Dr hab. inż. Jerzy Kasprzyk, prof. Pol. .Śi. Gliwice, 31.01.2014 W ydział A utom atyki, Elektroniki i Informatyki
P olitechnika Śląska ul. A kadem icka 16 44-100 G liw ice
R E C E N Z JA R O Z PR A W Y DO K TOR SK IEJ
T ytuł rozpraw y: Active control o f sound w ith a vibrating plate
A utor rozpraw y: m gr inż. K rzysztof M azur
P rom otor rozpraw y: dr hab. inż. M arek Pawelczyk, prof. Pol. Śl.
1. Zakres, charakter i cel rozprawy
Problem redukcji hałasu ma ju ż w ieloletnią historię. W ostatnich kilku dekadach szczególną uwagę pośw ięcono m etodom aktywnym. Na ogół oparte są one na generacji „antyhałasu” za pom ocą klasycznych głośników membranowych. Jednak to rozwiązanie napotyka na trudności w środow isku przem ysłow ym ze względu na nieprzyjazne środowisko pracy. A lternatyw nym źródłem dźw ięku w takich warunkach mogą być płyty, które wprawiane w drgania za pom ocą odpow iednich wzbudników, np. piezoelektrycznych, pracują jako wtórne źródło dźw ięku. Płyty takie mogą także pełnić rolę aktywnej bariery akustycznej. A u to r ro zp ra w y podjął tem at w ykorzystania płyt drgających w układach redukcji hałasu, koncentrując się na wybranych problem ach sterowania przenoszeniem dźwięku przez płyty. W szczególności dotyczy to wykorzystania układów kompensacji nieliniowej, odpowiedniego rozkładu sygnału sterującego na w iele elementów wykonawczych oraz kompensacji wpływu tem peratury na działanie układu tłumienia propagacji hałasu przez płytę. W rozprawie przedstaw iono także przykłady w ykorzystania opracowanych algorytmów do sterowania em isją dźw ięku za pom ocą płyty.
R ozpraw a ma charakter eksperymentalny. Autor umiejętnie wykorzystał znane z literatury m etody aktywnej redukcji hałasu dokonując ich twórczej adaptacji do warunków, w jakich prow adził badania, oraz wprowadzając odpowiednie modyfikacje i ulepszenia, które w istotny sposób um ożliw iły popraw ę osiągniętych wyników. Na uwagę zasługują duże um iejętności A utora w zakresie implementacji zaproponowanych algorytmów oraz prow adzenia dośw iadczeń na obiektach rzeczywistych.
2. Zaw artość rozpraw y
Rozpraw a liczy 116 stron, w tym 99 stron to tekst rozprawy podzielony na siedem rozdziałów , reszta to załącznik, bibliografia, spis oznaczeń oraz indeks.
Rozdział pierw szy stanowi wprowadzenie do tematyki rozprawy. Autor przedstawił takie pojęcia jak: dźwięk, aktywne tłum ienie hałasu, sterowanie płytami drgającymi. Dokonał krótkiego przegłądu klasycznych algorytmów aktywnej redukcji hałasu. Podał motywację dla prow adzonych bad ań oraz sformułował tezę rozprawy. Omówił także zawartość rozprawy.
R ozdział drugi, najobszerniejszy, zawiera opis liniowych algorytmów adaptacyjnych w strukturze feed-forw ard. W ychodząc od jednowym iarowego algorytmu FXLMS Autor przeszedł do problem u wielowym iarowego, w szczególności rozpatrzył problem rozdziału sygnału sterującego na wiele elementów wykonawczych. Następnie pokazał wyniki badań eksperym entalnych tłum ienia przechodzenia sygnału dźwiękowego przez płytę z trzema, elementami piezoelektrycznym i typu MFC dla różnych sygnałów hałasu. W kolejnych punktach przedstaw ił problem wykorzystania kilku czujników do pomiaru błędu oraz problem wyboru sposobu pom iaru sygnału błędu: mikrofon czy akcelerometr. Omówił także możliwość w ykorzystania idei tzw. mikrofonu wirtualnego oraz metod powiększenia strefy ciszy.
Poniew aż drgająca płyta może być także wykorzystana jako źródło dźwięku, stąd w rozdziale trzecim A utor przedstawił wybrane problemy związane z emisją dźwięku przez płytę. R ozpatrzył system sterowania w układzie kompensacji ze stałymi parametrami oraz w układzie adaptacyjnym z pomiarem dźwięku przez mikrofon. Pokazał także wyniki eksperym entalne. Jako alternatywne rozwiązanie zaproponował układ z pomiarami za pomocą akcelerom etrów , który podobny jest do układu z wirtualnym mikrofonem.
