Wytyczne doboru i sposobu rozmieszczania elementów składowych układów aktywnej redukcji hałasu w dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych

Wytyczne dotyczące doboru rozwiązania technicznego systemu aktywnej redukcji hałasu w dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych i sposobu rozmieszczenia jego elementów składowych w zależności od warunków panujących w kabinie.
Wybór rozwiązania technicznego systemu aktywnej redukcji hałasu w zależności od warunków panujących w kabinie
Przy wyborze rozwiązania technicznego systemu aktywnej redukcji hałasu w dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych należy zwrócić uwagę na dwa zasadnicze spostrzeżenia mogące uprościć ten wybór:
1. Niektóre z warunków panujących w dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych w sposób bezpośredni wykluczają lub wskazują dane rozwiązanie techniczne systemu aktywnej redukcji hałasu.
2. Właściwości poszczególnych rozwiązań technicznych systemu aktywnej redukcji hałasu stanowią pewien kompromis między skutecznością, stabilnością i ergonomią użytkowania.
W wyborze rozwiązania technicznego systemu aktywnej redukcji hałasu pomocna będzie Tabela 4.1. Przedstawiono w niej najważniejsze z punktu widzenia użytkownika właściwości poszczególnych rozwiązań technicznych: skuteczność stabilność i ergonomię użytkowania.

Tabela 4.1. Właściwości poszczególnych rozwiązań technicznych systemu aktywnej redukcji hałasu.

Duża skuteczność i stabilność słuchawek aktywnych łączy się z małą ergonomią ich użytkowania. Odwrotna relacja zachodzi w przypadku układu do realizacji stref ciszy. Jego dobre własności ergonomiczne idą w parze z niewielką skutecznością i stabilnością. Aktywny zagłówek pod względem swoich cech stanowi rozwiązanie pośrednie.

Warunki akustyczne
Poziom ciśnienia akustycznego/poziom dźwięku A
Najważniejszym czynnikiem wpływającym na wybór rozwiązania technicznego systemu aktywnej redukcji hałasu jest poziom dźwięku A hałasu panującego we wnętrzu kabiny i związane z tym poziomem ryzyko ekspozycji na nadmierny hałas. Przy poziomach dźwięku A przekraczającym dopuszczalne normy hałas panujący w kabinie jest czynnikiem szkodliwym, przy niższych poziomach dźwięku A jest on czynnikiem uciążliwym.
! Zadaniem o najwyższym priorytecie dla systemu aktywnej redukcji hałasu jest obniżenie poziomu dźwięku A do wartości przy których przestaje być on czynnikiem szkodliwym. Należy zatem zastosować takie rozwiązanie techniczne, które umożliwi uzyskanie wymaganej skuteczności aktywnej redukcji. Względy ergonomiczne mają w takim przypadku znaczenie drugoplanowe, chyba, że zastosowane rozwiązanie uniemożliwia wykonywanie wymaganych czynności zawodowych. W takim przypadku należy poszukać innych rozwiązań mogących ograniczyć narażenie na nadmierny hałas.
W przypadku gdy poziom dźwięku A jest znacznie powyżej dopuszczalnych wartości najlepszym rozwiązaniem są słuchawki aktywne, nieco gorszym jest aktywny zagłówek a najmniej efektywnym układ do realizacji stref ciszy. Gdy poziom dźwięku A przekracza nieznacznie dopuszczalne wartości (do kilku decybeli) każde z proponowanych rozwiązań może być na tyle skuteczne aby zapewnić wymagane obniżenie poziomu hałasu. O wyborze danego rozwiązania w takim przypadku decydują inne czynniki takie jak → widmo hałasu, rozkład poziomu ciśnienia akustycznego. W przypadku gdy hałas panujący w kabinie jest czynnikiem uciążliwym decydujące znaczenie w wyborze rozwiązania może mieć → ergonomia użytkowania.
! W przypadku korzystnych warunków dotyczących → widma hałasu i rozkładu poziomu ciśnienia akustycznego układ do realizacji stref ciszy oraz zagłówek aktywny mogą osiągać wystarczająco dużą skuteczność oraz stabilność aby zastosować je w warunkach znacznych przekroczeń wartości dopuszczalnych poziomu dźwięku A hałasu. Działanie tych układów powinno być jednak zweryfikowane w sposób eksperymentalny.

