Barrière de bruit active circulaire utilisant un filtre de contrôle théorique tenant compte de l'interaction entre le haut-parleur et la barrière

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2649 (2023) Citer cet article

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Une barrière antibruit active circulaire utilisant un filtre de contrôle théoriquement calculé sans adaptation en temps réel a été proposée pour la réduction du bruit dans un espace extérieur spécifique. Une barrière circulaire compacte est utilisée pour le système mobile pour faire face aux changements d'emplacement de l'espace de travail, et le bruit dans une large bande de fréquences peut être réduit en effectuant un contrôle actif du bruit via des haut-parleurs de contrôle disposés autour d'une barrière. Cependant, il y avait un écart de performance significatif par rapport à la performance maximale obtenue en utilisant le filtre fixe expérimental en raison d'un modèle théorique extrêmement simplifié qui ignore l'interaction entre les haut-parleurs de contrôle et la barrière. Par conséquent, cette étude a tenté de minimiser la dégradation des performances lors de l'application du filtre de contrôle théoriquement calculé. Un autre modèle théorique est introduit pour améliorer les performances de réduction du bruit en considérant l'interaction entre le haut-parleur de contrôle et la barrière. Par l'expérience, il est confirmé que les performances de réduction du bruit sont améliorées d'environ 2,6 dB dans la fréquence d'intérêt.

Les problèmes de bruit dans les environnements industriels sont de plus en plus variés et graves, et couplés à des réglementations de plus en plus strictes sur le bruit, la réduction du bruit devient un problème plus important. Le bruit dans divers espaces tels que les aires de repos ou les espaces de travail peut entraîner du stress, des distractions et une perte auditive1 et de nombreux travailleurs des industries sont exposés à un bruit intense pendant de longues périodes. Une barrière antibruit peut être utilisée pour réduire le bruit, mais elle est inefficace pour la réduction du bruit dans une bande basse fréquence en raison du bruit diffracté. Afin de renforcer la réduction du bruit dans une bande basse fréquence, la barrière antibruit active2,3,4,5,6 qui applique un contrôle actif du bruit (ANC)7 à une barrière a été étudiée. En plaçant des haut-parleurs et des microphones d'erreur au-dessus de la barrière, le bruit diffracté dans une bande basse fréquence est réduit grâce à l'ANC. La disposition des microphones et des haut-parleurs8,9, la méthode d'obtention du filtre de contrôle10,11 et l'utilisation de sources de contrôle unidirectionnelles12 ont été étudiées pour améliorer les performances du mur antibruit actif. Cependant, le mur anti-bruit actif utilisant une barrière semi-infinie est coûteux et nécessite une grande place pour sa mise en place. De plus, il est difficile à déplacer, il n'est donc applicable qu'à un environnement fixe.

Afin de résoudre ce problème, la barrière antibruit active circulaire utilisant un filtre de contrôle théoriquement calculé13,14,15 a été proposée pour réduire le bruit dans un espace extérieur spécifique au lieu d'une réduction globale du bruit. La barrière antibruit active circulaire se compose d'une barrière circulaire compacte et de haut-parleurs de contrôle placés autour de la barrière dans le but de réduire le bruit dans un espace cible individuel tel qu'un espace de travail ou un espace de repos. Il nécessite moins de coût et d'espace par rapport à la barrière semi-infinie, et peut être déplacé et réinstallé. Un filtre de contrôle théoriquement calculé sans disposer de microphones sur l'espace cible est utilisé car les microphones disposés pour appliquer l'ANC gênent les travailleurs. Le filtre de contrôle théoriquement calculé peut être calibré rapidement, il est donc facile de réagir aux changements de position de la source de bruit ou de l'espace de contrôle cible.

Cependant, l'écart de performance entre les performances théoriquement obtenables et les résultats expérimentaux est important. Dans l'étude précédente13, un filtre de contrôle est calculé sur la base d'un modèle théorique extrêmement simplifié visant à fournir une méthode de contrôle du bruit simplement applicable. La dégradation des performances se produit en raison de la différence entre le modèle théorique simplifié et le système expérimental. Par conséquent, cette étude a tenté de minimiser la dégradation des performances qui se produit lorsque le filtre de contrôle théoriquement calculé est appliqué au système de contrôle du bruit hybride circulaire. L'interaction entre le haut-parleur de contrôle et la barrière, qui est l'une des principales causes ne peut pas être considérée par le modèle théorique simplifié précédent, donc un autre modèle théorique est introduit.

