Achtergrond
Actieve dempende lagers pakken geluid en trillingen aan bij bron
4 maart 2009
Voor enkele van zijn lidbedrijven ontwikkelde het FMTC een actieve lager om geluid en trillingen in roterende machines te dempen. Deze lager onderdrukt stoorkrachten die zich vanuit de as voortplanten naar het machineframe en daar geluid genereren. Het resultaat is een geluidsreductie van meer dan 10 dB. Voor de fundamentele ontwikkelingen deed het FMTC een beroep op de expertise rond actieve geluidscontrole van de KU Leuven.
Gedreven door de strengere Europese voorschriften evolueert de markt naar steeds stillere machines. Een goede geluidskwaliteit vormt een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp van nieuwe systemen. De huidige maatregelen voor het beperken van structureel geluid, dat wil zeggen het geluid van trillende machineonderdelen, omvatten nagenoeg alleen passieve technieken, zoals absorptie en isolatie. Deze zijn echter niet effectief voor de onderdrukking van lage geluidsfrequenties. Dit maakt dat actieve technieken, die wel effectief zijn bij lage frequenties, in de toekomst hun opmars zullen maken.
Samen met de afdeling Productietechnieken, Machinebouw en Automatisering (PMA) van de KU Leuven ontwikkelde het Flanders’ Mechatronics Technology Centre (FMTC) een actieve lager met ingebouwde piëzo-elementen. De focus in dit project lag op actieve geluidsonderdrukking bij machines met ronddraaiende elementen. In de producten van de Vlaamse machinebouw stikt het van de roterende systemen met hoge geluidsniveaus, bijvoorbeeld bij weefgetouwen, tandwielkasten en compressoren.
Figuur 1: Het FMTC en de afdeling PMA van de KU Leuven hebben een actieve lager ontwikkeld om geluid en trillingen te dempen in roterende machines.
Bladveren en gatscharnieren
Een populair concept voor actieve geluidscontrole is actieve structurele akoestische controle (Asac). Daarbij beïnvloedt een structurele actuator het trillingspatroon van de geluidsafstralende structuur zodat de akoestische energie wordt geminimaliseerd. Dit kan door rechtstreeks in te werken op de trillingen van de geluidsafstralende oppervlakken zoals platen, maar ook door de trillingsvoortplanting van de bron naar deze oppervlakken te onderdrukken.
De trillingen in een machine planten zich dikwijls voort van één centrale stoorbron via verschillende paden naar meerdere geluidsafstralende onderdelen. Hoe verder van deze bron we ingrijpen in de overdracht, hoe groter het aantal plaatsen waarop we de trillingen moeten compenseren. Het FMTC koos er daarom voor het geluid bij roterende machines te verminderen door zo dicht mogelijk bij de bron te werken. In deze systemen is er typisch sprake van een tandwielingrijping of een onbalans die op de as een stoorkracht uitoefent die zich vervolgens via de lagers voortplant naar het frame en de geluidsafstralende panelen.
Het FMTC ontwikkelde een piëzoactieve ringvormige module rond een lager, die de krachtoverdracht van een as naar het frame kan beïnvloeden. Zowel in horizontale als verticale richting hebben we twee piëzo-elementen ingebouwd (Figuur 1). Het ene element gebruiken we telkens als actuator door er een spanning over aan te leggen en zo een kracht te genereren, met het andere bepalen we de doorgegeven kracht door het ladingsverschil eroverheen te meten. Beide principes hebben we toegepast in de actieve lager, zodat we zowel in horizontale als in verticale richting beschikken over een piëzoactuator en -sensor. Door met de actuator een secundaire kracht te genereren die in tegenfase is met kracht die de sensor opmeet, kunnen we de krachtoverdracht door de lager theoretisch volledig opheffen.
Figuur 2: De mogelijkheden van de actieve lager zijn getest met een representatieve experimentele opstelling.
Bij het ontwerp van de lager hebben we getracht om de piëzoactuatoren en –sensoren in horizontale en verticale richting zo goed mogelijk te ontkoppelen. Dit houdt in dat de sensor bijna niets voelt als de actuator loodrecht erop een kracht uitoefent. Bijkomend voordeel is dat het controleontwerp gemakkelijker wordt. De ontkoppeling hebben we gerealiseerd door bladveren en gatscharnieren in de lager aan te brengen (zie Figuur 1). Een tweede reden voor het toevoegen van bladveren en scharnieren in serie met de piëzo-elementen was om de afschuifbelasting van de piëzo’s te beperken en zo een voldoende levensduur te kunnen garanderen. De toegevoegde onderdelen laten een relatieve radiale beweging toe tussen as en frame, maar leggen wel de andere vrijheidsgraden vast.
De mogelijkheden van de actieve lager hebben we getest met een representatieve experimentele opstelling (Figuur 2). Hierin drijft een motor een as aan die via een actieve hoekcontactlager met piëzomodule rond en een cilinderlager in een frame is gemonteerd. Om een efficiënte geluidsafstraling mogelijk te maken, hebben we aan dit frame een dunne plaat verbonden. Een shaker simuleert de stoorkracht op de as. Deze kracht plant zich via de lagers voort naar het frame. Daardoor begint ook de dunne plaat te trillen en geluid in de omgeving te verspreiden.
