S
ILESIANU
NIVERSITY OFT
ECHNOLOGYFaculty of Automatic Control, Electronics and Computer Science Institute of Automatic Control
Modelling and control of device casing vibrations
for active reduction of acoustic noise
Doctoral Dissertation by
Stanisław Wrona
Supervisor
prof. dr hab. in˙z. Marek Pawełczyk
June 2016 Gliwice, POLAND
Streszczenie
Maszyny i urz ˛adzenia s ˛a cz˛esto dominuj ˛acym ´zródłem hałasu w otoczeniu czło-wieka. W skali przemysłowej, wysoki poziom d´zwi˛eku mo ˙ze prowadzi´c do utraty słuchu lub innych problemów zdrowotnych. Urz ˛adzenia domowe równie ˙z mog ˛a by´c ´zródłem hałasu, cho´c nie charakteryzuj ˛a si˛e poziomem d´zwi˛eku, który wprost za-gra ˙załby zdrowiu. Mog ˛a one jednak skutecznie utrudnia´c prac˛e lub wypoczynek. Cz˛estym sposobem ograniczenia nadmiernego hałasu urz ˛adze ´n s ˛a metody pasywne. Jednak s ˛a one nieskuteczne dla niskich cz˛estotliwo´sci. Cz˛esto nie mo ˙zna ich te ˙z zas-tosowa´c ze wzgl˛edu na nadmierne zwi˛ekszenie wymiarów i masy urz ˛adzenia, a tak ˙ze ryzyko przegrzania. Kiedy mo ˙zliwo´sci metod pasywnych zostaj ˛a wyczerpane, alter-natywnie zastosowa´c mo ˙zna metody aktywne. Skutecznie uzupełniaj ˛a one metody pasywne w ich najsłabszych punktach—niskim pa´smie cz˛estotliwo´sci oraz problemach zwi ˛azanych z odprowadzaniem ciepła.
W klasycznej aktywnej redukcji hałasu stosowane s ˛a gło´sniki i mikrofony w celu osi ˛agni˛ecia redukcji, jednak w przestrzeni trójwymiarowej cz˛esto skutkuje to utworze-niem jedynie lokalnych stref ciszy. W przypadku hałasu urz ˛adze ´n, redukcja globalna jest zdecydowanie bardziej po ˙z ˛adana. W tym celu mo ˙zna zastosowa´c aktywn ˛a struk-turaln ˛a redukcj˛e hałasu, w której stosowane s ˛a wzbudniki drga ´n redukuj ˛ace sam ˛a emisje akustyczn ˛a drgaj ˛acej struktury. W literaturze znane s ˛a zastosowania tego pode-j´scia dla pojedynczych barier. Celem niniejszej pracy jest rozszerzenie tego podepode-j´scia dla całych obudów urz ˛adze ´n, dalej nazywaj ˛ac je metod ˛a aktywnej obudowy.
Aby stopniowa´c zło ˙zono´s´c rozwa ˙zanego problemu, pocz ˛atkowo badano ci˛e ˙zk ˛a obu-dow˛e o sztywnej konstrukcji szkieletowej, która ogranicza sprz˛e ˙zenia pomi˛edzy ´scia-nami głównie do pola akustycznego. Nast˛epnie, rozwa ˙zono lekk ˛a obudow˛e pozba-wion ˛a sztywnej ramy, która charakteryzuje si˛e dodatkowo silnymi sprz˛e ˙zeniami wibra-cyjnymi. Przedstawione obudowy poddano analizie z punktu widzenia wibroakustyki i metod sterowania.
Wyprowadzono model matematyczny ´scian obudowy, który nast˛epnie zweryfiko-wano eksperymentalnie dla szerokiej gamy przypadków. Model ten ł ˛aczy opis mate-matyczny wielu zjawisk, które do tej pory w literaturze były rozpatrywane oddziel-nie. Obejmuj ˛a one teorie cienkich i grubych płyt, elastyczne warunki brzegowe, model tłumienia termoelastycznego, i obci ˛a ˙zenie płyty dodatkowymi elementami—masami, usztywnieniami, elementami wykonawczymi i pomiarowymi.
Opracowany model wykorzystano dla szeregu ró ˙znych problemów optymaliza-cji. Najpierw dla optymalizacji rozmieszczenia elementów wykonawczych i pomia-rowych, bazuj ˛ac na miarach sterowalno´sci i obserwowalno´sci układu. Nast˛epnie, za-proponowano metod˛e kształtowania odpowiedzi cz˛estotliwo´sciowej drgaj ˛acych płyt, któr ˛a zweryfikowano zarówno symulacyjne, jak i eksperymentalnie.
Przedstawione i zbadane obudowy zostały u ˙zyte w eksperymentach aktywnej re-dukcji. Obudow˛e sztywn ˛a zbadano w konfiguracjach ze ´scianami jedno- i dwupa-nelowymi. Ró ˙zne czujniki zostały wykorzystane, aby pozyska´c sygnał bł˛edu. Dla obudowy elastycznej wykorzystano wcze´sniejsze do´swiadczenia, aby wła´sciwie skon-figurowa´c obiekt. Osi ˛agni˛eto wysokie poziomy redukcji, przekraczaj ˛ace 20 dB re-dukcji globalnej, co potwierdza wysoki potencjał metody do praktycznego zastosowa-nia. Badaj ˛ac efektywno´s´c wielu metod sterowania, sformułowano wnioski i rekomen-dacje pomocne w efektywnej implementacji metody aktywnej obudowy.
