کنترل فعال نويز وارتعاشات
چکيده: از جمله روش هايي که براي کاهش اثرات صداها و ارتعاشات ناخواسته به کار مي رود،روش کنترل فعال نويز و ارتعاش (ANC و AVC) مي باشد. روشهاي قديمي که به کنترل غيرفعال موسومند، بر مبناي عايق کاري و استفاده از دمپرها استوارند. حال آنکه در کنترل فعال پس از تشخيص صدا يا ارتعاش به وسيله يک سنسور سيگنالي عکس سيگنال دريافت شده به سيستم اعمال مي شود، حاصل برهمنهي اين دو سيگنال کاهش اثرات نويز و ارتعاشات را به همراه دارد. وجود تراشه هاي پردازش سيگنال با ابعاد بسيار کوچک امکان ساخت ANC هايي به منظور استفاده هاي پزشکي را فراهم کرده است. از مهمترين کاربردهاي آن درمان تينيتوس (وزوز گوش) مي باشد. استفاده از ANC در کارخانجات هواپيماهاي جنگي و کلاً محيطهايي که صداهاي مزاحم متداوم موجود است بسيار مناسب مي باشد. در اين مقاله روش ANC و AVC به همراه چند مورد کاربردهايشان ذکر شده است.
واژگان کليدي: کنترل فعال، نويز، ارتعاش، سيگنال
1-مقدمه
در بسياري از موارد سکوت موجود به اين علت نيست که هيچ صدايي وجود ندارد. بلکه در گوش ما يک مجموعه در حال تکاپو هستند تا ما صداهاي آزار دهنده را نشنويم. هرگاه يکي از اين عوامل مختل شود به تينيتوس مبتلا مي شويم. يعني نوعي صداي وزوز دائما مي شنويم. اگر شما يکي از مبتلايان به اين بيماري باشيد به کنترل فعال به عنوان يکي از درمانهاي تينيتوس توجه بيشتري خواهيد کرد.
يکي از متداولترين روشهاي حذف صداهاي ناخواسته، در محيطهاي بسته عايق کاري سقف و ديوارها مي باشد. اين گونه روشها که به روشهاي کنترل غير فعال نويز موسوم هستند، فرکانس هاي بالا و مياني را به خوبي دمپ مي کنند. ولي از آنجا که ابعاد و جرم عايقهاي مورد نياز رابطه مستقيم با طول موج نويز دارد، لذا هرچه فرکانس صوت مزاحم کمتر و طول موجش بيشتر باشد عايق سنگينتر و حجيمتري موزد نياز است.
در دههء 1930 ايده کنترل فعال نويز ((Active Noise Control مطرح شد. و در دههء 1950 پيشرفتهاي بيشتري کرد، اما به هر حال بدون وجود کامپيوترهاي پيشرفته ديجيتالي استفاده عملي از اين روش امکانپذير نبود. در دهه هاي 1970 و 1980 کنترل فعال به عنوان يکي از مباحث عمده در تحقيقات مطرح شد. در حال حاضر سالانه چندصد مقاله کاربردي در اين مورد نوشته مي شود و چندين شرکت به توليدات ANC اختصاص يافته اند.[1]
در اين روش ابتدا صدا يا ارتعاش مزاحم شناسايي مي شود، سپس سيگنال عکس آن ساخته مي شود و به سيستم اعمال مي گردد. اين سيگنال که به سيگنال کنترلي موسوم است قادر است صدا يا ارتعاش مزاحم را حذف نمايد. اگر اين کنترل به خوبي انجام شود هيچ صدايي شنيده نخواهد شد
براي مثال فرض کنيد که يک نيرو به جسمي صلب ساکني وارد مي شود. براي آنکه جلوي حرکت جسم را بگيريم مي توانيم نيرويي مساوي ولي در خلاف جهت نيروي اولي به جسم وارد کنيم وارد کنيم. در اين صورت جسم در حالت سکون باقي خواهد ماند. اگر نيروي اول بيشتر شود نيروي دوم نيز بايد بيشتر شود تا حالت سکون همچنان حفظ شود. به عبارتي اين کنترل نوعي کنترل فعال است.
