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May 24, 2023Barrera de ruido activa circular que utiliza un filtro de control teórico considerando la interacción entre el altavoz y la barrera.
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Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 2649 (2023) Citar este artículo
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Detalles de métricas
Se propuso una barrera acústica activa circular que utiliza un filtro de control calculado teóricamente sin adaptación en tiempo real para reducir el ruido en un espacio exterior específico. Se utiliza una barrera circular compacta para que el sistema móvil haga frente a los cambios en la ubicación del espacio de trabajo, y el ruido en una amplia banda de frecuencia se puede reducir realizando un control activo del ruido a través de altavoces de control dispuestos alrededor de una barrera. Sin embargo, hubo una brecha de rendimiento significativa en comparación con el rendimiento máximo logrado mediante el uso del filtro fijo experimental debido a un modelo teórico extremadamente simplificado que ignora la interacción entre los altavoces de control y la barrera. Por lo tanto, este estudio intentó minimizar la degradación del rendimiento al aplicar el filtro de control calculado teóricamente. Se introduce otro modelo teórico para mejorar el rendimiento de reducción de ruido considerando la interacción entre el altavoz de control y la barrera. Mediante experimentos, se confirma que el rendimiento de reducción de ruido mejora en aproximadamente 2,6 dB en la frecuencia de interés.
Los problemas de ruido en entornos industriales son cada vez más diversos y graves y, junto con normas sobre ruido cada vez más estrictas, la reducción del ruido se está convirtiendo en una cuestión más importante. El ruido en diversos espacios, como áreas de descanso o espacios de trabajo, puede provocar estrés, distracción y pérdida de audición1 y muchos trabajadores de las industrias están expuestos a ruidos fuertes durante largos períodos de tiempo. Se puede utilizar una barrera acústica para reducir el ruido, pero es ineficaz para reducir el ruido en una banda de baja frecuencia debido al ruido difractado. Para reforzar la reducción de ruido en una banda de baja frecuencia, se estudió la barrera activa de ruido2,3,4,5,6 que aplica control activo de ruido (ANC)7 a una barrera. Al colocar altavoces y micrófonos de error encima de la barrera, el ruido difractado en una banda de baja frecuencia se reduce mediante ANC. La disposición de micrófonos y altavoces8,9, el método de obtención del filtro de control10,11 y el uso de fuentes de control unidireccionales12 se han estudiado para mejorar el rendimiento de la barrera acústica activa. Sin embargo, la barrera acústica activa que utiliza una barrera semiinfinita es costosa y requiere un lugar grande para su instalación. Además, es difícil de mover, por lo que sólo es aplicable a un entorno fijo.
Para resolver este problema, se propuso la barrera acústica activa circular que utiliza un filtro de control calculado teóricamente13,14,15 para reducir el ruido en un espacio exterior específico en lugar de una reducción global del ruido. La barrera acústica activa circular consta de una barrera circular compacta y altavoces de control colocados alrededor de la barrera con el objetivo de reducir el ruido en un espacio objetivo individual, como un espacio de trabajo o un espacio de descanso. Requiere menos costo y espacio en comparación con la barrera semiinfinita y se puede mover y reinstalar. Se utiliza un filtro de control calculado teóricamente sin colocar micrófonos sobre el espacio objetivo porque los micrófonos dispuestos para aplicar ANC obstruyen a los trabajadores. El filtro de control calculado teóricamente se puede calibrar rápidamente, por lo que es fácil responder a los cambios en la posición de la fuente de ruido o el espacio de control objetivo.
Sin embargo, la brecha de rendimiento entre el rendimiento teóricamente obtenible y los resultados experimentales es significativa. En el estudio anterior13, se calcula un filtro de control basándose en un modelo teórico extremadamente simplificado destinado a proporcionar un método de control de ruido de aplicación sencilla. La degradación del rendimiento se produce debido a la diferencia entre el modelo teórico simplificado y el sistema experimental. Por lo tanto, este estudio intentó minimizar la degradación del rendimiento que ocurre cuando el filtro de control calculado teóricamente se aplica al sistema de control de ruido híbrido circular. La interacción entre el hablante de control y la barrera, que es una de las causas principales, no puede ser considerada por el modelo teórico simplificado anterior, por lo que se introduce otro modelo teórico.
