Aktív zajcsökkentés

Bevezetés

Az alacsony frekvenciasávba eső akusztikus zajok vagy rezgések passzív csökkentése számos akadályba ütközik, főként az alkalmazandó elnyelő, csillapító anyagok nagy mérete, térfogata miatt. A digitális jelfeldolgozó processzorok megjelenésével és elterjedésével lehetővé vált a régóta ismert aktív zajcsökkentési elv megvalósítása. Az aktív zajcsökkentés alapja, hogy olyan "másodlagos" zajt vagy rezgést kell létrehozni, amely a kívánt helyen az eredeti "elsődleges" zajjal interferálva, kioltja azt. A másodlagos zajt leggyakrabban hangsugárzókkal hozzák létre, a kioltás helyén pedig mikrofonokat helyeznek el, ezek jelei alapján szabályozható a másodlagos zaj.

1. ábra: az aktív zajcsökkentés alapgondolata

A problémának akusztikai, jelfeldolgozási, ill. szabályozástechnikai vonatkozásai is vannak. Egyes esetekben, ha a másodlagos forrás az elsődlegeshez közel telepíthető (pl. szellőzőberendezés), egyetlen hangszóró-mikrofon pár elegendő. Egyéb esetekben, ha a zajforrás nem koncentrált, ill. egy nagyobb térrészben van szükség zajcsökkentésre (pl. repülőgép utastere), több mikrofont és hangsugárzót használnak.

Az aktív zajcsökkentés témája viszonylag rövid múltra tekint vissza tanszékünkön. A méréstechnika, jelfeldolgozás, identifikáció területén szerzett ismereteink alapján azonban ezen a területen is tudunk új eredményeket elérni. A zajelnyomást általában a rendszer működtetése nélküli és a működtetése során mért spektrumok összevetésével értékelik. Egy tipikus spektrumkép látható az alábbi ábrán.

2. ábra: az aktív zajcsökkentés hatása a zaj spektrumára

Szakmai háttér

Az aktív zajcsökkentő rendszerek létrehozása sokoldalú felkészültséget igényel a méréstechnika, az analóg és digitális jelfeldolgozás, valamint az akusztika és a mechanika területéről. A tervezés igényli a megvalósítás helyszínén történő méréseket. Ezek a mérési eredmények alapjai a rendszeridentifikációnak és szimulációknak. Az algoritmusok fejlesztése és tesztelése központi szerepet játszik, és intenzív kapcsolatban kell legyen a rendszerfejlesztés többi fázisával. A legfontosabb feladat megvalósítani ismert eljárásokat, vagy új algoritmusokat kifejleszteni az adott feladatra. Bár a mérések elengedhetetlenek, az a priori tudás (irodalom, saját tapasztalatok) alapján megkezdhető a rendszer felépítése. A munka elméleti megfontolásokat, szimulációkat és laboratóriumi kísérleteket jelent. Egyes speciális esetekben (pl. magas hőmérsékletű helyek) speciális eszközökre van szükség. Az érzékelők és beavatkozók megválasztása, tervezése a rendszer kialakításának fontos része. Az utolsó fázisban ipari körülmények között kell kísérleteket végezni, és ezek eredményét az előző fázisokba visszacsatolni. Ez a kísérleti fázis egyben választ ad arra, melyek az aktív zajcsökkentés lehetőségei az adott feladatban.

Kutatás

A legelterjedtebb zajcsökkentő rendszerek adaptív szűrőket alkalmaznak, többnyire LMS-alapú adaptációval. A legkorábbi rendszerek ún. visszacsatolt (feedback) rendszerek voltak. Legsikeresebb alkalmazásaik olyan egy mikrofont és egy hangszórót tartalmazó - egycsatornás - rendszerek voltak, ahol a mikrofon és a hangszóró közel volt egymáshoz (pl. aktív fülvédő). A következő lépés az előrecsatolt (feedforward) rendszerek alkalmazása volt. Ezek egy újabb, ún. referenciajel-bemenetet igényelnek. A referenciajel egy, az elnyomandó zajjal jól korrelált jel. Az előrecsatolt rendszereket különböző zajcsökkentési feladatokra alkalmazták sikeresen. A fenti eljárások alapja az ún. filtered-X LMS (XLMS) algoritmus, azaz az eljárás igényli a másodlagos források és a hibamikrofonok közötti ún. másodlagos út modelljének megalkotását. Ennek a modellnek a pontossága meghatározza a rendszer működőképességét. Pontatlan modell esetén a hatékonyság csökken, súlyosabb esetben instabilitás lép fel. Az adaptív eljárások mind szélessávú, mind pedig harmonikus zajok elnyomására alkalmasak.

