Aktiivinen melunvaimennus ilmastointiputkessa

Vesa Välimäki1, Marko Antila2, Seppo Rantala3 ja Jukka Linjama4

1 TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio, PL 3000, 02015 TKK (Espoo)

2 VTT Valmistustekniikka, Turvallisuustekniikka, PL 1701, 33101 Tampere

3 VTT Automaatio, Koneautomaatio, PL 13021, 33101 Tampere

4 VTT Valmistustekniikka, Laiva- ja konetekniikka, PL 1705, 02044 VTT (Espoo)

Johdanto

Aktiivinen melunvaimennus tarkoittaa häiritsevän äänen vaimentamista "vastamelun" avulla. Periaate on tunnettu yli 60 vuoden ajan, mutta vasta 1980-luvulta alkaen signaaliprosessorit ja kehittyneet digitaaliset signaalinkäsittelyalgoritmit ovat mahdollistaneet käytännön vaimennusjärjestelmien kehittämisen [1]. Nykyisin aktiivista melunvaimennusta käytetään esimerkiksi ilmastointijärjestelmissä, lentokoneiden matkustamoissa ja kuulosuojaimissa [2].

Ilmastointijärjestelmissä aktiivisen melunvaimennuksen edut perinteisiin passiivisiin vaimentimiin verrattuna ovat (1) helpompi asennus, (2) vähäisempi virtausvastus ja (3) parempi vaimennus pienillä taajuuksilla. Pienillä taajuuksilla (alle noin 200 Hz) aktiivinen vaimennin on passiivista edullisempi ratkaisu, koska passiivisen vaimennusmateriaalin määrän olisi oltava valtava aallonpituuden ollessa suuri. Aktiivinen järjestelmä puolestaan pystyy vaimentamaan pieniä taajuuksia vaivatta, jos siinä on tehokkaasti pieniä taajuuksia säteilevä äänilähde. Tämä on helppo toteuttaa tavallisilla kaiuttimilla.

Tässä paperissa esittelemme AKTIVA-hankkeessa [3] tekemäämme tutkimusta ilmastointilaitteen tuottaman häiritsevän melun vaimentamisesta [4]. Työmme on jatkoa Jukka Linjaman Akustiikkapäivillä 1995 esittämälle vakiosäätöiselle vaimentimelle [5]. Olemme toteuttaneet myötäkytketyn adaptiivisen säätöjärjestelmän, jossa puhaltimen läheltä - vaimentavaan kaiuttimeen nähden ylävirran puolelta - mitattua melua käytetään adaptiivisen suodinalgoritmin referenssisignaalina (tulosignaalina). Digitaalisella signaaliprosessorilla toteutettu adaptiivinen suodin muokkaa melusta vastamelua, joka syötetään kaiuttimeen. Ilmastointiputken avoimen pään suulle on sijoitettu virhemikrofoni, josta saatava signaali ohjaa suodattimen adaptointia ja sitä voidaan käyttää järjestelmän toiminnan monitorointiin.

Myötäkytketyn aktiivisen melunvaimentimen saavuttama vaimennus riippuu monista tekijöistä. Esimerkiksi melusignaalin tehospektrin vaihteleva muoto, akustinen takaisinkytkentä kaiuttimesta referenssimikrofoniin, turbulenssista aiheutuva kohina mikrofonien kohdalla sekä sähköiset häiriöt voivat huonontaa vaimennusta merkittävästi. Nämä tekijät asettavat haasteita kaikille järjestelmän osille ja erityisesti digitaaliselle säätöjärjestelmälle, jonka on kyettävä optimoimaan vastamelusignaali häiriötekijöistä riippumatta.

Yksi tutkimusjärjestelmämme kiinnostavimpia osia on uudentyyppinen, litteä, EMF-kalvoon perustuva kaiutin. Sen voi ohuutensa vuoksi asentaa ilmastointiputkeen poikittain virtausvastuksen kasvamatta. Nykyisten EMF-kaiuttimien ainoa haittapuoli on huono herkkyys pienillä taajuuksilla (alle 100 Hz). Ilmastointilaitteiden lapataajuus on yleensä yli 100 Hz, joten kovin pieniä taajuuksia ei välttämättä tarvita.

Lähteet

1. NELSON P A & ELLIOTT S J, Active Control of Sound. Academic Press, 1992.

2. KUO S M & MORGAN D R, Active Noise Control Systems---Algorithms and DSP Implementations. Wiley, 1996.

3. NYKÄNEN H, Aktiivinen äänenhallinta (AKTIVA) tutkimushanke. Akustiikkapäivä 1995, 25.-26.10.1995, Tampere, 13-18.

4. VÄLIMÄKI V, ANTILA M, RANTALA S & LINJAMA J, Adaptive noise cancellation in a ventilation duct using a digital signal processor. DSP Scandinavia '97 Conf, 3.-4.6.1997, Tukholma, Ruotsi, 151-156.

5. LINJAMA J, Puhallinkanavan aktiivinen äänenvaimennus vastaäänilähteellä. Akustiikkapäivä 1995, 25.-26.10.1995, Tampere, 29-38.

6. WIDROW B & STEARNS S D, Adaptive Signal Processing. Prentice-Hall, 1985.

7. HAYKIN S, Adaptive Filter Theory. Third Edition. Prentice-Hall, 1996.

8. BURGESS J C, Active adaptive sound control in a duct: a computer simulation. J Acoust Soc Am 70(1981)3, 715-726.

9. KUO S M & TSAI J, Residual noise shaping technique for active noise control systems. J Acoust Soc Am 95(1994)3, 1665-1668.

10. SWINBANKS M A, The active control of sound propagating in long ducts. J Sound and Vibr 27(1973)3, 411-436.

11. WINKLER J & ELLIOTT S J, Adaptive control of broadband sound in ducts using a pair of loudspeakers. Acustica 81(1995)5, 475-488.

12. UOSUKAINEN S, Yhteen suuntaan säteilevät aktuaattorit kanavaäänen aktiivisessa vaimentamisessa. Akustiikkapäivä 1995, 25.-26.10.1995, Tampere, 19-28.

13. UOSUKAINEN S, Uni-directional actuators in the active attenuation of noise in ducts. Proc Nordic Acoustical Meeting, 12.-14.6.1996, Helsinki, 105-112.

14. UOSUKAINEN S & VÄLIMÄKI V, Viiveetön kaksielementtinen yksisuuntainen äänilähde aaltoputkessa. Akustiikkapäivät 1997, 8.-9.10.1997, Espoo, 45-50.

Tämä artikkeli on julkaistu Akustiikkapäivillä 1997, ss. 37-44, 8.-9.10.1997, Espoo

Koko julkaisu PostScript-muodossa (323 kB)

Koko julkaisu PDF-muodossa (62 kB)

HUT Acoustics Logo This URL: http://www.acoustics.hut.fi/~vpv/publications/akupvt97.htm
Last modified: 19 July, 1998
Author: Vesa Välimäki