Se describe brevemente la barrera acústica activa circular. La estructura se muestra en la Fig. 1. Se obtiene un filtro de control para ANC para minimizar la energía potencial acústica del espacio de control objetivo como se muestra en la ecuación. (1).
Configuración de la barrera acústica activa circular (arriba) e ilustración de una estructura axisimétrica en dos dimensiones (abajo). La fuente de control es una fuente de línea circular en el estudio anterior. a es el radio de la barrera. V es el espacio de control objetivo y S es la sección transversal de la estructura simétrica del eje.
Aquí, \(Pn \, [Pa]\) y \(Pc \, [Pa]\) son respectivamente la presión sobre el espacio de control objetivo por el ruido y la fuente de control. V es el espacio de control objetivo y S es la sección transversal de la estructura simétrica del eje. \(\rho \, [kg/m^3]\) y \(c \, [m/s]\) son la densidad del aire y la velocidad del sonido, respectivamente. El filtro de control obtenido \(K_w\) para minimizar la Ec. (1) se proporciona en la ecuación. (2).
Debido a la estructura axisimétrica, el dominio de cálculo integral para calcular el filtro de control se puede cambiar del espacio a la superficie.
La energía potencial acústica residual viene dada en la ecuación. (4).
La reducción de ruido se define como la reducción de la energía potencial acústica en el espacio de control objetivo como se muestra en la ecuación. (5).
\(C_0\) es la energía potencial acústica en el espacio de control objetivo antes de reducir el ruido \(\big {(} C_{0}=\int _V \frac{|P_n|^2}{2\rho c^2 }dv \grande {)}\).
El rendimiento de reducción de ruido en la banda de frecuencia de interés se define como se describe en la ecuación. (6).
\(C_{int,0}\) es la sumatoria de \(C_0\) en la banda de frecuencia de interés \(\big {(}C_{int,0}=\int _F\ C_0 df \big {) }\). \(C_{int,e}\) es la sumatoria de \(C_e\) en la banda de frecuencia de interés \((C_{int,e}=\int _F C_e df )\). F es la banda de frecuencia de interés.
Para obtener el filtro de control en la Ec. (3), se utiliza la presión calculada teóricamente. En el caso del ruido, se utiliza la ecuación establecida por Flammer16 asumiendo la barrera circular como un disco muy delgado bajo una condición acústicamente dura. La ecuación está escrita en la coordenada esferoidal achatada. Las relaciones entre la coordenada cartesiana (x, y, z) y la coordenada esferoidal achatada \((\xi,\eta,\phi)\) se dan en la ecuación. (7).
Aquí, a es el radio de una barrera circular. La presión del ruido ubicada en \((\eta _0,\xi _0,\phi _0)\) con una barrera circular acústicamente dura en el origen se muestra en la ecuación. (8). Se omite el término armónico \((e^{i \omega t})\).
Aquí, \(N_{mn}\) es la constante de normalización y \(\varepsilon _m\) es 1 para \(m=0\) y 2 para todos los demás valores. \(k=\frac{2\pi }{\lambda }\) es el número de onda. \(\xi _<\) es \(min(\xi ,\xi _0)\) y \(\xi _>\) es \(max(\xi ,\xi _0)\). \(S_{mn} (-ika,\eta )\) es la función de onda angular esferoidal achatada y \(R_{mn}^{(j)} (-ika,i\xi )\) es la radial esferoidal achatada función de onda del tipo \(j^{th}\).
En el caso de la fuente de control, en el estudio anterior se utiliza una fuente de control circular13. Sin embargo, una fuente de control circular que sea una fuente monopolo infinitamente distribuida en un círculo no puede considerar la interacción entre los altavoces de control y la barrera. La razón por la que los altavoces de control se colocan en el borde de la barrera es diferente a una fuente circular, como se ilustra en la Fig. 2.
