Математические модели и методы анализа и синтеза средств активного управления акустическими полями, страница 4

9).15Рис. 9. Модель управления одномерной адаптивной системы индивидуальной защитыМодель включает в себя помимо передаточных функций и моделей элементов системытакже источники полезного (random) и шумового (chirp) сигналов.Полученные в гл. 3 модели структурно-функционального построения систем активногогашения для одномерного и пространственного случаев дают возможность провестимоделирование работы систем в различных режимах (устойчивость, сходимость,эффективность), оценить влияние на параметры системы ее отдельных элементов, в том числеиспользуемых алгоритмов адаптации, а также разработать на их основе управляющиеструктуры для реальных систем активного управления акустическими полями.Четвертая глава посвящена исследованию эффективности алгоритмов управлениясистем активного управления акустическими полями, моделированию работы предложенныхуправляющих структур при различных входных воздействиях и оценке полученных на этапемоделирования результатов.Кратко рассмотрены основные алгоритмы управления, используемые при созданииблоков управления адаптивных систем активного гашения.

Математическим аппаратом,используемым при создании блока управления, являются модифицированные адаптивныеалгоритмы Уидроу-Хоффа.Для блока управления системы индивидуальной защиты предложено применениемодификации алгоритма наименьших средних квадратов, использующей опорный входнойсигнал (desired input). Такой подход позволяет реализовать адаптивную системуиндивидуальной защиты, работающую с любым источником полезного сигнала ииспользующую лишь один опорный сигнал – сигнал ошибки.Для пространственных систем могут быть использованы модификации FX-LMSалгоритма: с забыванием (leaky FX-LMS) и filtered-error-LMS-алгоритм, обеспечивающиемаксимальную устойчивость и малую чувствительность к ошибкам моделированияпередаточных функций.Для предложенных моделей проведено моделирование устойчивости и сходимости приразличных входных сигналах, порядках и структурах фильтров.

Основные результаты16моделирования приведены на рис. 10.Рис. 10. Результаты исследования устойчивости и сходимости предложенных управляющихструктур для нормализованного НСК-алгоритмаСходимость и устойчивость системы, определяется помимо типа используемогоадаптивного алгоритма, также размером шага адаптации, фазовым сдвигом, вносимымэлементами системы, скоростью изменения входного сигнала и ошибкой моделированияпередаточной функции.Проведен сравнительный анализ использования арифметики с плавающей ификсированной точкой и показано ее влияние на параметры системы. Показано что прииспользовании арифметики с фиксированной точкой без дополнительной оптимизации кода изза эффектов конечной разрядности возможна потеря устойчивости адаптивных алгоритмов.Полученные в гл. 4 результаты дают возможность использовать полученные на этапемоделирования выводы для создания реальных аппаратных и программных подсистем САГ,работающих в режиме реального времени.Пятая глава посвящена разработке структурно-функционального построенияаппаратно-программных средств, реализующих предложенные управляющие структуры.Показано, что реализация адаптивных систем возможна на базе быстродействующихсредств цифровой сигнальной обработки, осуществляющих непрерывную адаптацию системы кизменяющимся условиям среды в реальном масштабе времени.

В зависимости от областиприменения реализация структуры блока управления может быть различной, начиная отпростейших трансверсальных фильтров и заканчивая мультипроцессорными системами сраспараллеливанием вычислительных потоков.Показаны пути перехода от моделей управляющих структур к реальным цифровымфильтрам, реализованным на базе процессоров сигнальной обработки Motorola и TexasInstruments с использованием стандартных библиотек пакета MATLAB, а также процессоровAnalog Devices с использованием библиотечных модулей на языке С.Разработаны требования к элементам регистрирующего и компенсирующего блоков ипроанализированы варианты их конструктивной реализации.

На основе проведенного анализа сучетом разработанных требований предложены различные варианты построения блоков взависимости от предполагаемых областей применения.17Проведен синтез цифрового блока управления адаптивной системой. Рассмотреныособенности реализации библиотечных модулей обработки на базе цифровых сигнальныхпроцессоров и ПЛИС и предложены варианты их использования с учетом быстродействия истоимости. Рассмотрены вопросы применения новых типов электроакустическихпреобразователей в системах активного гашения. Показано, что применение, например,магнитострикционных преобразователей позволяет строить на их базе высокоэффективныесистемы снижения шума в волноводах.Рассмотренывопросыразработкипрограммногообеспечениясистемыиндивидуальной защиты.