Le mur antibruit actif circulaire est brièvement décrit. La structure est illustrée à la Fig. 1. Un filtre de contrôle pour l'ANC est obtenu pour minimiser l'énergie potentielle acoustique de l'espace de contrôle cible, comme indiqué dans l'Eq. (1).

Configuration du mur antibruit actif circulaire (en haut) et illustration d'une structure axisymétrique en deux dimensions (en bas). La source de contrôle est une source de ligne circulaire dans l'étude précédente. a est le rayon de la barrière. V est l'espace de contrôle cible et S est la section transversale de la structure à symétrie d'axe.

Ici, \(Pn \, [Pa]\) et \(Pc \, [Pa]\) sont respectivement la pression sur l'espace de contrôle cible par le bruit et la source de contrôle. V est l'espace de contrôle cible et S est la section transversale de la structure à symétrie d'axe. \(\rho \, [kg/m^3]\) et \(c \, [m/s]\) sont respectivement la densité de l'air et la vitesse du son. Le filtre de contrôle obtenu \(K_w\) pour minimiser l'Eq. (1) est fourni dans l'équation. (2).

Du fait de la structure axisymétrique, le domaine de calcul intégral pour le calcul du filtre de commande peut être modifié de l'espace à la surface.

L'énergie potentielle acoustique résiduelle est donnée dans l'Eq. (4).

La réduction du bruit est définie comme la réduction de l'énergie potentielle acoustique dans l'espace de contrôle cible, comme indiqué dans l'équation. (5).

\(C_0\) est l'énergie potentielle acoustique dans l'espace de contrôle cible avant de réduire le bruit \(\big {(} C_{0}=\int _V \frac{|P_n|^2}{2\rho c^2 }dv \big {)}\).

Les performances de réduction du bruit dans la bande de fréquences d'intérêt sont définies comme indiqué dans l'Eq. (6).

\(C_{int,0}\) est la somme des \(C_0\) dans la bande de fréquence d'intérêt \(\big {(}C_{int,0}=\int _F\ C_0 df \big {) }\). \(C_{int,e}\) est la somme des \(C_e\) dans la bande de fréquence d'intérêt \((C_{int,e}=\int _F C_e df )\). F est la bande de fréquence d'intérêt.

Afin d'obtenir le filtre de contrôle dans l'Eq. (3), la pression calculée théoriquement est utilisée. Dans le cas du bruit, l'équation établie par Flammer16 est utilisée en supposant la barrière circulaire comme un disque très mince dans une condition acoustiquement dure. L'équation s'écrit en coordonnée sphéroïdale aplatie. Les relations entre la coordonnée cartésienne (x, y, z) et la coordonnée sphéroïdale aplatie \((\xi ,\eta ,\phi )\) sont données dans l'Eq. (7).

Ici, a est le rayon d'une barrière circulaire. La pression de bruit située à \((\eta _0,\xi _0,\phi _0)\) avec une barrière circulaire acoustiquement dure à l'origine est montrée dans l'Eq. (8). Le terme harmonique \((e^{i \omega t})\) est omis.

Ici, \(N_{mn}\) est la constante de normalisation et \(\varepsilon _m\) vaut 1 pour \(m=0\) et 2 pour toutes les autres valeurs. \(k=\frac{2\pi }{\lambda }\) est le nombre d'onde. \(\xi _<\) vaut \(min(\xi ,\xi _0)\) et \(\xi _>\) vaut \(max(\xi ,\xi _0)\). \(S_{mn} (-ika,\eta )\) est la fonction d'onde angulaire sphéroïdale aplatie et \(R_{mn}^{(j)} (-ika,i\xi )\) est la radiale sphéroïdale aplatie fonction d'onde du genre \(j^{th}\).

Dans le cas de la source de contrôle, une source de contrôle circulaire est utilisée dans l'étude précédente13. Cependant, une source de contrôle circulaire qui est une source monopôle infiniment distribuée dans un cercle ne peut pas prendre en compte l'interaction entre les haut-parleurs de contrôle et la barrière. La raison pour laquelle les haut-parleurs de contrôle sont placés au bord de la barrière est différente d'une source circulaire est illustrée à la Fig. 2.

Configuration du son généré par un haut-parleur en champ libre (gauche) et un haut-parleur avec barrière (droite).