Configuración del sonido generado por un altavoz en campo libre (izquierda) y un altavoz con barrera (derecha).
Como se muestra en la Fig. 2, un altavoz en campo libre puede considerarse un monopolo cuando es mucho más pequeño que la longitud de onda. Sin embargo, un altavoz colocado en el borde de la barrera genera un campo sonoro diferente en comparación con una fuente monopolo porque parte del sonido que se propaga hacia la parte posterior del altavoz está bloqueado por la barrera. Para solucionar esto, se introduce un anillo oscilante en un deflector cerrado finito que sirve como fuente de control para considerar la interacción entre el altavoz y la barrera. Está en un deflector finito con la parte posterior cerrada y el anillo vibra para generar sonido, como se muestra en la Fig. 3. El espesor del anillo (\(r_o\)-\(r_i\)) está determinado por el diámetro del diafragma del altavoz de control.
Configuración de un anillo oscilante en un bafle trasero cerrado finito para considerar la interacción entre el altavoz y la barrera.
Debido a la estructura del pistón vibratorio con el deflector interno, aparece un efecto similar a la interacción entre el altavoz y la barrera, por lo que se puede aproximar al caso donde los altavoces de control se colocan en el borde de una barrera circular. La ecuación del anillo oscilante en un deflector cerrado finito se puede derivar cambiando la condición de contorno del disco oscilante en un deflector cerrado17. En comparación con la fuente de control circular, el modelo se vuelve más complejo, pero se mantiene la propiedad axisimétrica.
Comsol comprueba el rendimiento de reducción de ruido del sistema híbrido de control de ruido propuesto mediante una simulación FEM. En la simulación, se selecciona aluminio como material de la barrera y se colocan seis modelos de altavoces simples en el borde de la barrera. El modelo de altavoz simple utilizado en la simulación se muestra en la Fig. 4. Es una estructura cerrada y el interior está lleno de aire. El sonido se genera ajustando la velocidad del diafragma.
El modelo de altavoz utilizado en la simulación es una estructura cerrada y el sonido se genera oscilando el diafragma.
Los altavoces se colocan de modo que el centro del altavoz quede en el borde de la barrera. La configuración del modelo de simulación se ilustra en la Fig. 5.
Configuración del modelo de simulación. Se utiliza un modelo de altavoz simple para las fuentes de control. a es el radio de la barrera. V es el espacio de control objetivo.
La pérdida de inserción en el plano \(rz\) se muestra en la Fig. 6 para confirmar si el ruido se reduce en el espacio de control. La pérdida de inserción se define como la ecuación. (9). \(P_{n,0}\) es la presión cuando no se aplican los métodos de reducción de ruido, y \(P_e\) es la presión residual reducida al utilizar la barrera activa circular. \(k=\frac{2\pi }{\lambda }\) es el número de onda.
La sección transversal del modelo de simulación en el plano \(rz\) (arriba). Pérdida de inserción en el plano \(rz\): (a) \(ka=0.95\) y (b) \(ka=9.5\).
Se muestra que se reduce el ruido alrededor del espacio de control. El ruido en un espacio opuesto al espacio de control puede aumentar debido al campo de sonido de control para la reducción del ruido en el espacio de control objetivo. Si se requiere evitar el aumento de ruido en el espacio donde se encuentra la fuente de ruido, utilizar un altavoz de control unidireccional puede ser una solución.
La reducción de ruido definida en la ecuación. (5) se muestra en la Fig. 7. El modelo teórico 1 es el caso de utilizar una fuente circular como fuente de control, y el modelo teórico propuesto 2 utiliza el anillo oscilante en un deflector cerrado finito como fuente de control.
Reducción de ruido de la barrera circular (azul), la barrera de ruido activa circular utilizando el filtro de control obtenido a través de la fuente de control circular (rojo) y la barrera de ruido activa circular utilizando el filtro de control basado en el modelo teórico propuesto (amarillo).