Widmo hałasu
Opracowany system aktywnej redukcji hałasu przeznaczony jest do redukcji hałasów o charakterze wąskopasmowym, w szczególności hałasów mających postać pojedynczego tonu lub sumy tonów o różnych częstotliwościach. W przypadku hałasu mającego postać sumy tonów o różnych częstotliwościach najefektywniejszym rozwiązaniem są słuchawki aktywne, nieco gorszym jest aktywny zagłówek a najmniej efektywnym układ do realizacji stref ciszy. Układ do realizacji stref ciszy zachowuje wystarczającą stabilność jedynie w przypadku redukcji pojedynczej składowej tonalnej hałasu.
! Działanie zagłówka aktywnego w warunkach hałasu mającego postać sumy wielu harmonicznych należy zweryfikować eksperymentalnie. Niekorzystny → rozkład poziomu ciśnienia akustycznego może prowadzić do małej skuteczności układu bądź do utraty jego stabilności.
! Poprawne działanie układu w warunkach hałasu szerokopasmowego wymaga opracowania innego sposobu sterowania systemem.

Rozkład poziomu ciśnienia akustycznego 
Wnętrza dźwiękoizolacyjnych kabin przemysłowych charakteryzują się skomplikowanym rozkładem poziomu ciśnienia akustycznego. Ze względu na kształt i konstrukcję kabiny dla niskich częstotliwości akustycznych i dla hałasów o charakterze wąskopasmowym występuję zjawisko fali stojącej. Powoduje ono powstawanie we wnętrzu kabiny zarówno obszarów o podwyższonym jak i o obniżonym poziomie ciśnienia akustycznego. Dodatkowo w zakresie najniższych częstotliwości może dochodzić do niekorzystnych zjawisk rezonansowych powodujących podniesienie poziomu ciśnienia akustycznego w niektórych obszarach kabiny.
Rozkład poziomu ciśnienia akustycznego ma duże znaczenie w przypadku układu do realizacji stref ciszy oraz w przypadku zagłówka aktywnego. Przypadkowe umieszczenia mikrofonu sygnału błędu w miejscu, w którym występuje obszar niskiego poziomu ciśnienia akustycznego może prowadzić do niskiej skuteczności układu. W przypadku układu do realizacji stref ciszy duże znaczenie mają także odbicia i nakładanie się fal akustycznych pochodzących ze źródeł wtórnych tego układu. Wzajemne zakłócanie się kanałów tego układu jest podstawową przyczyną jego małej stabilności. Rozwiązaniem najbardziej odpornym na niekorzystny rozkład poziomu ciśnienia akustycznego w kabinie są słuchawki aktywne. Obszar w którym znajdują się źródła wtórne i mikrofony sygnału błędu ogranicza się do bardzo niewielkich przestrzeni wokół uszu pracownika, w których występuje jednolity rozkład poziomu ciśnienia akustycznego.
W przypadku skomplikowanych rozkładów poziomu ciśnienia akustycznego we wnętrzu kabiny najefektywniejszym rozwiązaniem są słuchawki aktywne, nieco gorszym jest aktywny zagłówek a najmniej efektywnym układ do realizacji stref ciszy.

Warunki przestrzenne i eksploatacyjne
Warunki przestrzenne i eksploatacyjne panujące w dźwiękoizolacyjnej kabinie przemysłowej są jednym z najważniejszych czynników mogących prowadzić do odrzucenia danego rozwiązania technicznego. Wynika to z dwóch powodów:
1. Zastosowanie układu aktywnej redukcji nie może ograniczać zdolności pracownika do wykonywania powierzonych mu zadań oraz nie może być powodem powstawania sytuacji niebezpiecznych mogących prowadzić do wypadku.
2. Zastosowanie układu aktywnego wymaga odpowiedniej ilości wolnego miejsca w kabinie potrzebnego do umieszczenia źródeł wtórnych.
W dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych ilość wolnej przestrzeni jest najczęściej bardzo ograniczona co może uniemożliwiać zastosowanie układu do realizacji stref ciszy. Układy mające mniejsze wymagania przestrzenne – zagłówek aktywny i słuchawki aktywne – mogą ograniczać zdolności postrzegawcze bądź zakres ruchów pracownika.
! Należy upewnić się czy zastosowanie danego rozwiązania systemu do aktywnej redukcji hałasu nie ogranicza zdolności postrzegawczych oraz zakresu ruchów pracownika do w stopniu mogącym przyczynić się do powstania wypadku.

Ergonomia użytkowania
Rozwiązaniem, które z punktu widzenia pracownika przebywającego w dźwiękoizolacyjnej kabinie przemysłowej jest najmniej ergonomiczne są słuchawki aktywne. Nawet użytkowanie bardzo lekkich słuchawek otwartych może po dłuższym czasie użytkowania wywoływać u pracownika uczucie dyskomfortu związanego z uciskiem na małżowiny uszne bądź dyskomfortu termicznego. Odczuwanie przez pracownika subiektywnie dużego dyskomfortu może powodować, że pracownik niechętnie będzie korzystał z tego typu ochrony, narażając się na utratę słuchu, lub też prowadzić do obniżenia poziomu koncentracji. Lepszym rozwiązaniem pod względem ergonomii jest zagłówek aktywny, należy jednak pamiętać, że przy pewnych ustawieniach może on ograniczać zdolności obserwacji lub zakres ruchów pracownika, utrudniając wykonywanie obowiązków zawodowych. Najlepszym rozwiązaniem pod względem ergonomii użytkowania jest układ do realizacji stref ciszy. Dla tego układu źródła wtórne i detektory sygnału błędu mogą być umieszczone na tyle daleko głowy pracownika, by nie zmniejszać jego zdolności obserwacyjnych czy też ruchowych, oraz aby nie wywoływać u pracownika wrażenia dyskomfortu.

