И.В. Власов, канд. техн. наук, С.Г. Семенцов, Ю.А.
Поляков, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
http://iu4.bmstu.ru, http://activ.iu4.bmstu.ru
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ МИКРОСИСТЕМЫ АКТИВНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ
|
Рассмотрены вопросы теории и практики проектирования систем активной индивидуальной защиты от акустических воздействий (активных наушников). Проанализированы состав и структура информационного, программного и аппаратного обеспечения этих систем. Исследованы вопросы применения микроминиатюрных регистрирующих датчиков и компенсирующих излучателей. Дан краткий обзор имеющихся на рынке активных наушников. |
Физиологические характеристики человека как объекта защиты
Структурные схемы и алгоритмы систем активной индивидуальной защиты
Конструктивная реализация систем активной индивидуальной защиты
Введение
Развитие техники и технологии помимо очевидных плюсов несет и значительное усиление психологического давления на человека. Информационные потоки, шумовые поля действуют угнетающе на человеческую психику и вызывают быструю утомляемость и раздражительность. Особенно неблагоприятно это воздействие проявляется в низкочастотной части спектра, где сосредоточена основная энергия излучения большинства источников звука и где обычные средства звукоизоляции малоэффективны. Разнообразные поглотители, демпферы, звукоизоляторы, называемые пассивными средствами защиты [1,2], обладают эффективным поглощением только при линейных размерах, сравнимых с длиной волны излучения. Альтернативой пассивным методам защиты являются системы активного гашения (САГ) [1,2], в которых гашение шумового поля достигается наложением на исходное поле другого поля, инверсного по отношению к гасимому.
Первые разработки САГ относятся к началу 30-х годов. В 1934 г. была запатентована САГ шума, состоявшая из микрофона, блока управления (включающего в себя усилитель, линии задержки и фильтры) и излучателя. Несмотря на кажущуюся простоту метода его строгое теоретическое обоснование не рассматривалось вплоть до начала 60-х годов. Большинство авторов ограничивались качественным описанием методов и средств гашения звуковых полей. В этот период были опубликованы работы Г. Олсона и Е. Мэйя [3], посвященные локальному подавлению шума в случае индивидуальной защиты, в России основные физико-математические методы по реализации данных систем были заложены в работах ГНЦ РФ "Акустический институт им. академика Н.Н. Андреева" (http:www.akin.ru). При построении систем активной индивидуальной защиты, как правило, используются облегченные конструкции головных телефонов с установленными в них элементами САГ, например, для обслуживающего персонала палубной авиации [3].
Практическое применение микропроцессорных систем индивидуальной акустозащиты началось только в последнее десятилетие, когда уменьшение себестоимости и рост производительности микропроцессорных комплектов, чаще всего на основе цифровых сигнальных процессоров (DSP), позволили разрабатывать и выпускать средства индивидуальной акустозащиты, ориентированные не только на профессионалов, но и на массового потребителя.
Применение для индивидуальной защиты систем активного гашения весьма перспективно. Поскольку в подавляющем большинстве случаев воспринимаемая слухом звуковая волна является плоской, то для ее корректной регистрации достаточно одного-двух датчиков. Высокое качество излучателей современных головных телефонов позволяет получить практически плоскую АЧХ в диапазоне 16-20 000 Гц, низкие переходные и фазовые искажения. В результате средства индивидуальной активной акустозащиты позволяют подавить внешнее шумовое поле на 15-20 дБ в диапазоне частот 16-500 Гц. Ослабление более высокочастотных полей может осуществляться звукопоглощающими материалами амбушюров головных телефонов.
Средства индивидуальной активной акустозащиты применяются уже достаточно широко на производстве, транспорте и в системах связи. В последние годы в связи со значительным снижением себестоимости эти системы проникли и в бытовую сферу и используются с самой различной звуковоспроизводящей аппаратурой в условиях повышенного шума.
Физиологические характеристики человека как объекта защиты
Слуховое восприятие обеспечивает человеку прием звуковых колебаний от источника звука. Слух среднестатистического человека способен воспринимать звуковые колебания в частотном диапазоне от 16 до 20 000 Гц (звуки с частотой ниже 16 Гц относятся к инфразвуку, а с частотами выше 20 000 Гц – к ультразвуку).
Степень восприятия звука ухом человека зависит от уровня громкости и условий восприятия. Громкость – субъективный аналог интенсивности звука, оцениваемой в единицах звуковой энергии (Вт/см) или в относительных единицах – децибелах (дБ). Минимальное звуковое давление, необходимое для того, чтобы звук был слышен, называют порогом слышимости. Более интенсивные звуковые воздействия ведут к болевым ощущениям и могут привести даже к повреждению органов слуха.
