Kiểm soát tiếng ồn và rung động chủ động (ANVC) là gì?
Các vấn đề về tiếng ồn và độ rung từ các thiết bị công nghiệp như: động cơ, quạt, máy biến áp, máy nén… đang ngày càng thành một mối lo ngại cho sức khỏe cũng như tinh thần của con người khi một ngày phải tiếp xúc với nguồn tiếng ồn và rung động hơn 8 tiếng một ngày.
Tiếng ồn và rung động không chỉ đến từ nơi làm việc mà còn đến từ đời sống bình thường của chúng ta như tiếng ồn và rung động của: giao thông, thiết bị điện tử, thiết bị gia dụng thậm chí các hoạt công cộng cùng gây ra tiếng ồn và rung động.
Hiện nay các phương pháp giảm ồn và giảm rung động thường được áp dụng nhất dựa trên sự kiểm soát thụ động như dụng cụ bảo vệ tai, tường cách âm, bộ giảm thanh, vật liệu hấp thụ âm thanh và độ rung. Kỹ thuật thụ động này hiệu quả trong việc giảm tiếng ồn và độ rung trên một dải tần số rộng. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi khối lượng vật liệu và chi phí đầu tư lớn. Do đó phương pháp kiểm soát tiếng ồn và rung động chủ động (ANVC) được phát triển vào đầu thế kỷ 20 đã đánh dấu một bước tiến mới trong lĩnh vực kiểm soát tiếng ồn và độ rung.
Mục tiêu chính của ANVC
Mục tiêu chính khi ANVC được tạo ra là nhằm cải thiện sự trải nghiệm của hành khách và hiệu quả làm việc của phi hành đoàn bằng cách giảm tiếng ồn và độ rung trong cabin và buồng lái, đặc biệt trên máy bay cánh quạt phản lực và trực thăng, nơi tiếng ồn và rung động hiện tại có thể giới hạn thời gian bay của phi công.
Đồng thời có thẻ tăng cường đặc tính hiệu suất của máy bay bằng cách giảm mức độ rung động, giúp cải thiện khả năng vận hành, tính linh hoạt và tối ưu khả năng sử dụng nhiên liệu. Giúp kéo dài tuổi thọ của máy bay và cải thiện chi phí vòng đời linh kiện bằng cách giảm tải trọng mỏi do tiếng ồn và rung động gây ra.
Nguyên lý hoạt động và Cấu trúc hệ thống ANVC
Kiểm soát Tiếng ồn và Rung động Chủ động hay còn được biết đến bằng cái tên tiếng Anh (Active Noise and Vibration Control – ANVC) là một phương pháp được sử dụng để giảm tiếng ồn và rung động không mong muốn bằng cách tạo ra một âm thanh hoặc rung động thứ cấp được thiết kế đặc biệt để triệt tiêu nhiễu loạn ban đầu.
[(Từ bài biết của Giáo sư Cheng-Yuan Chang) Hệ thống ANVC hoạt động dựa trên nguyên lý chồng chập. Theo đó, một tín hiệu chống ồn và chống rung có cùng biên độ nhưng ngược pha được tạo ra bởi (các) nguồn thứ cấp nhằm triệt tiêu tiếng ồn và rung động không mong muốn (nguồn sơ cấp – primary), dẫn đến việc giảm thiểu tiếng ồn và rung động dư. Hệ thống ANVC rất hiệu quả trong việc suy giảm tiếng ồn và rung động ở tần số thấp, đặc biệt trong các trường hợp mà các kỹ thuật kiểm soát bị động trở nên tốn kém, cồng kềnh và kém hiệu quả.