Comme le montre la figure 2, un haut-parleur dans le champ libre peut être considéré comme un monopôle lorsqu'un haut-parleur est beaucoup plus petit que la longueur d'onde. Cependant, un haut-parleur fixé au bord de la barrière génère un champ sonore différent par rapport à une source monopôle car une partie du son se propageant vers l'arrière du haut-parleur est bloquée par la barrière. Pour résoudre ce problème, un anneau oscillant dans un déflecteur fermé fini est introduit pour servir de source de contrôle pour considérer l'interaction entre le haut-parleur et la barrière. Il se trouve dans un déflecteur fini avec un dos fermé, et l'anneau vibre pour générer du son, comme illustré à la Fig. 3. L'épaisseur de l'anneau (\(r_o\)-\(r_i\)) est déterminée par le diamètre du diaphragme du haut-parleur de contrôle.

Configuration d'un anneau oscillant dans un baffle fermé fini pour prendre en compte l'interaction entre le haut-parleur et la barrière.

Du fait de la structure du piston vibrant avec le déflecteur interne, un effet similaire à l'interaction entre le haut-parleur et la barrière apparaît, et donc le cas où les haut-parleurs de contrôle sont placés sur le bord d'une barrière circulaire peut être approximé. L'équation de l'anneau oscillant dans un déflecteur fermé fini peut être dérivée en modifiant la condition aux limites du disque oscillant dans un déflecteur fermé17. Par rapport à la source de contrôle circulaire, le modèle devient plus complexe, mais la propriété axisymétrique est conservée.

La performance de réduction du bruit du système de contrôle du bruit hybride proposé est vérifiée par une simulation FEM par Comsol. Dans la simulation, le matériau de la barrière est sélectionné comme l'aluminium et six modèles de haut-parleurs simples sont disposés sur le bord de la barrière. Le modèle de haut-parleur simple utilisé dans la simulation est illustré à la Fig. 4. Il s'agit d'une structure à enceinte fermée et l'intérieur est rempli d'air. Le son est généré en réglant la vitesse du diaphragme.

Le modèle de haut-parleur utilisé dans la simulation est une structure à enceinte fermée et le son est généré en faisant osciller le diaphragme.

Les haut-parleurs sont placés de sorte que le centre du haut-parleur soit sur le bord de la barrière. La configuration du modèle de simulation est illustrée à la Fig. 5.

Configuration du modèle de simulation. Un modèle de haut-parleur simple est utilisé pour les sources de contrôle. a est le rayon de la barrière. V est l'espace de contrôle cible.

La perte d'insertion sur le plan \(rz\) est illustrée à la Fig. 6 pour confirmer si le bruit est réduit dans l'espace de contrôle. La perte d'insertion est définie comme Eq. (9). \(P_{n,0}\) est la pression lorsque les méthodes de réduction du bruit ne sont pas appliquées, et \(P_e\) est la pression résiduelle réduite en utilisant la barrière active circulaire. \(k=\frac{2\pi }{\lambda }\) est le nombre d'onde.

La section transversale du modèle de simulation sur le plan \(rz\) (en haut). Perte d'insertion sur le plan \(rz\) : (a) \(ka=0,95\) et (b) \(ka=9,5\).

Il est démontré que le bruit autour de l'espace de contrôle est réduit. Le bruit dans un espace opposé à l'espace de contrôle peut augmenter en raison du champ sonore de contrôle pour la réduction du bruit dans l'espace de contrôle cible. S'il est nécessaire d'empêcher l'augmentation du bruit dans l'espace où se trouve la source de bruit, l'utilisation d'un haut-parleur de contrôle unidirectionnel peut être une solution.

La réduction de bruit définie dans l'Eq. (5) est illustré à la Fig. 7. Le modèle théorique 1 est le cas de l'utilisation d'une source circulaire comme source de contrôle, et le modèle théorique proposé 2 utilise l'anneau oscillant dans un déflecteur fermé fini comme source de contrôle.

Réduction du bruit d'une barrière circulaire (bleu), d'une barrière antibruit active circulaire utilisant le filtre de contrôle obtenu via la source de contrôle circulaire (rouge) et d'une barrière antibruit active circulaire utilisant le filtre de contrôle basé sur un modèle théorique proposé (jaune).

