CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE IN AMBIENTI VIRTUALI Paolo

CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE IN AMBIENTI VIRTUALI
Paolo Guidorzi, Valerio Tarabusi
Universita' di Bologna – DIENCA
1. INTRODUZIONE
Il problema del comfort acustico nell'ambiente domestico e di lavoro assume oggi
sempre maggiore importanza. I sistemi di condizionamento dell'aria sono una delle
principali cause di disturbo uditivo all'interno degli edifici e su tali impianti va
concentrata la ricerca volta all'abbattimento delle emissioni sonore, essendo provato
che l'esposizione prolungata a fonti di rumore è causa di stress e può avere effetti
nocivi sulla salute dell'uomo. Come noto, i sistemi di controllo attivo del rumore,
risultano avere migliori prestazioni nel campo delle basse frequenze, mentre risultano
inefficienti per le alte frequenze, dove pero' e' possibile utilizzare con buoni risultati
dispositivi passivi di silenziamento.
Il presente lavoro descrive, e confronta tra loro, diversi metodi di controllo attivo
del rumore, applicati al caso monodimensionale di un condotto per il condizionamento
dell'aria.
Figura 1 – Configurazione delle prove sul modello reale. (A) posizione del microfono
d'errore; (B) posizione dell'attuatore; (C) posizione del microfono di riferimento; (D)
posizione della sorgente di rumore
2. DESCRIZIONE DELL'ESPERIMENTO
Il condotto aeraulico preso in esame ha una sezione rettangolare di dimensioni
400x250 mm, una bocchetta di uscita dell'aria e un ventilatore a velocità variabile.
In una prima fase si e' proceduto al calcolo delle funzioni di trasferimento tra vari
punti del condotto, ricavate dalla misura di risposte impulsive (col metodo MLS). E'
possibile ricostruire acusticamente il condotto stesso, eseguendo delle operazioni di
convoluzione tra una registrazione anecoica del rumore che si vuole eliminare e le
varie risposte impulsive. Le sequenze ottenute (auralizzazioni) possono essere
riprodotte in maniera sincrona da un computer dotato di una scheda audio multicanale,
ottenendo in uscita dai vari canali lo stesso segnale che un microfono misurerebbe,
immesso nel condotto reale nelle varie posizioni, in presenza del segnale disturbante.
Si puo' cosi' ottenere una riproduzione acustica pressoche' perfetta del modello in scala
reale, col solo utilizzo del computer. Su questo modello virtuale e' ora possibile
applicare e studiare il controllo del rumore, con innegabili vantaggi, infatti spesso
l'ottimizzazione dei parametri di un dispositivo per il controllo attivo e' basata su una
tecnica trial and error; dopo una prima fase in cui si decidono il tipo di controllo
(diretto o in retroazione) e alcune variabili principali, lo sperimentatore deve passare
molto tempo sul luogo dove il controllo e' applicato per trovare i valori ottimi
dell'algoritmo di controllo. Con questa tecnica tale operazione puo' invece essere
compiuta senza intervenire sull'impianto in opera. E' possibile altresi' utlilizzare
programmi di simulazione acustica per ottenere risposte impulsive calcolate a partire
dal solo progetto CAD di un ambiente. In questo caso il sistema di controllo attivo puo'
essere integrato completamente ad un ambiente quando questo e' ancora in fase di
progettazione.
Nel caso virtuale vanno pero' accettate alcune semplificazioni, rispetto al caso reale:
- la diminuzione della funzione di coerenza lungo il percorso di cancellazione
dovuta alla turbolenza dell'aria, quando il ventilatore e' acceso, non puo' essere
simulata in modo dinamico, almeno col presente metodo, basato su singole misure di
funzioni di trasferimento. Si e' pero' visto che la diminuzione della funzione di
coerenza porta ad un calo di prestazione del sistema di controllo, ma non influisce in
maniera sostanziale sul settaggio dei parametri del controllo attivo.
- non si tiene conto del percorso inverso di cancellazione, essendo in questo caso le
uscite della scheda audio collegate direttamente agli ingressi del sistema di controllo.
In pratica, nel caso reale, una parte dell'anti-rumore generato dall'attuatore del controllo
viene campionato dal microfoni di errore e riferimento, seguendo il percorso inverso
dall'attuatore stesso alla sorgente di rumore. Trascurare questo segnale risulta
un'approssimazione accettabile, come si vedra' in seguito dalle misure comparate.
3. METODOLOGIA
Il problema del controllo del rumore e' stato affrontato secondo quattro diverse
modalita' e ne sono stati valutati i risultati in termini di attenuazione acustica del
segnale disturbante. Per le prove sperimentali, sono stati generati toni puri, emessi da
un altoparlante posto in corrispondenza della sorgente di rumore reale (il ventilatore),
al fine di simulare il caso peggiore per il benessere acustico dell'uomo, ovvero la
presenza di una componente tonale, dovuta al motore del ventilatore.
E' chiaro che partendo da toni puri come segnale anecoico, si ottiene un risultato
auralizzato che e' un altro tono puro di diversa fase e ampiezza. Utilizzando invece
registrazioni anecoiche piu' complesse si ottiene un segnale auralizzato che contiene
tutte le informazioni date dalla funzione di trasferimento misurata.
In pratica si sono analizzate le varie combinazioni di controllo utilizzando sia il
modello in scala reale che lo stesso modello simulato in tempo reale da un computer e
sia il dispositivo di controllo DSP (auto-adattativo) che una semplice ed economica
rete sfasatrice analogica, su cui si e' agito manualmente, fino a trovare il valore di
regolazione ottimale in termini di guadagno e sfasamento tra ingresso e uscita.