N ieliniow ości występujące w układzie z drgającą płytą w istotny sposób pogarszają możliwości układu redukcji hałasu, stąd rozdział czwarty został poświęcony możliwościom przeciw działania temu zjawisku. Przebadano strukturę ze sprzężeniem zwrotnym z w ykorzystaniem idei IMC (Internal Model Control) oraz układy kompensacji z zastosow aniem różnego rodzaju filtrów nieliniowych. Na drodze eksperymentalnej porównano w yniki zastosowania różnych algorytmów dla układów redukcji hałasu oraz generacji dźw ięku.
W rozdziale piątym Autor przedstawił koncepcję dwupoziomowego systemu sterowania, obejm ującego układ redukcji hałasu z jednym sygnałem sterującym jako nadrzędny, a ja k o podrzędny układ sterowania elementami wykonawczymi na płycie na podstawie w ypracow anego sygnału z warstwy wyższej. Rozpatrzono układy z Filtrami liniow ym i i nielin io w y m i. P rzeprow adzone badania w ykazały, że zaproponowane rozw iązanie prow adzi do zm niejszenia złożoności obliczeniowej algorytmów oraz pozwala uzyskać szy bszą zbieżność w układzie.
T em peratura płyty ma istotny wpływa na jej własności, stąd w rozdziale szóstym Autor zaproponow ał zastosowanie dodatkowego układu pomiaru temperatury w celu poprawy jakości tłum ienia hałasu. Identyfikując off-łine param etry modelu ścieżki wtórnej dla różnych tem peratur istnieje m ożliwość w ykorzystania podejścia typu gain-scheduling z tablicą nastaw indeksowaną w artością mierzonej temperatury. Testy przeprowadzone dla hałasu tonalnego oraz dźw ięku nagranego dla rzeczywistego obiektu wykazały, że podejście to rzeczywiście poprawia pracę układu w sytuacji, gdy temperatura płyty ulega zmianom.
R ozdział siódm y stanowi podsumowanie rozprawy, w którym Autor wypunktował najw ażniejsze, je g o zdaniem, osiągnięcia pracy.
3. Opinia m erytoryczna
W rozpraw ie A utor pokazał, że zaproponowany przez niego nieliniowy adaptacyjny system sterow ania drganiam i płyty, z odpowiednim kształtowaniem odpowiedzi częstotliwościowej, kom pensacją temperatury oraz układem dystrybucji sygnału sterującego do wielu elem entów w ykonaw czych, umożliwia zwiększenie poziomu redukcji hałasu przenoszonego przez płytę w porów naniu z klasycznymi układami sterowania.
Stąd stw ierdzam , że postaw iona teza jest poprawna i oryginalna, oraz w rozprawie w ykazano jej słuszność.
Analiza źródeł i wiedza Autora w danej dyscyplinie naukowej
A utor w praw dzie nie przeprow adził osobno przeglądu literatury, ale w trakcie czytania można zauważyć, że je g o w iedza w zakresie tematyki rozprawy jest bardzo obszerna. Bibliografia liczy aż 122 pozycje, przy czym D oktorant jest współautorem 16 z nich, z czego 3 publikacje znajdują się na listach JCR z IF powyżej 0.8. Pozostałe publikacje Doktoranta pochodzą głównie z m ateriałów konferencji międzynarodowych. Wybór źródeł na ogół jest trafny i odpowiedni do realizacji celów pracy, a sposób prowadzenia analizy odpowiada potrzebom rozprawy.
Pozycja rozpraw y w stosunku do stanu wiedzy w literaturze światowej
W śród różnych metod aktywnej redukcji hałasu stosowanie płyt drgających jest stosunkowo rzadko stosowane, głównie ze względu na pojawiające się trudności w aplikacji takich rozwiązań. Rozpraw a w znaczny sposób posuwa naprzód możliwości stosowania płyt w takich układach. Przedstaw ione osiągnięcia Autora publikowane były także w czasopism ach z listy JCR oraz na konferencjach międzynarodowych, o czym wspomniano wyżej.
Znaczenie uzyskanych w yników dla dyscypliny naukowej
Jako szczególne osiągnięcia A utora można uznać: wykorzystanie idei mikrofonu wirtualnego bazującego na pom iarach z akcelerom etrów , wprowadzenie wycieku w algorytmie LMS dla uzyskania ro zk ład u sygnału sterująceg o na w iele elem entów sterujących, zastosow anie sterowania adaptacyjnego oraz adaptacyjnej struktury kompensacji do sterowania płytą drgającą, opracow anie koncepcji dwuwarstwowego systemu aktywnej redukcji hałasu oraz opracow anie idei sterow ania w ielom a elementami wykonawczymi na płycie drgającej za pom ocą pojedynczego nieliniow ego filtru sterującego. Ponadto Autor zbadał wpływ tem peratury płyty na działanie system u aktywnej redukcji hałasu i zaproponował dobór modeli torów w tórnych w zależności od temperatury. Tak więc rozprawa stanowi istotny wkład w rozwój metod aktywnej redukcji hałasu przy wykorzystaniu płyt drgających zamiast klasycznych głośników.
