پایان نامه ارائه روش جديد جهت حذف نويز آكوستيكي در يك مجراء استفاده هم زمان از فيلترهاي وفقي و شبكه هاي عصبي در حالت فركانس متغير
مقدمه
نويزهاي آكوستيكي[1] موجود در محيط نه تنها تاثير مستقيمي بر روي شنوايي افراد مي گذارند، بلكه باعث كاهش راندمان و كارائي آنها، بيماري هاي جسمي از قبيل فشار خون، كاهش آسايش و راحتي افراد و فرسودگي در دستگاه ها مي شوند. اگر چه مشكل سر و صدا نسبت به مساله آلودگي محيط با مواد آلوده كننده، توجه كمتري را به خود جلب مي كند، اما امروزه آگاهي جامعه نسبت به انعكاس غير بهداشتي اصوات بلند، بيش از هميشه وجود دارد. بنابراين تلاش هاي زيادي براي كاهش نويزهاي آكوستيكي موجود در محيط شده است. بدين منظور روش هاي فعال[2] و غيرفعال[3]به كار مي رود. بزرگترين مزيت موجود در روش فعال اين است كه برخلاف روش غيرفعال مي توان نويز را در يك فضاي كوچك و بخصوص در فركانس هاي پايين (زير 500 هرتز)، كاهش داد [1، 6، 16].
ايده اوليه كنترل فعال نويز توسط pual Lveg در سال 1936 براي حذف نويز در مجراها[4] معرفي و تشريح گرديد [2]. اين سيستم، صداي ناخواسته را بوسيله توليد يك موج صوتي مشابه (هم دامنه)، ولي با فاز مخالف از بين مي برد. تداخل امواج نويزهاي ناخواسته و موج ساخته شده، باعث حذف هر دو صدا ميشود. اگر سيستم فعال، فاز و دامنه ي موج اوليه را به درستي تشخيص دهد، موفقيت در حذف نويز حاصل مي شود.
علي رغم تحقيقات انجام شده در دهه ي 1950 بر روي سيستم هاي كنترل فعال نويز، به دليل فقدان تكنولوژي لازم، اين سيستم ها بصورت عملي پيشرفت قابل ملاحظه اي نكردند. اما در سال هاي بعد، با بكارگيري تكنيك هاي ديجيتالي به جاي سيستم هاي پيچيده آنالوگ و بكارگيري علم پردازش سيگنال هاي ديجيتال، پيشرفت قابل ملاحظه اي حاصل شد. بگونه اي كه امكان دستيابي به سيستم هاي ANC در كاربردهاي گوناگون فراهم آمد [3]. هم اكنون با پيدايش پردازنده هاي سريع سيگنال هاي ديجيتال ، امكان پياده سازي سيستم هاي كنترل فعال نويز با استفاده از الگوريتم هاي مختلف محقق گرديده است.
سيستم هاي كنترل فعال نويز در دهه ي 1980 بر پايه ي نظريه ي فيلترهاي وفقي بنا و توسعه داده شده است [4]. با توجه به توانايي ها و ارزان قيمت بودن سخت افزارهاي DSP مثل خانواده ي TMS320، تكنولوژي استفاده از اين سخت افزارها همراه با تئوري ANC عملي شده است [7].
1-2)علل نياز به كنترل نويزهاي صوتي (فعال و غيرفعال)
1-2-1) بيماري هاي جسمي [17]
يكي از مشكلات اساسي در مورد وجود صدا با شدت بالا، اثرات نابهنجار شنوايي است كه كودكان بيشتر در معرض اين بيماري ها قرار مي گيرند. بايد به اين توجه كرد كه سطح فشار آكوستيكي db 130 به عنوان آستانه دردناكي ناميده مي شود. بعنوان نمونه چندين نوع صدا به همراه مقدار شدت صدا در زير آمورده شده است.
- صداي جريان آب در رودخانه و صداي خش خش برگ درختان: db15
- صداي ناشي از يك صحبت معمولي: db 60-45
- صداي يك صورت تراش الكتريكي: db85
- صداي ناشي از پرتاب موشك در فاصله ي 150 فوتي از سكوي پرتاب: db 180
1-2-2) بيماري هاي رواني [17]
اصوات ناخواسته، يكي از مهمترين عوامل در به هم زدن تعادل رواني افراد مي باشند. در تحقيقاتي كه جديداً بر روي كودكان انجام گرفته است، نشان مي دهد كه يادگيري كودكان در محيط هاي شلوغ به شدت كاهش مي يابد.
