Aktywne metody redukcji hałasu (rys historyczny)

Metody aktywne redukcji poziomu drgań i hałasu zaczęły się szczególnie intensywnie rozwijać w ostatnich latach. Cechą charakterystyczną metod aktywnych jest to, że drgania i hałas kompensuje się drganiami i dźwiękiem pochodzącymi z dodatkowych źródeł. Podstawową więc cechą tych metod, jest to, że wykorzystujące je układy zawierają dodatkowe źródła energii wibroakustycznej. Układy te odpowiednio sterowane mogą w określony sposób dostarczać lub absorbować energię wibroakustyczną. Aktywne metody redukcji hałasu są skuteczne przede wszystkim w zakresie tzw. niskich częstotliwości akustycznych, czyli częstotliwości poniżej około 500 Hz (Rys. 1).

Rys. 1 Zakresy stosowania aktywnych metod redukcji hałasu

Metody aktywne redukcji drgań i hałasu wyszły z laboratoriów naukowych i znajdują w chwili obecnej coraz szersze zastosowania praktyczne. Prace naukowo – badawcze związane z metodami aktywnymi prowadzone są w wielu ośrodkach naukowych całego świata, w tym również w Polsce.
Do rozwoju metod aktywnych przyczynił się rozwój szeregu dyscyplin naukowych, wśród których wymienić należy teorię drgań, akustykę, wibroakustykę, elektronikę, teorię sterowania, informatykę, technikę komputerową. Dlatego można teorię układów aktywnych uznać za dziedzinę interdyscyplinarną. Teoria układów aktywnych związana jest z dużą ilością zagadnień pokrewnych dyscyplin nauki. Metody aktywne redukcji poziom hałasów niskoczęstotliwościowych znajdują już powszechne zastosowanie w falowodach, pompach, wentylatorach itp. Za pomocą metod aktywnych redukuje się hałas wewnątrz samolotów i samochodów, hałas transformatorów i wielu innych urządzeń technicznych.
Pierwsze koncepcje metod aktywnych redukcji drgań pojawiły się z końcem ubiegłego wieku, zaś redukcji hałasu w latach trzydziestych naszego stulecia, mimo że geneza metod aktywnych wywodzi się z zasady interferencji.

Rys. 2 Kopia patentu Luega

Można powiedzieć, że w zakresie redukcji poziomu drgań istniały dwa główne nurty badań i prac technicznych: ochrona budowli oraz drgania środków komunikacji, maszyn i urządzeń. Ochrona budowli związana była głównie z trzęsieniami ziemi. Prace prowadzono przeważnie w Japonii w jednym z najbardziej aktywnych sejsmicznie krajów świata. W 1891 roku po trzęsieniu ziemi w Nobi, K. Kawai publikuje pracę „A Structural Method Free from Earthquake Excitation” (Architectural Institute of Japan). Dalsze trzęsienia ziemi (San Francisco 1906, Great Kanb 1923, Long Beach 1993) inspirują prace badawcze i techniczne mające na celu ochronę budowli (m.in. New Building Regulation, Seismic Code, patenty K. Kido i O. Yamashita’y). Powstają pierwsze układy aktywne, które w ostatnich kilkudziesięciu latach zostały z powodzeniem wdrożone głównie służąc do obniżenia poziomu drgań i wstrząsów budowli na terenach aktywnych sejsmicznie.

Pierwsze koncepcje aktywnych metod redukcji hałasu powstały z początkiem lat trzydziestych. W 1933 r. Paul Lueg (1898-1979) złożył w Niemczech do opatentowania projekt pt: „Verfahren zur Dämpfung von Shallschwingungen” a w 1934 r. w Stanach Zjednoczonych projekt pt: „Process of Silencing Sound Oscillations”. Patent amerykański (Rys. 2) udzielony został w 1936 r., zaś niemiecki w 1937 r.

