بهينه سازي فرايند كنترل صدا و ارتعاش كم فركانس به روش اكتيو و پسيو در كانال انتقال هوا

نويسنده: فرهاد فروهر مجد
استاد راهنما: پروين نصيري
استاد مشاور: محمد رضا منظم، محمدرضا يزدچي، جف لونتهال
تاريخ دفاع: 1391/11/28
مدرك: دكتري تخصصي مهندسي بهداشت حرفه اي
دانشگاه: علوم پزشكي وخدمات بهداشتي درماني تهران، بهداشت، مهندسي بهداشت حرفه اي دانشكده بهداشت
چكيده: استفاده از فيلترهاي تطبيقي ايده جديدي نيست. ايجاد سيگنالي مشابه سيگنال منبع براي حذف سيگنال اوليه با كمك فيلتر تطبيقي و توليد آنتي نويز به سال‌هاي 1970 بر مي‌گردد. اكنون با پيشرفت ريز پردازنده هاي ديجيتال و با استفاده از ميكرو كامپيوترها مي‌توان محاسبات پيچيده‌تري را انجام داد. اولين طرح حذف صدا با استفاده از صداي مخالف (آنتي نويز) با دامنه برابر و در فاز مخالف توسط پائول لوگ (paul leug) در سال 1936 ارائه شد. ولي تا سال 1980 استفاده علمي و كاربردي از اين روش مورد نظر نبود. پس از آن استفاده از سيستم كنترل اكتيو صدا (Active noise control) ابتدا به صورت آزمايشگاهي و سپس به صورت كاربردي و در پروژه هاي مختلف جهت كنترل صداي فن، كمپرسور، موتورها و همچنين كاهش صدا در گوشي‌هاي حفاظتي اجرا و مورد استقبال قرار گرفت. در روش كنترل اكتيو صدا، صداي اوليه يا منبع با استفاده از سيستم پردازش سيگنال‌هاي صوتي تجزيه و تحليل شده و صدايي با همان دامنه ولي در فاز مخالف توليد و توسط بلندگو در مسير انتشار صوت اوليه قرار مي‌گيرد. اين كار سبب حذف هر دو صدا مي‌شود.
اين مطالعه كه از نوع تجربي است در پنج فاز مطالعاتي، محاسباتي، آزمايشگاهي، ميداني و مداخله‌اي انجام گرفته است. در فاز مطالعاتي مطالبي پيرامون سيستم‌هاي تهويه، كانال و چگونگي انتشار و انتقال صدا در كانال، انتشار صدا و ارتعاشات فن در درون كانال و انتقال به بيرون كانال، توان صوتي فن و كانال، همچنين چگونگي جذب و كاهش صداي داخل كانال به روش اكتيو و پسيو جمع آوري گرديد. در فاز محاسباتي توان صوتي توليد شده فن در داخل كانال 85 دسي بل و خارج از كانال 68 دسي بل در آزمايشگاه و در كانال صنعتي در داخل كانال 112 دسي بل و خارج از كانال 95 دسي بل تعيين گرديد. همچنين تراز فشار صدا با مقادير 74 دسي بل در فاز آزمايشگاهي و 81 دسي بل در فاز ميداني پيش بيني گرديد تا با مقادير اندازه گيري شده مورد مقايسه قرار گيرد. فازهاي آزمايشگاهي، ميداني و مداخله‌اي با سه محور كنترل اكتيو، پسيو و ارتعاشات مورد نظر قرار گرفتند. در فاز آزمايشگاهي ابتدا بلندگويي به عنوان منبع در نظر گرفته شده است كه صدايي با تراز فشار صداي 70 دسي بل در فركانس 500 هرتز توليد و سپس با استفاده از تكنيك كنترل اكتيو صدا (Active noise cancellation) و با استفاده از بلوك‌هاي مولد سيگنال برنامه مطلب صداي آنتي نويز با همان دامنه ولي با اختلاف فاز 180 درجه‌اي توليد و در طول كانالي به ابعاد 20×20×150 از جنس پلاكسي گلاس منتشر گرديد. ميزان كاهش صدا در فركانس مورد نظر حدود 6 دسي بل بود. در مراحل بعدي با اصلاح الگوريتم كاهش صدا در فركانس 500 هرتز به 25 دسي بل رسيد. در مرحله آخر از فاز آزمايشگاهي با شبيه سازي و تهيه الگوريتم‌هاي LMS و همچنين قرار دادن فن به عنوان منبع اصلي مراحل تكميلي كاهش صدا به روش اكتيو به شكل آفلاين مورد پيگيري قرار گرفت. در اين مرحله با استفاده از فيلترهاي تطبيقي ميزان كاهش صدا در محدوده فركانسي 2000-0 هرتز تعيين گرديد. بيشترين