Trong các ứng dụng thực tế, đặc tính của nguồn tiếng ồn, rung động và môi trường thường thay đổi. Do đó, thành phần tần số, biên độ và pha của tiếng ồn, rung động sơ cấp cũng biến đổi theo. Để giải quyết các vấn đề thay đổi theo thời gian này, hầu hết các hệ thống ANVC sử dụng các bộ lọc thích ứng để theo dõi các biến thiên và các đối tượng điều khiển không xác định. Sự phát triển của các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) mạnh mẽ, giá thành thấp đã thúc đẩy việc triển khai các thuật toán thích ứng tiên tiến nhằm đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn, tăng cường khả năng chống nhiễu và cải thiện hiệu năng hệ thống cho các ứng dụng ANVC thực tế. Cấu trúc điều khiển của ANVC thường được phân loại thành hai dạng chính: điều khiển bù tiến và điều khiển hồi tiếp . Trong điều khiển bù tiến, một cảm biến tham chiếu (ví dụ: micro hoặc gia tốc kế) được sử dụng để cảm nhận tiếng ồn hoặc rung động tham chiếu, cung cấp tín hiệu cho bộ lọc thích ứng nhằm giảm tiếng ồn hoặc rung động có tương quan. Sơ đồ ANVC bù tiến sử dụng một loa thứ cấp hoặc bộ rung (ví dụ: bộ kích hoạt) để tạo ra tín hiệu chống ồn hoặc chống rung, và một cảm biến sai số (ví dụ: micro hoặc gia tốc kế) để thu nhận tiếng ồn hoặc rung động dư. Tín hiệu dư này đóng vai trò là tín hiệu sai số để cập nhật bộ lọc thích ứng. Hệ thống ANVC hồi tiếp chỉ sử dụng một cảm biến sai số và một nguồn thứ cấp mà không cần sử dụng cảm biến tham chiếu “ở phía trước” . Gần đây, nhiều thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến, kỹ thuật triển khai và các ứng dụng thành công của ANVC đã được báo cáo, và một số sản phẩm ANVC đã có mặt trên thị trường.]
Giải thích một cách dễ hiểu hơn: Nguyên lý cơ bản của kiểm soát chủ động là sử dụng sự triệt tiêu lẫn nhau (destructive interference) giữa trường âm thanh hoặc rung động ban đầu và âm thanh hoặc rung động được tạo ra bởi một nguồn phụ có thể kiểm soát được.
Cụ thể hơn đối với kiểm soát âm thanh chủ động (ANC), nguyên lý này hoạt động bằng cách đối kháng sóng âm thanh không mong muốn bằng một sóng âm thanh có biên độ bằng và lệch pha 180 độ so với sóng không mong muốn. Kết quả là các sóng âm thanh triệt tiêu lẫn nhau và âm thanh không mong muốn bị loại bỏ. Nguyên lý này được triển khai trong các cấu trúc thông minh như tai nghe chống ồn, hệ thống làm yên tĩnh máy biến áp, và giảm tiếng ồn bên trong ô tô và máy bay.
Và quy tắc này được lặp lại với kiểm soát rung động chủ động (AVC). Các phương pháp chủ động sẽ tạo ra các nhiễu loạn triệt tiêu để giảm rung động.
Cấu trúc hệ thống ANVC
Một hệ thống ANVC điển hình bao gồm các thành phần như cảm biến, bộ xử lý tín hiệu (DSP), bộ điều khiển, bộ khuếch đại công suất và thiết bị truyền động.
Cảm biến (Sensors): Để phát hiện tiếng ồn hoặc rung động. Các cảm biến phổ biến bao gồm microphone (cho tiếng ồn), strain gauges, sợi quang, gốm áp điện, polyme áp điện (cho rung động trên dầm/tấm), cảm biến dịch chuyển dòng xoáy, cảm biến lực, cảm biến vận tốc áp điện, và gia tốc kế (cho rung động trên các bộ phận)
Tín hiệu từ các cảm biến này được phân tích bởi bộ xử lý trung tâm/kết hợp bộ xử lý tín hiệu số (DSP). Các bộ điều khiển kỹ thuật số sử dụng các thuật toán phức tạp để phân tích hiệu suất hệ thống và thích ứng trong thời gian thực. Hầu hết các ứng dụng ANC thương mại sử dụng bảng DSP với bộ xử lý trung tâm
Dựa trên tín hiệu được phân tích và mô hình hệ thống vật lý, bộ xử lý tạo ra các tín hiệu đầu vào cho bộ khuếch đại công suất. Các bộ khuếch đại công suất điều khiển thiết bị truyền động (như loa cho âm thanh hoặc thiết bị truyền động điện áp, điện từ, thủy lực cho rung động) để tạo ra âm thanh hoặc rung động thứ cấp.
