Математические модели и методы анализа и синтеза средств активного управления акустическими полями, страница 2

академика А.Н. Крылова" (г. С.-Петербург),ГНЦ РФ "Акустический институт им. академика Н.Н.Андреева" и ряде других.Научные положения, выводы, рекомендации, полученные в диссертации,практические результаты работы и методики экспериментальных исследований САГ нанатурных объектах использованы во Всероссийском электротехническом институте (ВЭИ) прирешении задачи снижения шума в обитаемых отделениях новых образцов техникиспециального назначения.Предложенные в работе методики моделирования объектов управления,математические модели и алгоритмы управления использованы в учебном процессе факультета«Информатика и системы управления» МГТУ им. Н.Э.

Баумана.Апробация работы:6Результаты работы были представлены на XI международном конгрессе ‘Sound andVibration” (Россия, Санкт-Петербург, 5-8 июля 2004), международном семинаре «Современныеконструкции активного шумопоглощения на железнодорожном транспорте» (Россия, г.Щербинка, 20-21 марта 2007).Публикации:Основные результаты диссертации опубликованы в 21докладывались на международных конгрессах, конференциях и семинарах.печатнойработе,Структура и объем работы:Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и спискалитературы. Общий объем диссертации 250 страниц, включая 112 рисунков, список литературыи приложения. Библиография содержит 110 наименований, из них 84 из иностранныхисточников.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении кратко проанализировано современное состояние и тенденцииразвития систем активного управления акустическими полями. Рассмотрены результатынаиболее важных работ по активным системам.

Обоснована актуальность темы диссертации,показаны цели настоящей работы. Оценены научная и практическая значимость работы.Отмечена необходимость в разработке новых средств акустической защиты, обладающихбольшей эффективностью и более широкими функциональными возможностями.В первой главе кратко проанализированы используемые в настоящее время методыи средства защиты от акустических шумов. Проведен анализ уровня и спектра шумовсовременной техники, оценена степень восприимчивости к подобным шумам и ихфизиологическое патогенное воздействие на человека.

На основе проведенного анализаразработана метамодель реакции человека на интенсивные низкочастотные воздействия.По уровню акустических шумов на первом месте, безусловно, стоит движительнаятехника различного назначения и промышленные установки. Наиболее неблагоприятнаяшумовая обстановка складывается в обитаемых отделениях образцов техники, имеющихгусеничное шасси, в кабинах летного состава авиационной и космической техники, впомещениях прилегающих к скоростным трассам.

Отмечено, что, несмотря на принимаемыемеры по снижению уровня шума, шумоизоляции салонов и применение защитных барьеров, всилу физических ограничений, подавление низкочастотных составляющих крайненеэффективно.Исследована психофизиологическая характеристика человека как объекта защиты.Применимость тех или иных средств защиты от шума определяется не только внешнимифакторами, но и физиологическими особенностями восприятия человеком акустическихсигналов, внутриличностными психофизиологическими особенностями. При уровнях звуковогодавления свыше 90 дБ субъективное восприятие громкости не зависит от частоты иинтенсивные низкочастотные колебания за счет эффектов нелинейности слуха воспринимаютсятак же хорошо, как и среднечастотные вплоть до инфразвукового диапазона.Инфранизкочастотные акустические колебания высокой интенсивности, даже не слышимые7сознательно как звук, тем не менее, воспринимаются подсознательно.

Сигналы с частотами 316 Гц не дают отчетливого звукового ощущения, но уверенно обнаруживаются и вызываютсамые различные психофизиологические реакции, причем интенсивность этих реакцийзначительно выше, чем на средних и высоких частотах при равном звуковом давлении.Проведена оценка симптоматики реакции на интенсивные низкочастотные воздействия сучетом длительности воздействий, энергетических и спектральных характеристик акустическихполей.Показано, что характерной особенностью слуха является значительное изменениепорогов слышимости при наличии интенсивных низкочастотных маскирующих сигналов.Таким образом, на фоне интенсивных низкочастотных сигналов полезные сигналы с меньшейамплитудой не воспринимаются вплоть до отстоящих выше по частоте на несколько октав.Показана малая эффективность пассивных средств на низких частотах, чтообуславливает необходимость применения активных средств. Показано место системиндивидуальной и коллективной защиты среди широкого спектра систем активного управленияакустическими полями.

Кратко рассмотрены требования, предъявляемые к активным системамколлективной и индивидуальной защиты, а также достижимая в обоих случаях эффективностьгашения. Показаны подходы к реализации и высокая эффективность одномерных системактивного управления акустическим полями. Кратко проанализированы образцы серийновыпускаемых систем активного гашения, ориентированные на различные области применения.Предложены обобщенные критерии реализации систем активного управления акустическимиполями по нескольким критериям (рис. 1).Рис.

1. Обобщенные критерии реализации систем активного гашения шумаПоказано, что на сегодняшний день большинство существующих вариантовструктурной реализации адаптивных систем реализуются без модели объекта управления (рис.2).8Рис. 2. Типовая структура блока управления адаптивных САГЭто заставляет для адекватного описания объекта управления в случаепространственных систем использовать адаптивные фильтры высоких порядков, чтообуславливает низкую скорость адаптации и сложность реализации подобных систем.Используемые алгоритмы управления адаптивных систем индивидуальной защитытакже обладают существенным недостатком – невозможностью работы с источникомполезного сигнала. Показано, что решение этих задач позволит на новом теоретическом ипрактическом уровне подойти к решению проблемы защиты от акустических шумов.Разработанная в главе обобщенная классификация активных средств управления акустическимиполями является основой для разработки управляющих структур и конкретных подсистеммикропроцессорных адаптивных систем активной индивидуальной и коллективнойакустической защиты.Вторая глава посвящена исследованию математических моделей построения системактивного управления акустическими полями.

Рассмотрены различные модели построенияадаптивных систем активного гашения. Отмечены базовые ограничения теоретическогорешения – необходимость дискретизации поверхностей и знание функции Грина для средыраспространения. Отмечено, что функция Грина описывает реальные объекты управления лишькачественно, т. к. на акустическое поле действует множество различных факторов, оценитькоторые в каждом конкретном случае очень трудно или вообще невозможно.

Поэтомуполученные на этапе моделирования результаты могут использоваться только как начальныезначения перестраиваемого адаптивного фильтра блока управления.Функция Грина может быть аппроксимирована с помощью адаптивного фильтра впроцессе идентификации системы. Модификации адаптивных алгоритмов с использованиеммодели объекта управления (рис 3), например, алгоритм наименьших средних квадратов сформированием опорного сигнала (FX-LMS алгоритм), используют включенную в параллель кобъекту управления модель его передаточной функции (модель вторичного канала).9Рис.

3. Структура блока управления адаптивной САГ с моделью передаточной функции объектауправленияВ данном случае блок управления включает в себя модель передаточной функции,реализованную в виде цифрового фильтра, и адаптивный фильтр, учитывающий измененияпередаточной функции и входного сигнала. При таком подходе адаптивный фильтр можетбыть реализован на базе цифровых фильтров значительно меньшей размерности, чтопозволяет повысить скорость сходимости и требования к аппаратной реализации системы.Передаточная функция в частотной области в произвольном помещении всуществующих решениях определяется экспериментально в процессе идентификацииобъекта управления при случайном входном воздействии методом оффлайн моделирования.В оффлайн режиме необходимо экспериментальное определение реакции объектауправления y(n) на случайное входное воздействие x(n) при заданном расположении парыисточник/приемник.