در اين مقاله روش هاي کنترل فعال نويز و روشهاي کنترل فعال ارتعاشات به ترتيب در بخشهاي دوم و سوم و همچنين کاربردهايشان در بخش چهارم مورد بررسي قرار گرفته است.
2-کنترل فعال نويز (ANC)
ما با دو روش اصلي در کنترل فعال نويز مواجهيم:
2-1- حذف فعال نويز(Active Noise Cancellation) ANC
در اين روش عملگرها منابع صوتي هستند که صدايي با فاز مخالف صداي مزاحم توليد مي کنند. وقتي صحبت از ANC ميشود اکثراً اين روش را مد نظر دارند.
شکل(2-1-1)
شکل موج مربوط به نويز و سيگنال کنترلي با 30 درجه اختلاف فاز و موج حاصل جمع
شکل(2-1-2)
شکل موج مربوط به نويز و سيگنال کنترلي با 100 درجه اختلاف فاز و موج حاصل جمع
شکل(2-1-3)
شکل موج مربوط به نويز و سيگنال کنترلي با 170 درجه اختلاف فاز و موج حاصل جمع
شکل(2-1-4)
شکل موج مربوط به نويز و سيگنال کنترلي با 180 درجه اختلاف فاز و موج حاصل جمع
همانطور که شکلهاي 2-1-1 تا 2-1-4 نشان مي دهند هرچه اختلاف فاز سيگنال نويز و سيگنال کنترلي به 180 درجه نزديکتر مي شود دامنه موج حاصل جمعشان کمتر مي شود. تا جايي که در ازاي اختلاف فاز 180 درجه عملا هيچ صدايي شنيده نخواهد شد.
2-2- Amplified earmuffs
دراين روش بر خلاف روش Active Noise Cancellation نه فرکانس و نه دامنه سيگنال کنترلي با فرکانس و دامنه نويز برابري ندارد. بلکه همانطور که در شکل 2-2-1 مي بينيد سيگنال کنترلي نسبت به نويز دامنه بيشتر و فرکانس کمتري دارد.
شکل(2-2-1)
نويز، صداي پس زمينه و سيگنال برآيندشان در روش Amplified earmuffs
.
اين روش براي بيماران مبتلا به تينيتوس(وزوز گوش) پيشنهاد مي شود. در اين روش صدايي با انرژي بيشتر از صداي وزوز گوش توليد شده موجب مي شود که اثر صداي وزوز کاهش پيدا کرده و مزاحمت کمتري ايجاد کند. در واقع صداي آزار دهنده که داراي فرکانس بالا و دامنه کم است در صداي پس زمينه گم مي شود. وصداييکه شنيده خواهد شد به صداي پس زمينه بسيار شبيه خواهد بود.
2-3- محدوديت فرکانسي در ANC
اگر نويز با طول موج بيشتري از ابعاد محيط داشته باشيم مي توانيم آن را يک بعدي فرض کنيم.
به عنوان مثال در کانال کولر موجي با طول موج 1m را مي توانيم يک بعدي تصور کنيم.
شکل(2-3-2) موجي با طول موج بيشتر از ابعاد کانال يک بعدي فرض مي شود.
فرکانس چنين موجي از زابطهء 2-3-1 بدست مي آيد:
(2-3-1)
اگر موجي با فرکانس بالاتر داشته باشيم انعکاس در محيط رخ مي دهد(شکل 3-1-2) و خنثي سازي موج از اين روش دچار مشکل خواهد شد.
