Absorption acoustique active dans les cavités auditives

We intend to describe the active noise control (A.N.C.) system, settled in the Laboratory of Mechanics + Acoustics (L.M.A.) for all kind of auditory cavities: helmets, headsets, ear plugs …, with passive acoustic insulation. This active system has to control the disturbing noise in a dynamic way, essentially in the frequency area, where the passive systems are inefficient. To our knowledge all studies undertaken in this field so far gave only a few convincing results. They were always developed in an empirical way and for only one kind of helmet. Modelling and determination techniques by the numerical simulation that we propose, allow a general and rigorous study of the problem, and a systematic application of the results, whatever is the considered cavity.

In order to implement a broadband “antinoise” in real time, we used a feedback system. The feedback loop is fitted out with electronic filtering. The role of the filter is to condition the modulus and the phase of the transfer function of the electro-acoustic system. Thus it is possible to control the frequency range of the application of the active noise control, the broadband and the absorbed sound energy, while retaining the stability of the looped system. The determination of the electronic filter parameters required is made with numerical algorithms of optimization, using the transfer function of the physical system according to its sampled shape. The experimental results that we present relate to various types of commercial helmets and headsets with passive insulation, as well as the prototype of an ear plug constructed at the L.M.A. Electronic filtering was carried out starting with simple analogical electronics. The antinoise measured in these auditory cavities show good system effectiveness. To conclude this work, we study the transmission of a communication signal in the cavity under antinoise conditions. Several solutions are possible, but only one provides an interesting result.

Sommaire

On se propose de décrire un système d'absorption acoustique active (A.A.A.), mis au point au L.M.A. pour compléter les protections individuelles du type: casque, serre-tête, bouchon d'oreille …, à isolement passif. Ce système actif absorbe de manière dynamique le bruit gênant, essentiellement dans la zone des fréquences où les systèmes passifs sont inefilcaces. A notre connaissance, les études entreprises dans ce domaine n'avaient donné jusqu'à présent que des résultats peu probants. Elles étaient développées de manière empirique et pour seulement un type de casque donné. Les techniques de modélisation et de simulation numérique que nous proposons permettent une étude générate et rigoureuse du problème, ainsi qu'une application systématique des résultats quelle que soit la cavité considérée.

Afin de réaliser un «antibruit» large bande en temps réel, nous avons utilisé un système de rétroaction dont la boucle de retour est équipée d'un filtrage électronique. Le rôle de ce filtre est de conditionner le module et la phase de la fonction de transfert du système électroacoustique. Ainsi est-il possible de maîtriser la zone fréquentielle d'application de l'antibruit actif, la largeur de bande et l'énergie acoustique absorbée, tout en conservant la stabilité du système bouclé. La détermination des paramètres du filtre électronique de mise en forme est faite au moyen d'algorithmes numériques d'optimisation utilisant la fonction de transfert du système physique sous sa forme échantillonnée. Les résultats expérimentaux que nous présentons sont relatifs à différents types de casques et serre-tête passifs du commerce, ainsi qu'à un prototype de bouchon d'oreille réalisé au L.M.A. Le filtrage électronique est réalisé à partir d'une électronique analogique très simple. L'antibruit mesuré dans ces cavités auditives démontre la grande efficacité du système. Pour conclure ce travail, nous étudions la transmission d'un signal de communication dans la cavité en régime antibruit. Plusieurs solutions sont possibles, mais une seule fournit un résultat intéressant.

Zusammenfassung

Es soil ein System zur aktiven Schallabsorption (A.A.A.) beschrieben werden, das im L.M.A. zur Ergänzung von passiven, persönlichen Gehörschutzmitteln verwendet werden soll (Helm, Hörschutzkapsel, Ohrstöpsel). Dieses aktive System absorbiert störende Geräusche dynamisch vor allem in Frequenzbereichen, wo die passiven Systeme unwirksam sind. Unseres Wissens haben Untersuchungen auf diesem Gebiet bisher zu wenig überzeugenden Ergebnissen geführt. Sie wurden empirischer Weise und jeweils nur für eine bestimmten Helm entwickelt.

Die von uns vorgeschlagene Technik der Modellierung der numerischen Simulation erlaubt dagegen eine allgemeine und strenge Behandlung des Problems und zugleich eine systematische Anwendung auf beliebige Hohlräume.

Zur Realzeit-Realisierung einer breitbandig wirkenden ,,Antilärm“-Anordnung wurde ein Gegenkopplungssystem verwendet. Der Gegenkopplungsweg enthält ein elektronisches Filter. Dies hat die Aufgabe, die Übertragungsfunktion des elektroakustischen Systems nach Betrag und Phase zu beeinflussen. Dadurch ist es möglich, den Frequenzbereich der aktiven Geräuschminderung, die Bandbreite und die absorbierte Energie zu regeln unter Beibehaltung der Stabilität des gegengekoppelten Systems. Die Bestimmung der Filterparameter erfolgt mit numerischen Optimierungsalgorithmen, welche die Übertragungsfunktion des Analogsystems in diskretisierter Form heranziehen.

Die vorgestellten experimentellen Ergebnisse beziehen sich auf verschiedene, handelsübliche Typen von Helmen und Gehörverschlussen sowie auf den Prototyp eines im L.M.A. hergestellten Ohrstöpsels. Die elektronische Filterung wird mit einer sehr einfachen, analogen Elektronik realisiert. Die in diesen Hohlräumen gemessene Lärmminderung stellt die große Wirksamkeit dieses Systems unter Beweis. Zum Schluß dieser Arbeit wird die Übertragung eines Kommunikationssignals im Hohlraum bei Betrieb des Antilärmsystems untersucht. Es gibt verschiedene Lösungsmöglichkeiten, aber nur eine davon führt zu einem interessanten Ergebnis.