1-2-3) راندمان و كارايي افراد
كاهش هوشياري و خستگي ناشي از سر و صدا در هنگام كار، از مهمترين عوامل كاهش كارايي افراد است.
1-2-4) فرسودگي
در اثر لرزش در سطوح و بدنه وسايل، طول عمر وسايل كاهش خواهد يافت. بعنوان مثال، فرسودگي هليكوپتر به خاطر ارتعاش ناشي از چرخش ملخ هيلكوپتر، بعنوان يكي از مهمترين پارامترهاي فرسودگي در نظر گرفته مي شود.
1-2-5) آسايش و راحتي
يكي از عوامل حياتي در بيمارستان ها و محيط هاي درماني، حفظ آرامش مي باشد كه با حذف نويزهاي صوتي، اين آرامش به حد قابل قبولي بدست خواهد آمد.
1-2-6) جنبه هاي اقتصادي
نويز صوتي موجود در محيط كار، باعث كاهش كارايي و راندمان افراد مي شود كه ضررهاي اقتصادي به همراه خواهد داشت. همچنين فرسودگي ناشي از ارتعاش در دستگاه ها و وسايل حمل و نقل، موجب ضررهاي اقتصادي است. با حذف اين پارامترها مي توان طول عمر دستگاه را افزايش داد.
1-3)نقاط ضعف كنترل نويز به روش غيرفعال
كنترل كننده هاي غيرفعال چندين ضعف دارند كه همين امر باعث شده است كه كنترل كننده هاي فعال، جايگاه ويژه اي پيدا كنند. ضعف هاي كنترل كننده هاي غيرفعال عبارتند از:
1-3-1) كارايي كم در فركانس هاي پايين [16]
با كاهش فركانس، طول موج افزايش مي يابد. به همين دليل طول موج در فركانس هاي پايين، زياد است. به دليل اينكه مقدار تضعيف صوت، توسط عايق هاي صوتي، متناسب با ضخامت عايق است و اين ضخامت نيز متناسب با طول موج است، (هر چه طول موج افزايش يابد، ضخامت عايق نيز بايد افزايش يابد) نتيجه گرفته مي شود كه در فركانس هاي پايين، به عايقي با ضخامت خيلي زياد نياز است كه عملاً امكان پذير نيست.
1-3-2) حجم زياد عايق هاي صوتي [1]
عايق هاي صوتي از موادي ساخته شده اند كه داراي حجم زياد هستند، به همين خاطر در جاهايي كه محدوديت حجم وجود دارد، امكان استفاده از اين عايق ها نيست.
1-3-3) گران بودن عايق هاي صوتي [1]
به علت نوع مواد مصرفي اين عايق ها، قيمت آن ها گران است.
1-3-4) محدوديت هاي اجرايي
در بعضي از مكان ها امكان استفاده از كنترل كننده هاي غيرفعال نيست. مثلاً در كوره ها نمي توان از عايق هاي صوتي استفاده كرد.
1-3-5) محدوديت هاي مكانيكي
به علت يكپارچه بودن اين عايق ها، در جاهايي كه نياز به حركت هوا مي باشد. محدوديت هايي ايجاد مي شود. مثلاً در يك كارخانه امكان پوشاندن وسايل با عايق هاي صوتي نيست. چون وسايل خيلي زود گرم خواهند شد و در نتيجه آسيب خواهند ديد.
1-4) نقاط قوت كنترل نويز به روش فعال [12]
1-4-1) قابليت حذف نويز در يك گستره ي فركانسي وسيع
اين سيستم قادر به حذف نويز در محدوده ي فركانسي وسيعي مي باشد. همانطوري كه گفته شد روش هاي غيرفعال در فركانس هاي پايين كارايي مناسبي ندارند. اما كنترل نويز به روش فعال در فركانس هاي پايين بسيار موثر واقع شده است.