كاهش در فركانس 300 هرتز يعني فركانس اصلي فن به مقدار 20 دسي بل ديده مي‌شود. در فاز ميداني از كانال گالوانيزه با ضخامت 0.6 ميلي‌متر با دهانه‌اي به ابعاد 20 در 40 سانتيمتري و طول 14 متر استفاده گرديد. اين كانال با يك زانويي 90 درجه و كانال 1.5 متري به فن متصل شده بود. فن استفاده شده داراي فركانس اصلي 288 هرتز بوده است كه پس از فيلتر شدن و با توجه به اصلاح الگوريتم‌هاي بدست آمده از فاز آزمايشگاهي ميزان كاهش 30 دسي بل در اين فركانس بدست آمد. در قسمت پسيو طراحي رزوناتور هلم هولتز با هدف كاهش توأم صدا به همراه روش اكتيو در فركانس اصلي طيف صداي فن مورد نظر قرار گرفت. محفظه رزوناتورها از جنس پي وي سي با ارتفاع 35 سانتيمتر در سه قطر حجم متفاوت ساخته شد. از صفحات ام دي اف 13 ميلي متري كه در مركز آن‌ها ورودي يا دهانه رزوناتور در 3 اندازه مختلف تعبيه شده بود براي بستن حجم محفظه اصلي استفاده شد. يك پيستون متشكل از فوم 20 ميلي متري و صفحه نگه‌دارنده از جنس پي وي سي و با همان ضخامت براي تعيين حجم رزوناتور استفاده گرديد. بنابراين از ميان 9 رزوناتور با قطر محفظه هاي 7، 9 و 15 سانتيمتر و قطرهاي گردن متفاوت 1.2، 1.8 و 2.5 سانتيمتر طراحي شده، 6 رزوناتور بزرگ‌تر به دليل راندمان پايين حذف و تنها سه رزوناتور با قطر محفظه 7 سانتيمتر و قطر گردن‌هاي فوق‌الذكر انتخاب و از نظر كارايي مورد بررسي دقيق‌تر قرار گرفتند. در نهايت رزوناتور با قطر حجم 7 سانتيمتر و قطر گردن 1.2سانتيمتر با افت انتقال 16 دسي بل انتخاب گرديد. ميزان كاهش صداي رزوناتور به تنهايي 15 دسي بل برآورد گرديده است. در فاز مداخله‌اي هنگام راه اندازي سيستم اكتيو و با استفاده از رزوناتور هلم هولتز ميزان كاهش صدا 10 دسي بل بوده است. ميزان كاهش صداي كلي در فركانس 300 هرتز حدود 20 دسي بل مي‌باشد. در فاز مداخله‌اي تأثير ارتعاشات در ميزان صداي داخل و خارج كانال با اندازه گيري ارتعاشات فن و بدنه كانال مورد بررسي قرار گرفت. كميت‌هاي اندازه گيري شده مقدار 0.6 متر بر مجذور ثانيه شتاب ارتعاشي، 0.3 متر بر ثانيه سرعت ارتعاشات و 0.06 متر جابجايي ارتعاشات بدنه را نشان داده است.مقايسه نتايج پيش بيني شده ترازهاي توان و فشار صدا با مقادير اندازه گيري شده به ترتيب اختلاف 2 و 4 دسي بلي در فاز آزمايشگاهي و اختلاف 2.5و 2 دسي بل در فاز ميداني را نشان داده است. استفاده از الگوريتم RLS ميزان كاهش بيشتر تا 10 دسي بل در فركانس‌هاي 300 تا 1100 هرتز از طيف فركانسي فن را فراهم مي‌كند. استفاده همزمان سيستم اكتيو و رزوناتور هلم هولتز در فاز آزمايشگاهي تا 20 دسي بل در كاهش صداي فن مؤثر بوده است. در اين حالت تراز فشار صداي خارج كانال 54 دسي بل بوده است. با استفاده از ايزولاتور ميزان صداي خارج كانال با 4 دسي بل كاهش به 50 دسي بل رسيده است.استفاده از رزوناتور با مشخصاتي غير از آنچه در اين پروژه آورده شده است براي بهينه نمودن ميزان كاهش صداي كانال در داخل يا جلوگيري از انتشار آن به خارج كانال و همچنين تغيير الگوريتم‌هاي فيلترهاي تطبيقي براي كاهش بيشتر صداي منتشره در كانال در تحقيقات جداگانه پيشنهاد مي‌گردد. همچنين تخمين ميزان جابجايي استاتيك فن و حتي بدنه كانال براي كنترل ارتعاشات و به نوعي صداي ناشي از ارتعاشات در كاهش صداي كلي فن و كانال حائز اهميت مي‌باشد.
كلمات كليدي: كنترل اكتيو، فركانس صوتي، پردازش سيگنال صوتي، كانال آكوستيكي، رزوناتور هلم هولتز، فيلتر تطبيقي