Periodikus zajok elnyomása

Amennyiben periodikus zajt kell elnyomni, előrecsatolt rendszer alkalmazása adekvát, mivel a referenciajel könnyen hozzáférhető. A jelfeldolgozási feladat egyszerű, azaz maga a szabályzó is egyszerű lehet, ugyanakkor az adaptív előrecsatolt rendszerek struktúrája független az elnyomandó zajtól. Első kutatási témánk olyan rendszer kidolgozása volt, amely kifejezetten periodikus zavarhatások elnyomására alkalmas, és jobb eredményeket, nagyobb hatékonyságot lehet vele elérni, mint a hagyományos megoldásokkal.

Az ilyen aktív zajcsökkentő rendszerek elméleti kiindulópontja az adaptív Fourier-analízis. Az adaptív Fourier-analizátor (AFA) strukturálisan adaptív rendszer, amellyel tetszőleges alapharmonikusú sávkorlátozott periodikus jelek mérhetők. Az AFA a rezonátoralapú megfigyelők kiterjesztése. A rezonátoralapú megfigyelőket korábban rekurzív Fourier-transzformáció (RDFT) végrehajtására fejlesztették ki. Ezekben a megfigyelőkben a rezonátorok egy közös visszacsatoló hurokban működnek, állandósult állapotban zérus maradó hibával, ha az analizálandó jel harmonikusainak frekvenciái megegyeznek a rezonátorfrekvenciákkal. Az AFA úgy hangolja a rezonátorfrekvenciákat, hogy ez az egybeesés nagy pontossággal megtörténjen. Az általunk kifejlesztett zajelnyomó rendszer az AFA egy kiterjesztése. A rendszer blokkvázlata az alábbi ábrán látható.

3. ábra: periodikus zajcsökkentés rezonátoros struktúrával

A rendszer bővebb bemutatása az Active'97 konferencián megjelent cikkben olvasható.

Szélessávú zajcsökkentés

A periodikus zajok elnyomására szolgáló rendszer fejlesztése közben szerzett tapasztalatok birtokában a szélessávú zajcsökkentés területén is értünk el új eredményeket. Munkánk középpontjában az LMS-alapú rendszerek konvergenciatulajdonságainak javítása állt.

Az LMS-alapú adaptív szűrőket sikeresen alkalmazzák mind identifikációs, mind pedig szabályozási céllal aktív zajcsökkentő rendszerekben. Szabályozás esetén a szűrő kimenete (DA-átalakítás és erősítés után) a hangszórókra kerül, az algoritmus hibajele pedig a hibamikrofonokból származik, azaz a másodlagos út végéről. A stabil működést ebben az esetben a már említett XLMS algoritmus garantálja. Többcsatornás rendszerek az ún. multiple error LMS (MLMS) algoritmust alkalmazzák. Ezen rendszerek konvergenciasebessége azonban igen kicsi is lehet, függően a másodlagos út dinamikájától. Új algoritmusunk az adaptáció sebességét növeli jelentősen, az XLMS algoritmus kiegészítésével. A megoldás lényege, hogy egy újabb szűrőt kell alkalmazni, amellyel mind a referenciajelet, mint pedig a hibajelet meg kell szűrni. A szűrő amplitúdómenetét úgy kell megtervezni, hogy a másodlagos út átvitelével együtt az eredő amplitúdómenet az egységnyi körül ingadozzon. Szimulációk és kísérletek azt mutatják, hogy az eljárás a konvergenciasebességet szignifikánsan növeli. Az eljárást kifejlesztettük többcsatornás rendszerre is. A blokkvázlat az alábbi ábrán látható.