Se muestra que la barrera acústica activa circular puede reducir el ruido en la banda de frecuencia amplia. Sin embargo, se muestra que existe una brecha de rendimiento entre los dos casos en los que se utilizan diferentes filtros de control basados en modelos teóricos. El filtro de control basado en el anillo oscilante en un modelo de deflector cerrado finito logra una mejor reducción de ruido que el filtro de control obtenido usando una fuente de control circular debido a la interacción entre el altavoz y la barrera. Como resultado, se confirma la validez del anillo oscilante en un deflector cerrado finito como fuente de control en el modelo teórico de la barrera acústica activa circular.
La barrera estaba hecha de aluminio con un espesor de 6 mm y una densidad de 2,7\(g/cm^3\). El radio de la barrera es de 0,26 m. Los altavoces se colocan de modo que el centro del altavoz quede en el borde de la barrera. El experimento se realizó en una cámara anecoica con un ancho y largo de 3,6 m, una altura de 2,4 m y una frecuencia mínima permitida de 100 Hz. Como fuentes de ruido y control se utilizaron parlantes comerciales capaces de generar una banda de 200 a 20 kHz. En el caso de la banda de frecuencia de interés, se determina la banda desde 200 Hz, la frecuencia más baja que puede generar el altavoz, hasta 2000 Hz, donde la barrera acústica puede lograr una reducción de ruido de 5 dB o más. Las mediciones se realizaron a intervalos de 10 cm en una sección del espacio de control objetivo. La frecuencia de muestreo es de 6000 Hz y se utilizó ruido blanco gaussiano como señal de ruido. La ANC de bucle abierto se realiza sin micrófonos de error utilizando el filtro de control calculado teóricamente. En el caso del filtro de control se utilizó el filtro de control en el dominio del tiempo obtenido por transformada de Fourier inversa del filtro de control en el dominio de la frecuencia. El sistema experimental construido se muestra en la Fig. 8. La configuración experimental del globo es la misma que la del estudio anterior13.
Configuración del sistema experimental (arriba) y del sistema experimental construido en una cámara anecoica (abajo).
La reducción de ruido medida como se define en la ecuación. (5) se muestra en la Fig. 9. El modelo teórico 1 es el caso de utilizar una fuente circular como fuente de control, y el modelo teórico propuesto 2 utiliza el anillo oscilante en un deflector cerrado finito.
Rendimiento de reducción de ruido en la simulación (izquierda) y en el experimento (derecha): barrera de ruido (azul), control de ruido híbrido usando el filtro de control basado en el modelo 1 (rojo) y control de ruido híbrido usando el filtro de control basado en el modelo 2 (amarillo).
De manera similar a los resultados de la simulación, la barrera de ruido circular atenúa el ruido en aproximadamente 5 dB o más por encima de 2000 Hz, pero se muestra que la reducción de ruido es insignificante o el ruido se amplifica por debajo de 1000 Hz. En el sistema híbrido de control de ruido, el rendimiento mejora aplicando ANC. Sin embargo, en el caso del modelo 1, se produce una diferencia en el campo sonoro de control debido a la interacción entre los altavoces y la barrera, lo que da como resultado un rendimiento deficiente. De lo contrario, en el caso del modelo 2, el sistema híbrido de control de ruido logra una reducción de ruido de aproximadamente 10,6 dB en la banda de frecuencia de interés utilizando el filtro de control calculado teóricamente. El rendimiento de reducción de ruido definido en la Ec. (6) se muestra en la Tabla 1. Como resultado, se valida que el anillo oscilante en un deflector cerrado finito es más apropiado para la barrera acústica activa circular que una fuente circular.