В таблице представлена субъективная оценка действия звука различной интенсивности на человека [1].
Таблица. Усредненная оценка действия шума на человека-оператора
|
Субъективная оценка |
Звуковое давление, дБ |
Сила звука, Вт/см |
| Порог слышимости |
0 |
10-16 |
| Шум заметен |
до 80 |
10-8 |
| Шум беспокоит |
90 |
10-7 |
| Шум мешает |
100 |
10-6 |
| Разговор невозможен |
110 |
10-5 |
| Шум подавляет и раздражает |
120 |
10-4 |
| Болевые ощущения |
130 |
10-3 |
График зависимости громкости звука от частоты представлен на рис. 1 (однако интенсивность звука в данном случае является функцией частоты только до уровня 90 дБ). Для больших уровней громкости эта зависимость исчезает.
|
|
| Рис. 1. Зависимость громкости звука от частоты |
Кроме приведенных выше параметров звуковые колебания оцениваются длительностью, которая выражается в секундах.
Как
правило, источником звуковой энергии являются поверхности конструкций, совершающие
колебания, которые и создают акустическое поле шумящего объекта. Образующееся
акустическое поле характеризуется звуковым давлением 
и колебательной
скоростью 
, возникающими в точке воздушной среды при
прохождении через нее звуковой волны.
Энергетическими характеристиками акустического поля являются:
· интенсивность
, т.е. количество энергии упругих волн,
проходящих за единицу времени через единицу поверхности в направлении нормали;
· мощность
излучения 
, т.е. количество энергии, проходящей (уходящей
на бесконечность) за единицу времени через замкнутую поверхность, огибающую источник
звука;
· плотность
энергии звуковых волн 
–
количество энергии, содержащейся в единице объема среды.
Важную роль при расчете акустического поля механизма имеет характеристика направленности звукоизлучения источника, т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг него звукового давления.
Структурные схемы и алгоритмы систем активной индивидуальной защиты
Согласно классификации САГ, приведенной в [1, 2], для решения задач индивидуальной защиты могут, в общем случае, использоваться как неадаптивные, так и адаптивные САГ.
При проектировании неадаптивных САГ значения импульсной характеристики фильтров блока управления, полученные на этапе идентификации внешнего шумового поля, зафиксированы на конкретном значении, обеспечивающем наилучшее качество гашения для наиболее вероятных условий работы. Однако при изменении этих условий ожидаемого качества гашения можно не получить. Структурная схема данных систем на базе ADSP2181 фирмы Analog Devices и листинг кода программы на C++ представлены на рис. 2.
|
|
| Рис. 2. Структурная схема модели неадаптивной системы индивидуальной акустозащиты |
Рассмотрим работу неадаптивной САГ более подробно. Информация о внешнем шумовом поле, воспринятая системой датчиков (микрофонов), после оцифровки поступает в блок управления. Здесь методами цифровой обработки генерируется сигнал, идентичный по спектру исходному, но находящийся к нему в противофазе. Блок управления может быть реализован разнообразными методами: от программируемой логики до нейросетей, но наиболее перспективным представляется применение специально разработанных для целей обработки в режиме реального времени оцифрованных аналоговых сигналов цифровых сигнальных процессоров (DSP). Полученный сигнал в противофазе к исходному сигналу выводится через ЦАП и складывается в сумматоре с сигналом от источника полезного сигнала. Таким образом, излучатели системы воспроизводят сумму полезного сигнала и сигнала, противофазного к внешнему шумовому полю.
В адаптивных САГ помимо вышеперечисленных систем датчиков исходного поля дополнительно используются системы датчиков сигнала ошибки гашения. Вырабатываемый ими сигнал является управляющим для блока управления, т.е. этот сигнал используется для воздействия на коэффициенты фильтров блока управления и, перестраивая их с помощью специальных адаптивных алгоритмов, минимизирует сигнал ошибки. Структурная схема адаптивной системы и листинг кода программы для ADSP2181 представлены на рис. 3.
|
|
| Рис. 3. Структурная схема модели адаптивной системы индивидуальной акустозащиты (УНМБУ – узел настройки микропроцессорного блока управления) |
Реализуемые в адаптивных системах алгоритмы минимизации сигнала ошибки, например, алгоритм Уидроу-Хоффа или алгоритм наименьших квадратов, интерпретируют значения коэффициентов фильтров блока управления как начальные значения и адаптивно подстраивают их, отслеживая изменения внешнего шумового поля. Эффективность действия этих алгоритмов в сильной степени зависит от влияния волновой обратной связи, поэтому в настоящее время появляются модификации этих алгоритмов с повышенной устойчивостью к влиянию обратной связи.