4. ábra: szélessávú zajcsökkentés az XLMS algoritmus kiegészítésével

A rendszer bővebb bemutatása az Active'99 konferencián megjelent cikkben olvasható.

Másodlagos út on-line identifikációja

A másodlagos út átviteli függvénye gyakran annyira megváltozik működés közben, hogy a rendszerbe beépült modell már nem biztosítja a stabilitást. Ekkor a rendszer labilis lesz, le kell állítani, és az identifikációt újra elvégezni. Bizonyos alkalmazásokban a másodlagos út ilyen mértékű megváltozása "üzemszerű", így az aktív zajcsökkentést a másodlagos út előzetes (off-line) identifikációjával nem lehet megoldani. Ilyen alkalmazások a kültéri zajcsökkentések, ahol a levegő hőmérsékletének, páratartalmának változása okozza az átviteli függvény jelentős megváltozását; vagy helyiségekben a terjedési viszonyok megváltozása pl. ajtónyitás miatt.

A téma kutatását csak nemrégiben kezdtük meg, megismerve az irodalomban közölt, adaptív szűrős rendszerekre javasolt módszereket. A periodikus zavarhatások elnyomására alkalmas rezonátoros struktúrát is sikerült úgy kiegészíteni, hogy a másodlagos út átviteli függvényének megváltozása esetén is működőképes marad.

Szenzorhálózat alkalmazása

Napjainkban a szenzorhálózatokat egyre elterjedtebben alkalmazzák pl. adatgyűjtési céllal. A mikrofonok jeleinek előzetes feldolgozása, illetve továbbítása triviálisan történhet a jelfeldolgozó hálózat elemeinek (ún. mote-oknak) a segítségével. A megoldás nagy előnye, hogy jóval egyszerűbb a mikrofonok installálása, illetve a rendszer felépítésének, geometriájának megváltoztatása. Első rendszerünk blokkvázlata az alábbi ábrán látható.

5. ábra: aktív zajcsökkentés szenzorhálózattal

A mote-ok egyikén nincs mikrofon, az közvetlen (vezetékes) kapcsolatban van egy DSP-kártyával, amely a számításokat végzi. A hangszórók vezetékek segítségével kapcsolódnak a rendszerhez.

Alkalmazások

Az aktív zajcsökkentés számos elvi feladatot vet fel, és kutatási eredményeinket az ilyen rendszerek fejlesztésével foglalkozó mérnökök is felhasználhatják. Nagy hangsúlyt helyezünk azonban a gyakorlati megvalósításra is. Ezen alkalmazások fejlesztésénél dől el véglegesen, hogy egy algoritmus valóban életképes-e.

Ipari telefonok aktív zajcsökkentése

Gyakran elkerülhetetlen, hogy egy üzemcsarnokban lévő telefont zajos környezetben használjanak. A gépek, berendezések zaját a telefon szintén továbbítja, zavarva ezzel a kommunikációt. Az aktív zajcsökkentés ezen a területen is alkalmazható, még akkor is, ha a hasznos jel és a zaj spektruma átfedi egymást. A megoldást röviden mutatja az alábbi ábra.

6. ábra: ipari telefon zajcsökkentése

Aktív zajcsökkentés repülőgépeken

A légcsavaros repülőgépek keltette periodikus zaj igen zavaró az utastérben. A zajcsökkentési problémát a Fokker cég vetette fel, a kísérleteket az Alkalmazott Fizikai Kutatóintézetben (TPD-TNO), Delftben, Hollandiában végeztük. Sajnos a végső gyakorlati alkalmazásra a cég átalakulása miatt nem került sor. A zajelnyomásra kifejlesztett rendszer a fent említett AFA alapú rezonátoros rendszer volt. A főbb jellemzők az alábbiak voltak:

Kazánzaj aktív csökkentése

Ezen OTKA által támogatott kutatás célja a kazánházakban jelen lévő és a kazánok által kibocsátott zaj csökkentése volt. Az égés során létrejövő zaj több szinten fejtheti ki káros hatását: extrém esetekben tönkre is teheti a berendezést, de még normál üzemi körülmények között is káros a személyzetre nézve. A kazánházat elhagyó zaj jelentős környezeti terhelés. A hagyományos zajcsökkentő eszközök nem alkalmazhatók ilyen körülmények között: egyfelől a zaj alacsony frekvencián (500 Hz alatt) koncentrálódik, másfelől a hangszigetelő elemek kazánok közelében nem helyezhetők el. Az aktív zajcsökkentés egy ígéretes megoldás erre a problémára is.