شکل(3-1-2)
بنابراين روش ANC براي حذف نويز با فرکانسهاي بالا مناسب نيست. براي بدست آوردن نتايج بهتر در عمل از هر دو روش فعال و غير فعال همزمان براي کاهش نويزهايي با فرکانس پايين و بالا استفاده مي کنند
از طرف ديگر هر چه پهناي باند نويز بيشتر باشد کنترل آن مشکلتر مي باشد. مثلا کنترل نويزي که وزش باد بر روي بدنه يک هواپيما ايجاد مي کند بسيار مشکلتر از کنترل نويزي است که در اثر چرخش پره هاي هواپيما با يک دور ثابت توليد مي شود.[2]
3-کنترل فعال ارتعاشات
براي دامنه ثابت شتاب جابجايي نسبت معکوس با مربع فرکانس دارد. بنابر اين کاهش ارتعاش بخصوص در مدهاي ارتعاش پايينتر به منظور کاهش خستگي و افزايش قابليت اطمينان بسيار با اهميت است. يک سيستم فعال قادر به ايجاد کاهش در مدهاي فرکانسي پايينتري است که دسترسي به آن توسط يک سيستم غير فعال اگر ناممکن نباشد بسيار مشکل خواهد بود.[3]
ازجمله روشهاي مختلفي که براي مقابله با ارتعاشات وجود دارد ايزوله کردن منبع ارتعاشي با استفاده از يک صفحه کاهنده ارتعاش است. مثلا موتور هواپيما را از بدنه آن ايزوله مي کنند به نحوي که کمترين تماس را با سازه اصلي داشته باشد.مرکز تحقيقاتي GEC مارکوني(MCR) در "گريت بادو" اين روش را به کار برده و يک صفحه کنترل شونده ديجيتالي براي کاهش فعال ارتعاش کشتيها را فراهم آورده است. اين روش از آنجا موثر است که ارتعاش را در منشا ايجاد آن کاهش مي دهد ولي پيچيده و گران است.[3]
روش دوم به کار بردن مجموعه هاي مستقل کاهش ارتعاش در مناطق حساس مثل اتصالات مکانيکي است که اگرچه ارزانتر و ساده تر از روش اول است ولي بازده کمتري هم دارد.
روش ديگر به کار بردن يک سري ميکرفونها و پيزو سراميکها در نقاط مختلف سازه و ايجاد صوت معکوس و پخش آن در محيط مي باشد. اين روش که مشابه ANC است، ANR ناميده مي شود. آنچه در طراحي اين سيستمها بايد مورد توجه قرار گيرد نوع سنسورها و عملگرها و محل قراردادن آنها در سازه و ساده سازي و کوچک کردن سيستمهاي کنترل مي باشد.
با ترکيب حسگرها و عملگرها با يک سيستم بازخور ارتعاش را تا يک دهم مقدار اوليه در مد ارتعاش و تا 4g شتاب کاهش مي دهند.[3]
4-کاربردها
کنترل فعال نويز يک روش موثر براي حذف نويزهايي است کهبه روشهاي غير فعال حذف آنها بسيار پيچيده و گرانقيمت است.[4]
کاربردهاي ANC عمدتاً در محيطهاي بسته مثل کانالها، کابين اتومبيل، اگزوز اتومبيل، و گوشيها مي باشد. موفقترين اين وسايل هدفونها هستند که فرکانسهاي پايين را حذف کرده و فرکانسهاي مياني و بالا را که مربوط به صحبت کردن هستند از خود عبور مي دهند. اين هدفونها بيشترين کاربرد را براي خلبانها دارند. و با قيمتهاي مناسب عرضه مي شوند.[5]
در ماشينها اغلب يک فرکانس ثابت وجود دارد و ارتعاشات و نويزها با همان فرکانس توليد مي شوند. مثلاً در يک اتومبيل دور متعارف موتور 3000 rpm است يعني فرکانس 50Hz بنابر اين براي کنترل نويز اگزوز ماشين صداي ميل لنگ و... ANC روش مناسبي مي باشد. با توجه به تيراژ بالاي اتومبيلها به کار بردن اين نوع صداگيرها در اتومبيلها باعث کاهش قيمت محصولات ANC خواهد شد.
از ديگر کاربردهايي که به موفقيت نسبي تجاري رسيده است صداگيرهاي فعالي هستند که براي اگزوز موتورهاي صنعتي کمپرسورها و ژنراتورها استفاده مي شوند.[6]
در آمبولانسها نيز نصب ANC باعث مي شود که صداي آمبولانس براي بيمار ايجاد مزاحمت نکند. در حاليکه صداي صحبت بيمار و پرستار شنيده مي شود. زيرا فرکانس آژير آمبولانس 100Hz و فرکانس صحبت 4000 Hz مي باشد.