Đối với ANC, bộ truyền động phổ biến nhất là loa. Loa tạo ra một sóng âm “ảnh phản chiếu” có cùng biên độ và ngược pha 180 độ với tiếng ồn không mong muốn, gây ra sự triệt tiêu âm thanh thông qua nguyên lý chồng chất. Các bộ truyền động khác như gốm áp điện và bộ rung điện từ cũng được sử dụng để triệt tiêu tiếng ồn tại nguồn, đặc biệt là rung động trên các tấm.
Đối với AVC, bộ truyền động có thể tạo ra biến dạng (uốn hoặc cắt trong cấu trúc tấm) hoặc tác động tuyến tính trực tiếp trong các bộ phận chịu tải. Các loại bộ truyền động thường dùng bao gồm áp điện, từ biến, hợp kim nhớ hình dạng, điện từ và thủy lực. Bộ truyền động áp điện được ưa chuộng vì băng thông cao, nhỏ gọn hơn từ biến và có tính chất hai chiều. Thủy lực và điện từ được ưa chuộng trong các ứng dụng cần dịch chuyển lớn như hệ thống treo chủ động và triệt tiêu rung giật cánh (flutter suppression)
Tại sao ANVC lại quan trọng?
Rung động có thể gây hư hỏng hoặc ảnh hưởng đến các thiết bị chính xác và/hoặc sức khỏe con người. Ví dụ, rung động có thể gây sai lệch kết quả đo, giảm độ nhạy của con quay hồi chuyển định vị, giảm đáng kể dung sai gia công và làm hỏng bề mặt hoàn thiện trong gia công chính xác. Trong ngành hàng không vũ trụ, rung động gây mỏi vật liệu, giảm hiệu suất bay và giới hạn thời gian bay của phi công. Việc loại bỏ rung động có thể cải thiện độ chính xác quy trình, hiệu suất máy bay, thời gian bay của phi công và ngăn ngừa thiệt hại.
So với các kỹ thuật kiểm soát rung động bị động (passive vibration control) vốn thường làm tăng trọng lượng (ví dụ: thêm lò xo cách ly, bộ giảm chấn), các kỹ thuật chủ động như ANVC thường có mức tăng trọng lượng thấp hơn. Ngoài ra, băng thông dự kiến của công nghệ ANVC được cho là vượt trội hơn kỹ thuật bị động.
Sự phát triển của ANVC được thúc đẩy bởi các cơ quan quản lý và tính cạnh tranh trong ngành hàng không vũ trụ thương mại, đòi hỏi máy bay có hiệu suất cao hơn. ANVC được kỳ vọng sẽ giảm mức độ tiếng ồn và rung động đồng thời đáp ứng nhu cầu cạnh tranh về cấu trúc nhẹ.
Hiện tại các ứng dụng thương mại của ANVC đang được phát triển bao gồm: tai nghe chống ồn, hệ thống giảm tiếng ồn cho máy biến áp, giảm tiếng ồn trong cabin máy bay và ô tô, ống dẫn quạt và máy thổi, bộ giảm thanh chủ động, giá đỡ động cơ chủ động, hệ thống treo chủ động và kiểm soát rung giật cánh.
Đồng thời công nghệ ANVC được quan tâm bởi các nhà sản xuất máy bay (cánh cố định và cánh quay), nhà cung cấp cảm biến/bộ truyền động và điện tử hàng không. Ngoài ra, các ứng dụng tiềm năng cũng tồn tại trong lĩnh vực ô tô, công nghiệp và tiêu dùng
Để được tư vấn các giải pháp về âm thanh cũng như giải pháp giảm ồn, tiêu ồn cho nhà hàng, khách sạn vui lòng liên hệ đội ngũ kỹ sư chuyên nghiệp của Lidinco theo thông tin bên dưới
Thông tin liên hệ
CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
HCM: 028.39778269 – 028.36016797 – (Zalo) 0906.988.447
Skype: Lidinco – Email: sales@lidinco.com
Bắc Ninh: 0222.7300180 – Email: bn@lidinco.com