W pierwszych trzydziestu latach po zgłoszeniu patentu przez Luega wyniki zastosowań metod aktywnych były bardzo skromne. Lueg przedstawił wyłącznie koncepcję układu, nie prowadził żadnych związanych z nim badań. Wyniki uzyskane przez Olsona i Conovera mimo pewnych praktycznych rezultatów były jednak znikome. Dopiero prace M. Jessela i jego współpracowników we Francji, K. Kido w Japonii, H. Leventhalla i J. E. Flowcs-Williamsa w Wielkiej Brytanii wywołały wzrastające zainteresowanie metodami aktywnymi. Od początku lat siedemdziesiątych XX wieku datuje się wzmożony rozwój badań związanych z aktywną redukcją drgań i hałasu. Przyczyniły się do tego pozytywne wyniki badań doświadczalnych w skali laboratoryjnej, a przede wszystkim gwałtowny rozwój wielu dyscyplin naukowych oraz technik komputerowych. Istotnym punktem zwrotnym były dwie grupy badań i patentów: G. B. Chaplina i G. E. Warnaki i ich współpracowników. G. B. Chaplin bazując na tym, iż fale dźwiękowe generowane przez rzeczywiste źródła mają przebieg okresowy, a ich charakterystyki czasowe są tego samego typu niezależnie od obciążenia lub prędkości zmian, stwierdził, że można na drodze syntezy wytworzyć fale dźwiękowe tego samego typu lecz przesunięte w fazie. G. E. Warnaka zajął się falami generowanymi w sposób przypadkowy. Sygnał generowany ze źródła przekazywany jest do układu sterującego, poddawany analizie, w ten sposób, aby źródło wtórne mogło emitować falę akustyczną o podobnym przebiegu ale odwróconą w fazie.

Pierwsze zastosowania praktyczne metod aktywnych do redukcji hałasu dotyczyły falowodów (przewody dolotowe maszyn przepływowych, urządzenia klimatyzacyjne, systemy wentylacyjne itp.). Na Rys. 3a przedstawiono system monopolowy według koncepcji Luega zrealizowany w Essex (Anglia). Sygnał z mikrofonu M odpowiednio opóźniony oraz przesunięty w fazie za pomocą układu sterującego S steruje źródłem wtórnym Zw promieniującym dźwięk do wnętrza falowodu. Na Rys. 3b pokazany jest system tripolowy (potrójny) opracowany przez Jessela (Laboratoire de Mecanique et d’Acoustique du CNRS, Marsylia, Francja). Źródło potrójne składa się ze źródła podwójnego Zw1 i Zw2 oraz źródła punktowego Zw3 o wszechkierunkowej charakterystyce promieniowania. Fala ze źródła podwójnego promieniowana jest w obu kierunkach falowodu. Przesunięcie fazowe jest odpowiednio dobrane, co powoduje znoszenie fali pochodzącej ze źródła pierwotnego. Natomiast odpowiednie przesunięcie fazowe źródła Zw3 powoduje, że fala przez nie promieniowana jest sumowana z falą promieniowaną przez źródło pierwotne w kierunku propagacji i odejmowana w kierunku przeciwnym. Eliminuje to promieniowanie źródła trójpolowego (kompensującego) w kierunku źródła pierwotnego (kompensowanego).

Rys. 3 Typowe systemy redukcji poziomu ciśnienia akustycznego w falowodach

System dipolowy pokazany jest na Rys. 3c. System ten składa się z dwóch źródeł punktowych Zw1 i Zw2 o charakterystykach wszechkierunkowych oraz dwóch układów sterujących S1 i S2 dających opóźnienie czasowe. Zadaniem pierwszego układu jest spowodowanie wzajemnej kompensacji fal akustycznych na lewo od źródła (w kierunku przeciwnym do kierunku propagacji). Drugi układ powoduje opóźnienie czasowe powstałe na drodze propagacji fali pierwotnej od miejsca umieszczenia mikrofonu M do źródła Zw2. W ten sposób uzyskana jest kompensacja fali pierwotnej w kierunku jej propagacji.

Układ Chelsea przedstawiony na Rys. 3d (podwójny monopol) opracowany w Londynie daje eliminację sprzężenia zwrotnego poprzez umieszczenie mikrofonu M w połowie odległości pomiędzy źródłami Zw1 i Zw2.
Ostatnie dwadzieścia lat to okres ogromnego rozwoju metod aktywnych zarówno dotyczących aktywnej redukcji wibracji jak również metod aktywnych w akustyce. O rozwoju metod aktywnych świadczyć może liczba publikacji prac naukowych i technicznych z tego zakresu. D. Guicking, który prowadził przez wiele lat do roku 1992 wykaz bibliografii metod aktywnych zwalczania hałasu i drgań podał iż do roku 1991 ukazało się około 3500 publikacji, przy czym autorzy pochodzili z 37 krajów świata. Większość tych publikacji ukazała się w latach osiemdziesiątych. W 1992 r. Guicking zaprzestał prowadzenia ewidencji bibliografii, gdyż liczba publikacji z tego zakresu obejmuje obecnie kilka tysięcy pozycji rocznie.