1-4-2) قابليت خود تنظيمي سيستم
اگر تغييراتي در پارامترهاي فيزيكي از قبيل درجه ي حرارت و سرعت جريان هوا ايجاد شود، سيستم براي رسيدن به وضعيت بهينه (حداقل خطا) قادر به تنظيم خود مي باشد.
پس از بيان نقاط ضعف روش غيرفعال و نقاط قوت روش فعال، در بخش بعدي به معرفي گوشي فعال كه يكي از كاربردهاي سيستم ANC در صنعت است، مي پردازيم.
1-5) كاربرد ANC در گوشي فعال
امروزه از سيستم هاي ANC در جاهاي زيادي از قبيل درون كارخانجات، معادن، اتاقها و ساختمان ها، كارخانه هاي تصفيه آب، كوره ها و ديگ هاي بخار، فن و توربوفن[5]، ژنراتور ديزلي، ترانسفورماتور، كمپرسور، كابين هواپيما، كابين هلي كوپتر، اتومبيل، كوپه قطار، موتور هواپيما، قايق، اگزوز اتومبيل، پمپ تخليه، پمپ دمنده[6]، سيستم خنك كننده[7]، اگزوز توربين گازي[8]، مجرا[9]، سيستم تهويه[10]، گوشي، كلاه فعال، استوديوي صدا برداري، پمپ هيدروليكي، موشك ، آمبولانس و كامپيوترها استفاده شده است. كاهش فعال صدا درون هدفون ها شايد بهترين استفاده ي كنترل فعال صدا باشد. فعاليت كنترل فعال صدا از سال 1936 بوسيله ي تجربيات pual Lueg براي حذف نويز در مجراها آغاز گرديد و بعدها در سال 1953 دو نفر به نام هاي Olson و May نحوه ي حذف نويز را با استفاده از هدفون، توجيه كردند [18]. در دهه ي 1950 سه نفر به مام هاي Hawley , Simshauser , و Meeker طريقه ي استفاده از تقويت كننده هاي آنالوگ براي كاهش فعال نويز درون هدفون ها را با استفاده از بلندگو درون ساختار خود هدفون، مطالعه كردند [19،20، 21]. به هر حال، در حدود سال 1980 اين تكنولوژي بصورت سازمان يافته اي مورد مطالعه قرار گرفت.
گوشي فعال در واقع يك كاهنده ي فعال است كه از تكنيك هاي كنترل فعال، در كاهش نويز استفاده مي كند. گوشي فعال معمولاً در محل هاي پر سروصدايي مورد استفاده قرار مي گيرند كه بايستي از سيستم شنوايي محافظت شود. اينگونه هدفون ها معمولاً از هر دو تضعيف كننده هاي فعال و غيرفعال استفاده ميكنند. تضعيف غيرفعال، به كمك پوشش هدفون كه روي گوش قرار داده مي شود، انجام مي گيرد و باعث كاهش يا از بين رفتن صداي ورودي مي شود. اين روش در فركانس هاي بالا بسيار موثر است. در تضعيف فعال، بلندگو را براي توليد صداي حذف كننده، درون هدفون جاسازي مي كنند. در نتيجه عمل حذف بصورت فعال انجام مي گيرد. اين كار در فركانس هاي پايين موثر است. هدفون هايي كه موجب حذف نويز در محدوده ي فركانسي وسيع مي شوند، از هر دو روش فعال و غيرفعال براي ماكزيمم كاهش نويز استفاده مي كنند.
خلبانان درون كابين هواپيما، از هدفون براي حفاظت در برابر صدا استفاده مي كنند. البته با اين روش خلبان از اوضاع اطرافش بهتر باخبر مي شود و نيز كاركنان فرودگاه ها هنگاميكه در مجاورت هواپيما هستند، از اين هدفون ها استفاده مي كنند. همچنين در ارتش به هنگام استفاده از وسايل نقليه ي سنگين با موتورهاي بزرگ و پر سر و صدا، از هدفون جهت حفاظت از گوش استفاد مي شود. امروزه مسافران هواپيما نيز از هدفون خاصي استفاده مي كنند. درون اين هدفون ها معمولاً از سيستم هاي صوتي و يا تصويري استفاده شده است تا مسافر در حين سفر هم سرگرم شود و هم از گوش هايش محافظت بهتري شود.