Il est démontré que la barrière de bruit active circulaire peut réduire le bruit dans la large bande de fréquences. Cependant, il est démontré qu'il existe un écart de performance entre les deux cas où différents filtres de contrôle basés sur un modèle théorique sont utilisés. Le filtre de contrôle basé sur l'anneau oscillant dans un modèle de baffle fermé fini permet d'obtenir une meilleure réduction du bruit que le filtre de contrôle obtenu en utilisant une source de contrôle circulaire en raison de l'interaction entre le haut-parleur et la barrière. En conséquence, la validité de l'anneau oscillant dans un déflecteur fermé fini comme source de contrôle dans le modèle théorique de la barrière antibruit active circulaire est confirmée.

La barrière était en aluminium d'une épaisseur de 6 mm et d'une densité de 2,7\(g/cm^3\). Le rayon de la barrière est de 0,26 m. Les haut-parleurs sont placés de sorte que le centre du haut-parleur soit sur le bord de la barrière. L'expérience a été menée dans une chambre anéchoïque d'une largeur et d'une longueur de 3,6 m, d'une hauteur de 2,4 m et d'une fréquence minimale admissible de 100 Hz. Comme sources de bruit et de contrôle, des haut-parleurs commerciaux capables de générer une bande de 200 à 20 kHz ont été utilisés. Dans le cas de la bande de fréquence d'intérêt, la bande de 200 Hz, la fréquence la plus basse que le haut-parleur peut générer, à 2000 Hz, où la barrière antibruit peut atteindre une réduction de bruit de 5 dB ou plus, est déterminée. Les mesures ont été effectuées à des intervalles de 10 cm dans une section de l'espace de contrôle cible. La fréquence d'échantillonnage est de 6000 Hz et un bruit blanc gaussien a été utilisé comme signal de bruit. L'ANC en boucle ouverte est réalisée sans erreur des microphones à l'aide du filtre de contrôle théoriquement calculé. Dans le cas du filtre de commande, le filtre de commande dans le domaine temporel obtenu par transformée de Fourier inverse du filtre de commande dans le domaine fréquentiel a été utilisé. Le système expérimental construit est illustré à la Fig. 8. La configuration expérimentale du globe est la même que celle de l'étude précédente13.

Configuration du système expérimental (en haut) et du système expérimental construit en chambre anéchoïque (en bas).

La réduction de bruit mesurée telle que définie dans l'Eq. (5) est illustré à la Fig. 9. Le modèle théorique 1 est le cas de l'utilisation d'une source circulaire comme source de commande, et le modèle théorique proposé 2 utilise l'anneau oscillant dans un déflecteur fini fermé.

Performances de réduction du bruit dans la simulation (à gauche) et dans l'expérience (à droite) : barrière antibruit (bleu), contrôle du bruit hybride à l'aide du filtre de contrôle basé sur le modèle 1 (rouge) et contrôle du bruit hybride à l'aide du filtre de contrôle basé sur le modèle 2 (jaune).

Semblable aux résultats de la simulation, la barrière de bruit circulaire atténue le bruit d'environ 5 dB ou plus au-dessus de 2000 Hz, mais il est démontré que la réduction du bruit est insignifiante ou que le bruit est amplifié en dessous de 1000 Hz. Dans le système hybride de contrôle du bruit, les performances sont améliorées en appliquant l'ANC. Cependant, dans le cas du modèle 1, une différence dans le champ sonore de contrôle se produit en raison de l'interaction entre les haut-parleurs et la barrière, ce qui entraîne de mauvaises performances. Sinon, dans le cas du modèle 2, le système de contrôle du bruit hybride atteint une réduction du bruit d'environ 10,6 dB dans la bande de fréquence d'intérêt en utilisant le filtre de contrôle théoriquement calculé. Les performances de réduction du bruit telles que définies dans l'Eq. (6) est illustré dans le tableau 1. En conséquence, il est validé que l'anneau oscillant dans un déflecteur fermé fini est plus approprié pour la barrière antibruit active circulaire qu'une source circulaire.