Badania prowadzone są w wielu krajach całego świata. Powstały specjalne laboratoria zajmujące tylko metodami aktywnymi. Równolegle z prowadzonymi badaniami powstały ośrodki zajmujące się zastosowaniami praktycznymi oraz zakłady produkujące urządzenia stosowane do redukcji dźwięków metodami aktywnymi. Wyniki badań przedstawiane są na wielu konferencjach i sympozjach naukowych. Od roku 1991 organizowane są specjalne sympozja naukowe (International Symposium on Active Control of Sound and Vibration). Pierwsze, w 1991 r. zorganizowane zostało w Tokio. Od tego czasu co dwa lata w różnych krajach organizowane są sympozja pod nazwą ACTIVE pod patronatem Międzynarodowego Instytutu Zwalczania Hałasu (International Institute of Noise Control Engineering).

Opracowane zostały podstawy teoretyczne metod aktywnych, do powstania których przyczynił się M. Jessel wraz z współpracownikami a także niezależnie od niego uczony rosyjski G. D. Malużiniec oraz szereg innych uczonych.
Twórcy teorii metod aktywnych opierali się na osiągnięciach światowej sławy polskiego fizyka, profesora Wojciecha Rubinowicza (1899-1974), który zajmował się zjawiskami optycznymi a nie akustycznymi. Niemniej jednak zjawiska falowe świetlne i akustyczne można opisywać takimi samymi równaniami. Dlatego prace polskiego uczonego, które wprowadziły nowe podejście do zjawisk falowych można uważać za podstawę, na której opierali się twórcy podstaw teoretycznych metod aktywnych. M. Jessel w swoich pracach poświęconych podstawom teoretycznym metod aktywnych mówi, że „efekt wklęsłości bierze początek w paradoksie Rubinowicza”. Przy analizie obszaru, w którym występuje pole akustyczne mówi, że część obszaru podtrzymuje zgodność źródeł Huygensa, podczas gdy inna część podtrzymuje aktywną redukcję źródła. Rubinowicz przewidział taki przypadek na pofałdowanym ekranie Kirchhoffa. Zagadnienia dotyczące teorii dyfrakcji Kirchhoffa zostały szeroko rozpracowane od strony teoretycznej przez W. Rubinowicza. Opisane zostały zjawiska wzajemnej interferencji fal świetlnych padających na krawędź ekranu i efekt w postaci kompensacji fal w pewnych częściach badanego obszaru.

Prace związane z aktywnymi metodami w akustyce zapoczątkowane były w Polsce z początkiem lat siedemdziesiątych (S. Czarnecki, Z. Engel). Profesor Stefan Czarnecki zajmował się głównie aktywnymi metodami kompensacji dźwięków. Pod jego kierownictwem wykonana została praca doktorska, w której określono warunki kompensacji fazowej. Z inicjatywy Profesora Zbigniewa Engela powstało w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy w Warszawie laboratorium metod aktywnych wraz ze specjalnymi stanowiskami badawczymi głównie do aktywnej redukcji poziomu dźwięku w falowodach.

Pierwsze w Polsce seminarium poświęcone aktywnym metodom zwalczania hałasu i wibracji zorganizowane zostało w Warszawie w grudniu 1988 r. przez Centralny Instytut Ochrony Pracy i Instytut Mechaniki i Wibroakustyki AGH. Materiały seminaryjne wydrukowane zostały w specjalnej edycji Prac Centralnego Instytutu Ochrony Pracy (zeszyt 144) w 1990 r. Od 1993 r. w kraju organizowana jest cyklicznie co dwa lata wspólnie przez Akademię Górniczo – Hutniczą w Krakowie oraz Politechnikę Krakowską specjalistyczna szkoła pod nazwą „Metody aktywne redukcji drgań i hałasu”. Do chwili obecne odbyło się pięć takich szkół.