Ingeniería avanzada para sistemas de control de ruido acústico mediante técnicas adaptativas

Resumen

Esta tesis muestra el desarrollo e implementación de un sistema de control activo de ruido simple, robusto y de bajo coste. La bondad del sistema del control está limitado por el fenómeno acústico, los transductores electro-acústicos y por el diseño del controlador electrónico. El control activo de ruido sólo es eficaz a bajas frecuencias (<500 Hz) y en zonas o recintos de pequeñas dimensiones y en conductos. Asimismo, la selección y ubicación de los transductores electro-acústicos determinan la estabilidad y la atenuación acústica del sistema. El diseño del controlador electrónico, con todas sus posibles variantes, se analiza de forma exhaustiva con objeto de obtener los mejores parámetros de funcionamiento de los algoritmos adaptativos utilizados: algoritmos de entrada filtrada filtered-X/U LMS y algoritmos genéticos. La estimación de la función de transferencia de cancelación es muy importante en los algoritmos de entrada filtrada ya que los errores de esta estima determinan la estabilidad global del sistema de control. En este sentido, se ha optado por una estimación on-line para dar robustez al sistema frente a las posibles variaciones que pueda sufrir esta función de transferencia a lo largo del tiempo. Dos nuevos algoritmos adaptativos se presentan en esta tesis: el algoritmo de entrada filtrada filtered-X notch LMS con una estimación on-line de la función de transferencia de cancelación y un algoritmo genético simplificado. El primero es un algoritmo de búsqueda por gradiente basado en un filtro notch adaptativo de dos coeficientes al que se le han añadido otros dos coeficientes adaptativos suplementarios para estimar dinámicamente la función de transferencia de cancelación. La atenuación sólo se produce en un margen de frecuencias del ruido, centrado en la frecuencia de una sinusoide generada por propio algoritmo y que actúa como señal de referencia. Por otra parte, el algoritmo genético es una versión simplificada de los algoritmos genéticos, los cuales realizan la búsqueda de los coeficientes óptimos de una forma aleatoria. Las mejoras que presenta este algoritmo son: mínimo coste computacional, robustez y un bajo residuo final, cercano al residuo alcanzado por algoritmos adaptativos de gradiente. Como característica fundamental cabe destacar que la búsqueda aleatoria está gobernada por el nivel del residuo. Estos últimos algoritmos propuestos así como el algoritmo de entrada filtrada filtered-X/U LMS con estimación on-line de la función de transferencia han sido implementados en dos tarjetas de procesado de señal de bajo coste: DSK TMS320C26 de Texas Instruments y EZ-KIT Lite de Analog Devices. Ambas tarjetas han sido evaluadas previamente para determinar las limitaciones de las mismas a la hora de realizar dicha implementación. Se ha efectuado un detallado análisis de los recursos consumidos de cada procesador (memoria y tiempo de proceso) en la implementación de cada uno de los algoritmos. Los resultados de atenuación conseguidos superan con facilidad los 20 dB para ruidos periódicos (fijos o cambiantes) utilizando únicamente altavoces auto-amplificados (del mismo ordenador) y un simple micrófono electret. En ruidos aleatorios la atenuación es sensiblemente inferior (< 5 dB) y apenas se percibe acústicamente.