1-5-1) تضعيف صدا به روش غيرفعال در هدفون
اگر هدفون داراي پوشش مناسبي براي گوش باشد، باعث تضعيف و يا از بين رفتن نويز مي شود. پوشش مورد نظر بايستي صاف و انعطاف پذير باشد تا كاملاً روي سطح گوش قرار گيرد. اگر در معرض حجم زيادي از صوت قرار داشته باشيم، اين حجم زياد از صوت، باعث لرزش بدنه ي پوشش هدفون شده و در نتيجه صوت را به درون مجراي هدفون انتقال مي دهد كه در نهايت بوسيله ي شنونده درك مي شود. اين مسئله در شكل 1-1 نشان داده شده است. پوشش هاي سنگين تر با صفحات سفت و محكم به سختي مي لرزند و در نتيجه عمل تضعيف صوت را به روش غيرفعال بهتر انجام مي دهند.
شكل (1-2) نمايش دهنده ي نمودار تضعيف غيرفعال برحسب فركانس در گوشي هاي معمولي است و نشان مي دهد كه در زير فركانس قطع، در حدود db15 تضعيف داريم. ولي در بالاي فركانس قطع، تضعيف فعال استفاده كنيم، فرآيند تضعيف صوت بهبود خواهد يافت.
1-5-2) تضعيف صدا به روش آنالوگ در هدفون
در دهه ي 1950 سه نفر به نام هاي Hawley,Meeker و Simshavser بر روي گوشي هاي حذف نويز مطالعاتي انجام دادند كه در اين مطالعات از ساختاري همانند شكل (1-3) استفاده كردند [19،20،21]. اين سيستم كنترلي، همانند هر سيستم پسخوردار ديگري در فركانس هاي بالا، توليد بهره ي كنترلي پاييني مي كند. اما در فركانس هاي پايين باعث شده كه بلندگو صداي با دامنه ي برابر ولي با اختلاف فاز 180 درجه نسبت به نويز توليد كند.
شكل (1-4) نشان دهنده ي دياگرام بلوكي اين سيستم است. در اين ساختار p پاسخ ورودي بلندگو تا خروجي، C معرف كنترل كننده ي آنالوگ، d نويز خارجي كه توسط ميكروفن اندازه گيري مي شود و e معرف سيگنال خطا است. با توجه به اينكه معرف پاسخ سيستم مدار بسته است كه با s نمايش مي دهند، سيگنال خطا برابر است با:
اندازه ي s نشان دهنده ي تضعيف صوت است كه در شكل (1-5) نمايش داده شده است. در فركانسهاي پايين كه بهره كنترل كننده (CP) معمولاً بالاست، S كوچك است و تضعيف بزرگي حاصل ميشود. در فركانس هاي بالا كه گين كنترل كننده (CP) پايين است، پاسخ سيستم مدار بسته نزديكل واحد خواهد شد و كنترل كننده اثري ندارد. در فركانس هاي حدود 1 كيلو هرتز، تقويت كننده باعث تقويت نويز مي شود. اني تقويت براي بسياري از سيستم هاي عملي در گوشي غيرقابل اجتناب است كه اين امر در انتگرال Bode پيشنهاد شده است [7].
(1-2)
اين انتگرال از لگاريتم اندازه ي S روي ناحيه ي فركانسي گرفته مي شود و بيان مي كند كه در يك رنج فركانسي كامل مجموع تقويت و تضعيف برابر صفر است. اين عمل را به اصطلاح اثر بستر آب[11]،نامند.
همانطوريكه در شكل (1-5) نشان داده شده بيانگر اين است كه اگر در يك رنج فركانسي تضعيف داشته باشيم، در يك رنج فركانسي ديگر تقويت خواهيم داشت [7].
همانطوري كه نشان داده شده تضعيف صوت به روش آنالوگ مي تواند در هدفون هاي فعال مورد استفاده قرار گيرد. اما نحوه ي تضعيف صوت، بصورت ثابت وبدون توجه به اندازه ي نويز ورودي انجام مي شود. اين محدوديت ها براي كنترل كننده هاي آنالوگ به بهترين مزيت ها براي كنترل كننده هاي ديجيتال، بدل شده است. زيرا كنترل كننده هاي ديجيتال وفقي مي توانند تغييرات در فضا را دنبال كنند و در نهايت قادر ند كه كاربرد اصلي را به بيشترين حد ممكن از كارايي برسانند.