Um iejętność Autora przedstaw ienia uzyskanych wyników
A utor przedstaw ia w yniki badań oraz analizę problemu w sposób zrozumiały i przy użyciu właściwych środków. R ozpraw a posiada logiczny układ. Redakcja pracy jest staranna. Na uwagę zasługuje zam ieszczenie nie tylko spisu oznaczeń, ale także indeksu ważniejszych term inów, co ułatw ia czytelnikow i korzystanie z rozprawy.
R ozpraw a je st dobrze napisana i ma niewiele słabych stron. Występuje trochę błędów redakcyjnych, które zostały zaznaczone w dostarczonym egzemplarzu rozprawy i przedstaw ione bezpośrednio D oktorantowi, np, uparcie pisze though zamiast through. Struktura pracy w sensie podziału na punkty i podpunkty nie zawsze odpowiada przyjętym pow szechnie standardom . W ielokrotnie występuje tu niepotrzebne wyróżnienie podrozdziału w podrozdziale w sytuacji braku następnych podrozdziałów, np. 3.1.1 w 3.1, 4.8.1 w 4.8, 5.4.] w 5.4. Także nie zawsze odw ołanie do literatury .jest najszczęśliwsze. Czasami Autor odw ołuje się do publikacji wtórnych, podczas gdy bardziej odpowiednie byłoby odwołanie do literatury podstaw ow ej dla danego zagadnienia.
Uwagi ogólne
A utor w ykonał wiele eksperymentów dla konkretnych zakresów częstotliwości generow anego hałasu. Brak jednak komentarza, dlaczego wybrane zostały akurat takie częstotliw ości lub takie pasma częstotliwości. Czy była to kwestia przypadku, czy za w yborem stały jak ieś inne przesłanki. Podobna uw aga dotyczy doboru długości filtru FIR (np. N=640 na str. 24) czy stopni wielom ianów w filtrach Hammersteina (str. 69).
Uwagi szczegółow e
1. Str. 12, punkt 1.6.4 - RST je st po prostu układem ze sprzężeniem zwrotnym, tylko w odpow iedniej strukturze. Poniew aż układ ten nie jest w ogóle w pracy w ykorzystyw any, stąd jego zam ieszczenie jest całkowicie zbędne.
2. Str. 20, rys. 2.3 - schemat systemu sugeruje, że mamy do czynienia tylko z trzema kanałam i, brak zaznaczenia, że tych kanałów może być więcej, np. za pomocą kropek. 3. Str. 21, rys. 2.4 - co to są O utput 0 i Output 1?
4. Str. 23 - dlaczego tylko 3 spośród dziewięciu elementów MFC zostały wykorzystane w badaniach? Podobnie, dlaczego użyto tylko dwóch mikrofonów błędu? Potrzebny byłby kom entarz.
5. Str. 24, rys. 2.7 - Rysunek został zatytułowany jak o implementacja systemu ANC, ale na schem acie znajduje się także głośnik, który tu nie jest elementem systemu ANC, lecz pełni rolę źródła hałasu pierwotnego.
6. Str. 29 - czy N i M są dla w szystkich c i / takie same?
7. Str. 32, 33 - występuje niejednoznaczność w oznaczeniu e(i), które pojawia się zarówno jak o błąd strojenia, jak i jak o błąd w układzie redukcji hałasu, a to są dwie różne
w ielkości.
8. Str. 57 - punkt 4.2 Internal M odel Control znalazł się w rozdziale 4. Nonlinear Control, tak jak by należał do algorytm ów nieliniowych, tymczasem służy on tu do porównania wyników.
9. N iepotrzebne jest rozbicie opisu technik nieliniowych na punkt 4.3 stanowiący w prow adzenie i punkt 4.4 opisujący wykorzystane techniki, gdyż oba punkty nie do końca są spójne i czytelnik zaczyna tracić wątek, o co Autorowi chodzi w punkcie 4.3.
Przedstawione wyżej uw agi krytyczne mają głównie charakter redakcyjny i nie zmieniają mojej bardzo pozytywnej oceny recenzowanej pracy.
Podsum ow ując stw ierdzam , że ro z p ra w a d o k to rsk a m g r inż. K rzysztofa M azura pt. „A ctive c o n tro l o f so u n d w ith a v ib ra tin g p la te ” spełnia w ym agania określone w „U staw ie o sto p n ia c h nau kow ych i ty tu le n au k o w y m ” i w nioskuję o je j przyjęcie i dopuszczenie A u to ra d o publicznej ob ro n y .
Jednocześnie, ze w zględu na wysoki poziom naukowy rozprawy oraz spełnienie przez Doktoranta w ym ogów form alnych, czyli co najmniej jednej publikacji w czasopiśmie z listy JCR o w spółczynniku IF nie mniejszym niż 0.5, w noszę o w yróżnienie rozpraw y.