Проанализированы прикладные пакеты разработки программногообеспечения для систем защиты, а также системы отладки и симуляторы, позволяющиепротестировать ПО на стадии разработки. На основе проведенного анализа для обеспеченияуниверсальности разрабатываемого ПО предложено использовать интегрированнуюграфическую среду разработки Visual DSP, включающую в себя Си-компилятор, отладчик,симулятор и модуль поддержки различных аппаратных средств.

Такой выбор обусловленвысоким качеством Си-компилятора, что позволяет обойтись без дополнительной оптимизациикода, а также универсальностью пакета, т.е. возможностью работы с процессорами семействADSP-218x, SHARC, Tiger SHARC и Blackfin.На рис. 11 приведена схема организации и взаимодействия аппаратных ипрограммных средств, реализующих предложенные управляющие структуры.Рис.

11. Взаимодействие аппаратных и программных средств блока управления САГВ заключении главы приведены результаты разработки структурно-функциональногопостроения аппаратно-программных средств микропроцессорных адаптивных систем активнойколлективной и индивидуальной акустической защиты, показаны пути модификации систем взависимости от предполагаемой области применения.Шестая глава посвящена результатам экспериментальных исследований и оценкеполученных результатов работы различных модификаций системы на натурных объектах ифизических моделях.Разработано структурно-функциональное построение экспериментальных установокдля исследования разработанных макетных образцов систем активного управленияакустическими полями. Разработана методика экспериментальной оценки качества гашения.Экспериментальные исследования системы коллективной защиты проводились сиспользованием адаптивного блока управления на базе отладочного модуля цифровой18сигнальной обработки ADSP-BF533 в безэховой камере и в жилом помещении объемом 130куб.

м. Для данного помещения частота первой аксиальной моды составляет 22 Гц.Исследовалась пространственная структура остаточного акустического поля в режимеактивного гашения на синусоидальном сигнале частотой 330 Гц. Для проведения измеренийбыл использован многоканальный измерительный комплекс Bruel&Kjaer Pulse. Результатыизмерений приведены на рис. 12.Рис. 12. Результаты экспериментальных исследований системы активного гашения на частоте330 Гц в безэховой камере (слева) и жилом помещении (справа)По результатам эксперимента можно констатировать, что система обеспечиваетснижение уровня шума в среднем на 10 дБ для частоты 330 Гц, но если в случае безэховойкамеры достигается высокая однородность и детерминированность областей с низкимзвуковым давлением, то для реального помещения размер и расположение областей с низкимзвуковым давлением носит сложный характер. Результаты эксперимента подтверждают вывод отом, что при решении задачи активного гашения в реальных помещениях выше частоты первойаксиальной моды возможно лишь локальное гашения шума в заданных точках.

Размерзащищаемых областей определяется длиной волны возмущающего сигнала.При экспериментальных исследованиях системы индивидуальной защиты в качествеакустической модели слухового тракта использована физическая модель «искусственное ухо».Для реализации цифрового адаптивного блока управления экспериментальнойустановки использованы стандартные отладочные средства цифровой обработки EZ-Kit SharcADSP-21061. Проведена оценка эффективности гашения при воздействий синусоидальногосигнала плавающей частоты с уровнем 80 дБ в диапазоне от 20 Гц до 2 кГц, а такжеоднотонального сигнала с частотой 400 Гц (рис. 13). В диапазоне до 500 Гц разработаннаясистема обеспечивает уровень подавления внешнего шума в среднем на 20 дБ.

Выше частоты700 Гц ослабление шума составляет в среднем 15 дБ. Неравномерность характеристикиобъясняется влиянием волновой обратной связи между датчиками и излучателем, а такжевлиянием фазовых характеристик элементов системы.19Рис. 13. Эффективность гашения внешнего шума экспериментальной установкой при воздействииузкополосного сигнала 400 ГцТакже проводились экспериментальные исследования системы активного гашенияшума медицинского оборудования с моделью передаточной функции.

Компенсирующийисточник располагался непосредственно на корпусе прибора. Пространственная структураакустического поля при гашении частотной компоненты 100 Гц приведена на рис. 14.Рис. 14. Результаты экспериментальных исследований системы активного гашения шумамедицинского оборудования на частоте 100 ГцПолученные в гл.