Según los resultados de la Fig. 9, se muestra que cuando se aplica el modelo 1, se logra el peor rendimiento en comparación con los resultados anteriores13. La razón es que la posición de ubicación del altavoz de control se mueve hacia adentro para un mejor rendimiento. En un sistema real, el ruido se dispersa gracias a los altavoces de control dispuestos. Sin embargo, el volumen del altavoz de control no se tiene en cuenta al calcular teóricamente el campo sonoro del ruido, por lo que el rendimiento se degrada debido a la diferencia en el campo sonoro del ruido. Para reducir el efecto del volumen del altavoz de control, en este estudio, los altavoces se colocan de manera que el centro del altavoz quede en el borde de la barrera como se muestra en la Fig. 10. Dado que los altavoces de control se mueven hacia adentro La barrera, la interacción entre los hablantes y la barrera se vuelve más significativa. Por lo tanto, cuando se aplica el modelo 1 que incluye una fuente de control circular, se logra un peor rendimiento.
Configuración de la posición de los altavoces de control.
Para obtener el máximo rendimiento del sistema experimental construido, se utiliza la solución de filtro FIR Wiener18 obtenida a partir de los datos medidos en el espacio de control objetivo. La reducción de ruido medida como se define en la ecuación. (5) se muestra en la Fig. 11. El rendimiento de reducción de ruido definido en la Ec. (6) es de 12,8 dB, lo que constituye una diferencia en el rendimiento de aproximadamente 2,2 dB en comparación con el caso de aplicar el filtro de control basado en modelos teóricos.
Reducción de ruido en el experimento: solo a través de la barrera (azul), barrera de ruido activa circular basada en el modelo 2 (rojo), barrera de ruido activa circular usando el filtro de control teórico calibrado basado en el experimento preliminar (amarillo) y barrera de ruido activa circular usando la solución de filtro Wiener (púrpura).
La reducción de ruido mediante el uso del filtro de control teórico es menor que en el caso de la solución de filtro Wiener en un rango de 450-900 Hz. Se produce una diferencia notable en la ruta secundaria por debajo de 1000 Hz entre el modelo teórico y el sistema experimental, como se muestra en la Fig. 12.
El camino secundario a una distancia de 1 m de la barrera: en el experimento (azul), modelo 1 (rojo), modelo 2 (amarillo).
Para mejorar el rendimiento, el filtro teórico debe calibrarse para considerar la dinámica del sistema, que no está incluida en el modelo teórico. La reducción de ruido se muestra en la Fig. 11 cuando se aplica la calibración basada en el experimento preliminar en la cámara anecoica. Se muestra que el rendimiento se aproxima al del caso de la solución de filtrado Wiener.
Se propone una barrera de ruido activa circular que considera la interacción entre un conjunto de altavoces y una barrera para mejorar el rendimiento de reducción de ruido. Para reducir la dispersión del ruido debido a los altavoces de control, la posición del altavoz de control se mueve dentro de la barrera. Esto hace que la influencia de la interacción entre los hablantes de control y una barrera se vuelva más significativa. Por lo tanto, se introduce el anillo oscilante en un deflector cerrado finito para la fuente de control y se valida la mejora del rendimiento de reducción de ruido mediante una simulación y un experimento. Se confirma que se podría lograr una reducción de ruido similar al rendimiento máximo experimental utilizando el filtro de control teórico cuando el filtro de control se sintoniza en base a un experimento preliminar. Se deben realizar más investigaciones, como estudiar métodos para obtener la información requerida para el ANC o los medios para actualizar el filtro de control.
Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.
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Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) (No. NRF-2020R1A2C1012904).
Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), Ingeniería Mecánica, 291 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34141, República de Corea
Sanghyeon Lee y el parque Youngjin
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SHL realizó la simulación y el experimento. Todos los autores analizaron los resultados y revisaron el manuscrito.
Correspondencia al parque Youngjin.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
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Lee, S., Park, Y. Barrera de ruido activa circular que utiliza un filtro de control teórico considerando la interacción entre el altavoz y la barrera. Informe científico 13, 2649 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27756-4
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Recibido: 05 de agosto de 2022
Aceptado: 06 de enero de 2023
Publicado: 14 de febrero de 2023
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27756-4
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