La scheda DSP EZANC, dotata del microprocessore DSP ADSP2101 della Analog
Devices, prevede l'utilizzo di un algoritmo di controllo di tipo diretto, un filtro
adattativo di tipo IIR e un modello del percorso di cancellazione di tipo FIR. La
regolazione di questo dispositivo sfrutta i risultati di un precedente studio (Guidorzi
1999). Si utilizzano un ingresso per il segnale di riferimento, un ingresso per il segnale
di errore e un uscita per il segnale di cancellazione. Nelle prove sul modello reale (e per
le misure delle funzioni di trasferimento) e' stato utilizzato anche un altoparlante
secondario, posizionato nel vano del ventilatore.
4. RISULTATI E CONCLUSIONI
Si presentano ora i valori di attenuazione ottenuti nei diversi casi di controllo. Da
precedenti prove si era verificato che per l'impianto aeraulico preso in esame il limite
di frequenza superiore su cui il controllo attivo ha efficacia e' fissato intorno ai 500 Hz.
Si presentano solo i risultati misurati con toni puri, essendo questi controllabili anche
con la rete sfasatrice; segnali di rumore bianco limitato in banda (tra 200 e 400 Hz)
sono controllabili dalla scheda DSP, con attenuazioni globali di alcuni dB.
- Controllo di toni puri applicato al modello del condotto aeraulico in scala reale,
realizzato mediante una scheda DSP progettata appositamente per il controllo attivo
(EZANC)
Questa e' l'applicazione classica del sistema di controllo attivo. La configurazione
della prova prevede un microfono di riferimento posizionato vicino al ventilatore e un
microfono di errore posto in prossimita' dell'attuatore, all'uscita del condotto (si e'
scelta questa posizione per avere un comportamento simile a quello del caso virtuale).
Sono state fatte prove sia abilitando che disabilitando, nell'algoritmo di controllo, la
funzione di identificazione del sistema tramite segnale pseudorandom (PRS ON/OFF).
- Controllo di toni puri applicato al modello di condotto aeraulico in scala reale,
realizzato mediante rete sfasatrice analogica regolata manualmente
In questo caso il segnale misurato dal microfono di riferimento viene dato in
ingresso alla rete sfasatrice, la cui uscita e' amplificata e riprodotta dall'attuatore. La
rete sfasatrice viene regolata manualmente affinche' il segnale misurato al microfono di
errore risulti attenuato il piu' possibile.
- Controllo di toni puri applicato al modello virtuale del condotto aeraulico
simulato in tempo reale da un computer e una scheda audio multicanale, realizzato
mediante la scheda DSP (EZANC)
In questo caso gli ingresso del segnale di riferimento e di errore della scheda
EZANC sono stati collegati alle uscite della scheda audio da cui veniva emesso il
segnale auralizzato. L'uscita della scheda EZANC e' stata miscelata con il segnale di
errore. L'algoritmo adattativo di controllo funziona come se agisse sul sistema reale,
con le limitazioni citate in precedenza. E' stata disabilitata, nell'algoritmo di controllo,
la funzione di identificazione del sistema tramite segnale pseudorandom (PRS OFF).
- Controllo di toni puri applicato al modello virtuale del condotto aeraulico
simulato in tempo reale da un computer e una scheda audio multicanale, realizzato
mediante rete sfasatrice analogica regolata manualmente
In questo caso il segnale auralizzato corrispondente al microfono di riferimento
viene dato in ingresso alla rete sfasatrice e miscelato col segnale auralizzato
corrispondente alla posizione del microfono di errore. La rete sfasatrice viene regolata
manualmente affinche' il segnale residuo risulti il piu' possibile attenuato.
Per le prove sono stati utilizzati toni puri a varie frequenze; sono qui presentate le
attenuazioni (in dB) per le misure del tono puro a 200 Hz, del tono puro a 300 Hz e del
tono puro a 800 Hz.
Figura 2 – Comparazione dei risultati
In figura 2 sono riportate le differenze di livello sonoro residuo (in dB) misurate nei
vari casi presentati, attivando e disattivando il sistema di controllo.
Le prove sperimentali sul condotto reale, utilizzando la scheda DSP, sono state
efftuate sia abilitando (PRS ON) che disabilitando (PRS OFF) l'identificazione del
percorso inverso di cancellazione, per renderle maggiormente paragonabili con quelle
del caso virtuale.
Dai risultati delle sperimentazioni, si puo' osservare come dall'applicazione del
controllo al modello reale e a quello virtuale si ottengano risultati di attenuazione
simili, nella zona di funzionamento del controllo (sotto i 500 Hz), confermando la
validita' della metodologia presentata. Risultati simili si possono ottenere per altri toni
puri sotto i 500 Hz. Lo stesso dicasi per la cancellazione del tono puro con sfasamento.
La prova a 800 Hz, effettuata per controprova, fornisce risultati contradditori, come ci
si aspettava.
5. BIBLIOGRAFIA
[1] Nelson P. A., Elliott S. J., Active Control of Sound. (Acc. Press, London, 1992)
[2] Guidorzi P., Garai M. and Cocchi A., Un prototipo di controllo attivo del rumore
in condotti a sezione rettangolare, Atti XXVII Convegno Nazionale AIA, Genova,
Italia, 26-28 maggio, 613-616 (1999)
[3] Cocchi A., Garai M., Guidorzi P., Active noise control in heating, ventilation and
air conditioning systems, presentato a 7th International Congress on Sound and
Vibration, 4-7 luglio 2000, Garmisch-Partenkirchen, Germany
[4] Kido K., Reduction of noise by use of additional sound sources, Procedings of
Inter-Noise ’75, Sendai, Japan, 647-650 (1975)
[5] Snyder S. and Vokalek G., EZ-ANC user’s guide. (University of Adelaide,
Adelaide, 1994)