Selon les résultats de la Fig. 9, il est montré que lorsque le modèle 1 est appliqué, les performances les plus mauvaises sont obtenues par rapport aux résultats précédents13. La raison en est que la position de placement du haut-parleur de contrôle est déplacée à l'intérieur pour de meilleures performances. Dans un système réel, le bruit est dispersé en raison des haut-parleurs de commande disposés. Cependant, le volume du haut-parleur de commande n'est pas pris en compte lors du calcul théorique du champ sonore du bruit, de sorte que les performances sont dégradées en raison de la différence dans le champ sonore du bruit. Afin de réduire l'effet du volume du haut-parleur de contrôle, dans cette étude, les haut-parleurs sont placés de manière à ce que le centre du haut-parleur soit sur le bord de la barrière, comme illustré à la Fig. 10. Étant donné que les haut-parleurs de contrôle sont déplacés à l'intérieur la barrière, l'interaction entre les haut-parleurs et la barrière devient plus importante. Par conséquent, lorsque le modèle 1 comprenant une source de commande circulaire est appliqué, les performances sont moins bonnes.

Configuration de la position des enceintes de contrôle.

Pour une performance maximale du système expérimental construit, la solution de filtre FIR Wiener18 obtenue par les données mesurées sur l'espace de contrôle cible est utilisée. La réduction de bruit mesurée telle que définie dans l'Eq. (5) est représenté sur la Fig. 11. Les performances de réduction du bruit telles que définies dans l'Eq. (6) est de 12,8 dB, ce qui constitue une différence de performances d'environ 2,2 dB par rapport au cas de l'application du filtre de commande basé sur un modèle théorique.

Réduction du bruit dans l'expérience : à travers la barrière uniquement (bleu), barrière antibruit active circulaire basée sur le modèle 2 (rouge), barrière antibruit active circulaire utilisant le filtre de contrôle théorique calibré basé sur l'expérience préliminaire (jaune) et barrière antibruit active circulaire à l'aide de la solution de filtre Wiener (violet).

La réduction du bruit en utilisant le filtre de contrôle théorique est inférieure au cas de la solution de filtre de Wiener dans une plage de 450 à 900 Hz. Une différence notable dans le chemin secondaire en dessous de 1000 Hz se produit entre le modèle théorique et le système expérimental, comme le montre la Fig. 12.

Le chemin secondaire à une distance de 1 m de la barrière : dans l'expérience (bleu), modèle 1 (rouge), modèle 2 (jaune).

Pour améliorer les performances, le filtre théorique doit être calibré pour tenir compte de la dynamique du système, qui n'est pas incluse dans le modèle théorique. La réduction du bruit est illustrée à la Fig. 11 lorsque l'étalonnage basé sur l'expérience préliminaire dans la chambre anéchoïque est appliqué. Il est montré que les performances se rapprochent de celles du cas de la solution du filtre de Wiener.

Une barrière antibruit active circulaire qui prend en compte l'interaction entre un réseau de haut-parleurs et une barrière est proposée pour améliorer les performances de réduction du bruit. Afin de réduire la diffusion du bruit due aux enceintes de contrôle, la position de l'enceinte de contrôle est déplacée à l'intérieur de la barrière. Ainsi, l'influence de l'interaction entre les locuteurs témoins et une barrière devient plus significative. Par conséquent, l'anneau oscillant dans un déflecteur fini fermé est introduit pour la source de contrôle et l'amélioration des performances de réduction du bruit est validée par une simulation et une expérience. Il est confirmé qu'une réduction du bruit similaire à la performance maximale expérimentale pourrait être obtenue en utilisant le filtre de contrôle théorique lorsque le filtre de contrôle est réglé sur la base d'une expérience préliminaire. Des recherches supplémentaires telles que l'étude des méthodes d'obtention des informations requises pour l'ANC ou les moyens de mise à jour du filtre de contrôle doivent être effectuées.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Rapport mondial sur l'audition. Genève : Organisation mondiale de la santé. Licence : CC BY-NC-SA 3.0 IGO (2021)

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Ce travail a été soutenu par une subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIT) (n° NRF-2020R1A2C1012904).

Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Mechanical Engineering, 291 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34141, République de Corée

Parc Sanghyeon Lee et Youngjin

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SHL a mené la simulation et l'expérience. Tous les auteurs ont analysé les résultats et examiné le manuscrit.

Correspondance au parc Youngjin.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lee, S., Park, Y. Barrière de bruit active circulaire utilisant un filtre de contrôle théorique tenant compte de l'interaction entre le haut-parleur et la barrière. Sci Rep 13, 2649 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27756-4

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Reçu : 05 août 2022

Accepté : 06 janvier 2023

Publié: 14 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27756-4

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