Transzformátorzaj csökkentése

Nagy teljesítményű (nagyságrendileg 1 megawatt) transzformátorok zaja már jelentős környezeti terhelésnek minősül, különösen az éjszakai órákban. A zajkibocsátást a transzformátor mechanikai tervezésével nem lehet tetszőlegesen csökkenteni, így fordult a figyelem az aktív zajcsökkentés felé. A feladat szép példája a kültéri zajcsökkentésnek, ahol a feladat az, hogy egy zajforrás a tér egy adott irányába ne sugározzon ki zajt. A feladatra, minthogy a zaj periodikus, a rezontáros struktúrát ajánlottuk.

Egyéb alkalmazások

Egy zavarhatás elnyomásának aktív módszere nem csak vibroakusztikai problémák estén alkalmazható. Más fizikai természetű az elnyomni kívánt hatás, de szinte azonos problémák vetődnek fel, ha mágneses árnyékolást kívánunk létrehozni. Kedvező kísérleteket folytattunk aktív mágneses árnyékolás fejlesztésére. Kicsit bonyolultabb a kapcsolat, de főbb problémáit tekintve hasonló a feladat akkor is, ha az átlagosnál nagyobb feszültségű vagy áramú szinuszos generátort szeretnénk építeni. A szokásos elektronikus alkatrészek ilyen körülmények között nagy torzítással hozzák létre a kívánt jelet, és egy ígéretes lehetőség a torzítást a felharmonikusok aktív elnyomása útján csökkenteni.

Ajánlott publiációk:

S. M. Kuo, D. R. Morgan, "Active noise control: a tutorial review", Proceedings of the IEEE, vol. 87, No. 6, June, 1999, pp. 943-973.	A témában megjelent átfogó folyóiratcikk. Tárgyalja a legfontosabb algoritmusokat, bemutat alkalmazási példákat. A további tájékozódást több mint 150 irodalmi hivatkozás segíti.
L. Sujbert, G. Péceli, "Noise cancelation using resonator based controller", presented on the Active '97 - The International EAA Symposium on Active Control of Sound and Vibration, Aug. 21-23, 1997, Budapest, Hungary, in proceedings pages 905-916.	Az általunk kifejlesztett, periodikus zajok elnyomására alkalmas rezonátoros rendszer bemutatása.
L. Sujbert, "A new filtered LMS algorithm for active noise control", presented on the Active '99 - The International EAA Symposium on Active Control of Sound and Vibration, Dec. 2-4, 1999, Fort Lauderdale, Florida, USA, in proceedings pages 1101-1110.	A sztochasztikus zajok elnyomására alkalmas, filtered-X LMS algoritmus alapú zajelnyomó rendszer továbbfejlesztése.
L. Sujbert, B. Vargha, "Active distortion cancelation of sinusoidal sources", presented on the IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, May. 18-20, 2004, Como, Italy, in proceedings pages 322-326.	Aktív zajcsökkentési eredményeink alkalmazása egy másik területen.

További, a témával kapcsolatos publikációk ezen a lapon találhatók.

Hasznos linkek:

ISVR Demonstrációk	A jelfeldolgozás akusztikai alkalmazásai, a fizikai alapok bemutatásával. Az "isvr" (University of Southampton, Institute of Sound and Vibration Research) a téma egyik vezető kutatóhelye.
Aktív zajcsökkentés az ISVR-en	Az aktív zajcsökkentést ismertető honlap. A honlap bőséges információt közöl a téma alapelveitől érdekes, valódi alkalmazásokig.

 További információ: Sujbert László