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Recibido: 05 Agosto 2022

Aceptado: 06 enero 2023

Publicado: 14 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27756-4

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