بسياري از سازندگان هواپيماها به خصوص هواپيماهاي ملخي با نصب بلندگوهايي بر روي ديواره هواپيما از چنين سيستمهايي به منظور کاهش نويز بهره جسته اند. يک سيستم NTC(Noise Cancellation Technologies) امروزه به صورت يکي از تجهيزات استاندارد در هواپيماهاي Saab 2000 و 340B+ درآمده است. دليل پيشرفت چشمگير اين سيستمها کاهش فوق العاده وزني است که نسبت به سيستمهاي غير فعال در هواپيماها ايجاد مي کنند. هدففونهايي که به خلبانهاي هواپيماهاي ملخدار داده مي شود قادرند کاهش نويزي معادل 10dB در محدوده فرکانس موتور جت ( 100 هرتز تا 2.5 کيلوهرتز) ايجاد کنند. [2]
GMMT يک تلفن کاهنده نويز طراحي کرده که در آن نويزهاي زمينه به مقدار 10 dB تا محدوده فرکانسي 1kHz کاهش پيرا مي کند. اين تلفنها در محيطهاي پر سر و صدا مثل تلفنهاي کنار جاده درون قطار و تلفنهاي همراه به کار مي روند. اين سيستمها مي توانند در سمعکهاي فعال براي حفاظت در برابر نويز و کمک به شنوايي به کار روند.[3]
از مهمترين کاربردهاي AVC نصب آنها بر روي مدار هاي چاپي به منظور حفاظت برد در برابر ارتعاشات مي باشد.
شکلهاي 4-2 و4-3 به ترتيب ميکروفون و بلندگوهايي را که در يک سيستمANC شکل4-1 به کار رفته است، نشان مي دهد. اين سيستم در يک ديوار دو جداره به منظور آکوستيک کردن محيط به کار رفته است.[7]
محل قرارگيري ميکروفونها و بلندگوها و زواياي آنها نسبت به هم تاثير بسياري برکيفيت کنترل دارد.
شکل(4-1)
سيستمANCبه کار رفته يک ديوار دو جداره.
شکل(4-2)
ميکروفون به کا رفته در سيستمANC شکل(4-1).
شکل(4-3)
بلندگوهاي به کا رفته در سيستم ANC شکل(4-1).
5-نتيجهگيري
کنترل فعال نويز و ارتعاش موضوع بسياري از تحقيقات روز دنيا را تشکيل مي دهد. در اين مقاله تنها به چند روش معمول کنترل فعال نويز و ارتعاش اشاره شد. روش Active Noise Cancellation همانطور که توضيح داده شد براي کنترل نويز تک فرکانسي با فرکانس پاين مطلوب است. حال آنکه در عمل ما با يک طيف فرکانسي ناخواسته مواجهيم. بنابراين براي حذف کامل نويز و ارتعاشات به سيستمهاي پيچيده تر و دقيقتري نيازمنديم. با توجه به گراني قيمت چنين سيتمهاي کنترلي محصولات ANC , AVC گرانقيمت تمام مي شوند. لذا اين محصولات هنوز به صورت عمومي در نيامده اند و اکثراً کاربردهاي خاص نظامي و فضايي دارند. توسعه و بهبود کيفيت محصولات کنترل فعال با قيمتهاي پايينتر ورود آنها را به کارخانجات کارگاهها و منازل به دنبال خواهد داشت. با توجه به بازار مصرف وسيعي که براي اين محصولات پيش بيني مي شود جاي آن دارد که کنترل فعال نويز و ارتعاش به عنوان يکي از پروژه هاي مهم تحقيقاتي صنعتي در کشور مد نظر قرار گيرد.
مراجع
[1]Ruckman, C.E., “Frequently Asked Question: Active Noise Control,” ، 2001
[2] Collin Hansen ,Causal Systems PTY LTD
[3] محمدعلي ذاتي، احمدرضا پيشه ور،"کنترل فعال ارتعاش و نويز"، ماهنامه علمي تخصصي صنعت برق، شماره 96-95، صفحات 38-34، سال 1383.
[4]Sen M. Kuo, “Applications of Active Noise Control”, Northern Illinois University,February19,2003,
[6] Raymond W. Fischer, “Acoustic Engineering for Marine and Industrial Applications”,
[7]Manfred Morari, Projects in Active Noise and Vibration Control