1-5-3) تضعيف صوت به روش ديجيتال در هدفون
كاربرد سيستم هاي وفقي در كنترل فعال نويز در دهه ي 1980 بوسيله ي Erikson , Rovre و Allie مطرح شد [22، 23]. شكل (1-6) معرف اين ساختار است.
كنترل فعال نويز به روش ديجيتال نياز به شناسايي و فيلتر كردن سريع نويز اوليه- به منظور هدايت به موقع آن به سمت بلندگو و حذف نويز اوليه- دارد. تاخير شديد و طولاني در مسير كنترل ديجيتال به اين معني است كه سيگنال حذف كننده براي حذف نويز بسيار دير مي رسد. تاخير در كنترل كننده هاي ديجيتال معمولاً شامل تأخير نمونه برداري بوسيله ي پردازنده هاي DSP، مبدل A/D مبدل D/A و تأخير فاز در فيلترهاي پايين گذر است. اگر مجموع تاخير الكتريكي بر تأخير آكوستيكي (كه از ميكروفن ورودي تا بلندگوي حذف كننده است) تجاوز كند، فيلتر وفقي بصورت غيرعلي در خواهد آمد. در نتيجه تضعيف سيگنال باند پهن[12]دچار مشكل مي شود و فقط نويزهاي باند باريك[13]مي توانند به خوبي تضعيف شوند [1،12]. بعلت كوچك بودن سايز هدفون ها، تاخير آكوستيكي معمولاً كم خواهد بود و تنها اگر يك DSP بسيار قوي مورد استفاده قرار گيرد، تأخير الكتريكي بر تأخير آكوستيكي فائق مي آيد [7]. در نتيجه هنگام استفاده از DSP ها، كار ما به حذف نويزهاي باند باريك بسيار كاربردي هستند، حتي اگر با زمان تغيير كنند و در اين حالت مي توانند بهتر از سيستم هاي آنالوگ كار كنند [7]. ولي كنترل كننده هاي آنالوگ مي توانند كارائي بهتري در تضعيف نويزهاي باند پهن با تأخير الكتريكي كم ارائه دهند. پس كداميك بهتر است؟
1-5-4) تضعيف صوت بوسيله ي تركيب سيستم هاي آنالوگ و ديجتال در هدفون
بهترين راه حل اين است كه هر دو سيستم را با هم تركيب كنيم و از فايده هاي آنها استفاده ببريم. بوسيله ي سيستم آنالوگ نويزهاي باند پهن و بوسيله ي سيستم ديجيتال نويزهاي باند باريك را تضعيف كنيم.
فوايد عمومي تركيب كنترل فعال نويز بصورت پيشخور[14]و پسخور[15]بوسيله ي Rafaely,Tseng و Eliott در سال 1998 توضيح داده شده است [24]. تركيب پسخور آنالوگ و پيشخور ديجيتال در هدفون بوسيله اي Carme, Winbegetal در سال 1999 آزمايش شد [25و26].
همانطوريكه در شكل (1-7) نشان داده شده، خروجي هاي كنترل كننده ي پسخور آنالوگ با كنترل كننده ي پيشخور ديجيتال در ورودي بلندگو تركيب مي شوند.
در اين سيستم جديد كه از كنترل كننده هاي آنالوگ و ديجيتال استفاده مي برد، كنترل كننده ي آنالوگ و كنترل كننده ي ديجيتال به ترتيب p و Pd را كنترل مي كنند كه Pd شامل زنجيره ي كنترلي آنالوگ است
[2] – Active
[3] – Pasive
[4] -Ducts
[5] -Fan & Turbo – Fan
[6]– Blowers
[7] – Cooling Tower
[8] -Gas Turbine Exhaust
[9] – Duct
[10] – Air Conditioning
[11] water – bed
[12] broad band
[13] – narrow band
[14] -Feed forward
[15] -Feedback
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.