Необходимо заметить, что при отсутствии полезного сигнала адаптивные алгоритмы довольно успешно справляются с задачей фильтрации и влияние обратной связи невелико. Но при подаче полезного сигнала для эффективного выделения сигнала ошибки гашения необходимо реализовать очень сложные алгоритмы опознавания и фильтрации. По этой причине все реализованные на сегодняшний день системы индивидуальной активной акустозащиты представляют собой неадаптивные системы.
Выбор конкретного алгоритма позволяет экспериментально определить преимущества и недостатки каждой из структур для конкретных условий эксплуатации.
Конструктивная реализация систем активной индивидуальной защиты
Конструктивно системы индивидуальной защиты могут быть выполнены в виде облегченных головных телефонов открытого или закрытого типа или в виде слухового аппарата, т.е. миниатюрного головного телефона (наушника-пробки) с автономным блоком управления. Второй вариант имеет ряд преимуществ, например, обладает меньшими габаритными размерами и массой, эргономичностью излучателя, но в силу ряда ограничений, рассмотренных ниже, практическая реализация этого варианта весьма затруднительна. В качестве примера реализации системы индивидуальной защиты первого вида можно привести продукцию фирм Sennheiser (ФРГ) и Koss (США) (рис. 4).
|
|
|
Рис. 4. Активные наушники фирм Sennheiser |
Модель QZ2000 (Quiet Zone 2000) разработана на основе базовой модели портативных наушников серии Porta PRO, обладающей при весьма скромных габаритных размерах и массе высокими техническими характеристиками: диапазон частот (по уровню 3 дБ) – 15-25000 Гц, чувствительность 101 дБ/мВт. Блок управления расположен на соединительном кабеле из бескислородной меди (FC) и питается от двух батарей формата "АА" (1,5 В). Комплект батарей рассчитан на более чем 200 ч работы. Излучатели выполнены по самым передовым технологиям: магнитные системы изготовлены из неодимового сплава, а диафрагмы – из майлара толщиной 16 мкм. Блок управления содержит раздельные для правого и левого каналов АЦП, ЦАП и цифровой сигнальный процессор (DSP), работающий в формате с фиксированной точкой. Он выполняет функции цифровой фильтрации, генерации противофазы и с помощью специализированных алгоритмов позволяет оперативно отслеживать изменения внешнего поля. Конструктивная реализация активных наушников HDC 451 фирмы Sennheiser практически ничем не отличается от вышеприведенной, за исключением технических характеристик: диапазон частот – 20-18000 Гц, максимальный уровень внешнего шума 100 дБ.
Микроминиатюризация акустических преобразователей – основная проблема построения эффективных САГ индивидуальной защиты
Уменьшение размеров акустических преобразователей, снижение их массы и улучшение их эргономичности являются одной из важнейших проблем проектирования системы индивидуальной активной акустозащиты. Размещение их в амбушюрах головных телефонов накладывает ограничения не только на размеры датчиков внешнего поля, но и на диаграмму их направленности, динамический диапазон, форму АЧХ. Микрофоны должны обладать при минимальных размерах круговой диаграммой направленности, динамическим диапазоном не менее 100 дБ, плоскими ФЧХ и АЧХ и малыми переходными искажениями. Очевидно, что классические динамические микрофоны не удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. В данном случае целесообразно использовать конденсаторные или электретные микрофоны. К их недостаткам следует отнести невозможность работы без внешнего блока питания. Желательно также наличие малошумящего усилителя с высоким входным сопротивлением для уменьшения шумов и наводок. Но эти недостатки с лихвой окупаются высокими техническими характеристиками. В качестве примера можно привести конденсаторный микрофон МКЕ 2 Р-С фирмы Sennheiser (рис. 5). При диаметре всего 4 мм он обладает следующими техническими характеристиками:
· неравномерность АЧХ в диапазоне 20-20000 Гц меньше 3дБ;
· динамический диапазон 130дБ;
· чувствительность 10 мВ/Па.
Для получения таких параметров также не обойтись без высоких технологий. Сверхтонкие пленки из полимерных материалов со слоями металлизации, полученными с помощью вакуумного напыления, – вот что позволяет добиться таких результатов.