Sposób rozmieszczenia elementów składowych systemu aktywnej redukcji hałasu w dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych.
Z punktu widzenia skuteczności i stabilności systemu aktywnej redukcji hałasu najkorzystniejsze jest umieszczanie detektorów sygnału błędu oraz źródeł wtórnych jak najbliżej uszu chronionego pracownika.
Umieszczenie detektorów sygnału błędu w pobliżu uszu pracownika powoduje, że układ posiada najbardziej precyzyjne informacje co do swojej skuteczności w strefie, którą jesteśmy najbardziej zainteresowani. Oddalanie mikrofonów od uszu pracownika powoduje, że parametry fal akustycznych docierających do uszu pracownika są określane z większym przybliżeniem, co prowadzi do zmniejszenia skuteczności systemu.
Umieszczenie źródeł wtórnych blisko uszu pracownika zmniejsza przede wszystkim wzajemne oddziaływanie na siebie poszczególnych kanałów akustycznych co jest korzystne z punktu widzenia stabilności układu.
Przy rozmieszczaniu elementów układu aktywnej nie należy jednak zapominać o → ergonomii użytkowania oraz o warunkach przestrzennych i eksploatacyjnych.

Wytyczne dotyczące doboru elementów składowych systemu aktywnej redukcji dźwięku ze względu na ich parametry fizyczne.
Przetworniki elektroakustyczne
Przetworniki elektroakustyczne zastosowane stosowane w układach aktywnej redukcji hałasu powinny charakteryzować się jak najniższą częstotliwością rezonansową, płaską charakterystyką częstotliwościową w użytecznym zakresie oraz dużą skutecznością. Wymogi te są trudne do spełnienia szczególnie w przypadku przetworników słuchawkowych o małych rozmiarach. Zbyt mała skuteczność w zakresie niskich częstotliwości akustycznych dla wysokich poziomów ciśnienia akustycznego redukowanego hałasu powoduje, że układ sterujący doprowadza do przesterowania przetworników akustycznych na skutek czego powstają zniekształcenia nieliniowe sygnału i dodatkowe składowe częstotliwościowe w widmie sygnału kompensującego.

Źródła wtórne
Ze względu na uzyskanie jak najniższej częstotliwości rezonansowej głośnika w obudowie zamkniętej korzystne jest stosowanie obudów głośnikowych o jak największych rozmiarach. Zbyt duże rozmiary źródeł wtórnych mogą jednak uniemożliwić zastosowanie systemu aktywnej redukcji ze względu na ograniczenia przestrzenne bądź pogardzać ergonomię danego rozwiązania.

Detektory sygnału błędu
W opracowanych rozwiązaniach układu aktywnej redukcji hałasu do zastosowania w dźwiękoizolacyjnych kabinach przemysłowych używane są mikrofony elektretowe o średnicach ½” i ¼”. Mikrofony te powinny mieć płaską charakterystykę przenoszenia, szczególnie w zakresie niskich częstotliwości akustycznych. Większość dostępnych na rynku mikrofonów elektretowych o średnicy ¼” charakteryzuje się bardzo małą skutecznością przetwarzania w zakresie niskich częstotliwości akustycznych, na co należy zwrócić szczególną uwagę w czasie budowy systemu aktywnej redukcji hałasu.

Analogowe układy elektroniczne
W przypadku rozwiązań, dla których źródła wtórne systemu aktywnej redukcji hałasu znajdują się w bezpośredniej bliskości uszu pracownika, ważne jest zastosowanie niskoszumnych układów elektronicznych i rozwiązań układowych jak też odpowiednia separacja części analogowej układu od części cyfrowej w celu zmniejszenia szumów i zakłóceń występujących w systemie.

Układ sterujący
Przy wyborze układu sterującego należy zwrócić uwagę przede wszystkim na właściwości przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych (rozdzielczość, czas konwersji), oraz możliwości obliczeniowe procesora układu, decydujące o zakresie pracy systemu aktywnej redukcji. Czas potrzebny na wykonanie operacji arytmetycznych na próbkach sygnałów jest górnym ograniczeniem dla maksymalnej częstotliwości próbkowania sygnałów, a więc determinuje maksymalną częstotliwość dla której układ działa poprawnie.