При разработке миниатюрных и эргономических излучателей для систем индивидуальной акустозащиты приходится сталкиваться с целым рядом принципиальных ограничений. Для эффективного воспроизведения низких частот, где в основном и приходится генерировать противофазный сигнал, необходимо, чтобы подвижная система излучателя перекачивала значительный объем воздуха. Этого можно добиться двумя путями:
· за счет увеличения диаметра диафрагмы;
· за счет увеличения хода подвижной системы.
|
|
|
| Рис. 5. Конденсаторный микрофон МКЕ 2 Р-С фирмы Sennheiser |
Рис. 6. Миниатюрные наушники фирмы SONY |
Очевидно, что при конструктивной реализации системы индивидуальной акустозащиты в виде слухового аппарата диаметр излучателя не должен превышать 1,5 – 2 см, а диаметр рупора не может быть больше диаметра слухового прохода. В этой ситуации при разработке миниатюрных излучателей идут по пути увеличения длины хода диаграммы за счет использования более мощной магнитной системы (как правило, из неодимовых сплавов) и применения резонансных систем – аналогов фазоинверторных систем и систем с пассивным излучателем в громкоговорителях. В качестве примера можно привести миниатюрные головные телефоны MDR-ED238ML фирмы SONY (рис. 6). При диаметре диафрагмы 16 мм они обеспечивают весьма равную АЧХ вплоть до 70-80 Гц за счет применения неодимовых магнитов и системы Twin Turbo – аналога фазоинверторной системы. Дополнительно коррекция АЧХ в области низких частот может осуществляться с помощью DSP, MDR-ED238ML методами цифровой фильтрации. Методы цифровой обработки позволяют получить АЧХ практически любой формы и скорректировать ее таким образом, чтобы результирующая форма характеристики по звуковому давлению была близка к идеальной.
* * *
Лабораторно-техническая установка для автоматизированных исследований микропроцессорных неадаптивных систем индивидуальной активной акустозащиты, реализованная на кафедре ИУ-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана, обеспечивает подавление акустических шумов в диапазоне 20-500 Гц на 15-20 дБ. Эффективность подавления не одинакова в указанном частотном диапазоне и имеет разброс ±5 дБ, вызванный неравномерностью АЧХ датчиков и излучателей, паразитными резонансами корпуса головных телефонов и влиянием обратной связи. Система реализована на базе головных телефонов Porta PRO фирмы Koss, сигнального процессора Neuro Matrix 6403 НТЦ "Модуль" (или комплекса EZ-KIT 21xxx, Analog Devices), аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей фирмы Analog Devices. Используемый в Neuro Matrix 6403 сигнальный процессор предназначен для работы в формате с фиксированной точкой. Его тактовая частота 50 МГц. АЦП и ЦАП – 16-разрядные, что в сочетании с методами интерполяции и цифровой фильтрации позволяет получить достаточно высокую точность преобразования и снизить шумы квантования. Система позволяет достичь теоретически возможного ослабления внешнего сигнала до 22-25 дБ, но это требует отладки алгоритмов работы DSP и тщательного подбора коэффициентов усиления в трактах сигналов микрофонов и излучателей для согласования динамических диапазонов электроакустических преобразователей с АЦП/ЦАП.
В настоящее время результаты разработки системы индивидуальной активной акустозащиты находят применение при создании систем коллективной акустозащиты и разработке специализированных вариантов индивидуальной шумозащиты, ориентированных на различные условия эксплуатации в авиации, на железнодорожном транспорте и при использовании сильношумящего оборудования (мотопилы, различных вибраторов и т.п.).
Список литературы
1. Власов
А.И. Современное состояние и тенденции развития теории и практики активного гашения
волновых полей // Приборы и системы управления.1997,№ 11. С.59-70.
2. Schachnov V.A., Vlasov A.I. Das Realisirungkonzept
der aktiven Unterdruckung des Akustiklarms der Electronengerate // Proceeding
of 15th International Congress of Acoustics.
3. Olson H., May E.G. Electronic sound
absorber // Acoust. Soc.
4. Гвоздак А. DSP системы для IBM PC // Современные технологии автоматизации 1998.№ 1. С. 18-25.
5. Шахнович
И. Отечественный процессор цифровой обработки сигналов NM 6403 // Электроника:
наука, технология, бизнес. 1999.
№ 2. С.30-33.
6. Sennheiser. Hauptkatalog.
7. Sony. Генеральный каталог 1998/99.
8. Noise Control in
9. Власов А.И., Шахнов В.А. Концепция активного подавления акустических шумов офисного оборудования // Сб. докл. научно-практической конф. "Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии". СПб, 1996 С. 201-204.
10. http://www.sennheiser.com
11. http://www.koss.corn
12. http://sony.com
13. http://activ.iu4.bmstu.ru