De verschillende onderdelen hebben we zo gedimensioneerd dat er verschillende plaatresonanties, enkele frameresonanties en de asresonantie optreden in het bestudeerde frequentiegebied beneden 1 kHz, waar we geluidsreductie beogen. De radiale speling, die gewoonlijk aanwezig is in de lagers van een industriële machine, hebben we weggelaten in de opstelling om de slag van de piëzoactuatoren niet te beperken. Dit was enkel mogelijk door een zorgvuldig ontwerp en nauwkeurige productie van alle onderdelen.
Figuur 3: Door het signaal van de krachtsensor terug te koppelen naar de actuator is zowel de doorgegeven kracht (links) als het afgestraalde geluid (rechts) rond de asresonantie (700 Hz) sterk te reduceren.
Trillingsvoortplantingspaden
De ontwikkeling van een actief controlesysteem vereist ook een regelalgoritme dat de stuursignalen voor de actuatoren berekent op basis van de opgemeten sensorsignalen. Hoewel in de ontworpen actieve lager twee piëzoactuatoren en twee piëzosensoren aanwezig zijn, hebben we toch niet gekozen voor een regelsysteem met twee in- en twee uitgangen. Door het ontwerp van de lager zijn de piëzoactuatoren en -sensoren in horizontale en verticale richting sterk ontkoppeld, zodat het mogelijk is om het systeem aan te sturen via twee afzonderlijke algoritmes met slechts één in- en uitgang. Het ene algoritme verwerkt het signaal van de horizontale piëzosensor voor de sturing van de horizontale piëzoactuator, het tweede gebruikt het signaal van de verticale sensor voor de sturing van de verticale actuator.
Deze keuze voor twee Siso-systemen (Single Input Single Output) in plaats van één Mimo-systeem (Multiple Input Multiple Output) vereenvoudigt het ontwerp van de controlefilters sterk. Door hun nevengeschikte positie in de actieve lager blijft de dynamica tussen de horizontale (respectievelijk verticale) piëzoactuator en -sensor relatief eenvoudig. Bovendien is de gekozen aanpak uitermate geschikt voor het ontwerp van een robuuste feedbackregelaar van beperkte complexiteit.
De performance van de ontwikkelde feedbackregeling hebben we getest door met de shaker een kracht op de as uit te oefenen bij alle frequenties tot 1 kHz. Figuur 3 toont de verandering van de opgemeten kracht en het afgestraalde geluid wanneer we de regelaars aanschakelen. Het is duidelijk dat rond 700 Hz, de frequentie van asresonantie, de actieve lager zowel de doorgegeven kracht als het geluid sterk kan verminderen. Geluidsreducties tot 20 dB behoren tot de mogelijkheden.
Bij excitatiefrequenties onder de asresonantie (onder 500 Hz) kunnen we met de voorgestelde strategie geen geluidsonderdrukking meer bewerkstelligen. Hier zijn twee redenen voor. Ten eerste is het niet mogelijk om een stabiele feedbackregelaar te ontwerpen die de opgemeten kracht voldoende kan reduceren in dit frequentiegebied. Ten tweede neemt bij lage frequenties het belang van secundaire trillingsvoortplantingspaden doorheen de passieve lager en de bladveren en scharnieren toe zodat het primaire voortplantingspad door de piëzo-elementen heen niet meer overheerst. Hierdoor is de opgemeten kracht geen goede maat meer voor de effectief doorgegeven kracht tussen as en frame.
Figuur 4: Het regelschema voor de actieve lager bestaat uit twee delen. Een repetitieve regelaar op basis van de frametrillingen is actief onder 500 Hz. Daarboven komt een feedbackregelaar op basis van de opgemeten kracht in actie.
Aangezien zowel de primaire als de secundaire trillingsvoortplantingspaden doorheen de lagers samenkomen in het frame, is de grootte van de frametrillingen een goede indicatie van de totale krachtoverdracht van as naar frame. Een vermindering van de frametrillingen leidt tot een reductie van de krachtoverdracht tussen as en frame en eveneens tot een vermindering van het door de plaat gegenereerde geluid. Op het deel van de lager dat vast verbonden is met het frame hebben we een accelerometer gezet. Die gebruiken we als foutsensor voor een tweede algoritme, dat de aansturing van de piëzoactuatoren regelt in het frequentiegebied van 150 tot 500 Hz (Figuur 4). Onder 150 Hz straalt de opstelling geen geluid meer af, boven 500 Hz regelen we de actuatoren op basis van de krachtsensor.
We hebben de signalen van de piëzosensor en de accelerometer op het frame gecombineerd om geluidsreductie te kunnen creëren over een breder frequentiegebied. In het bijzonder was het de bedoeling om een regelsysteem te maken dat het geluid kan dempen in het volledige domein onder 1 kHz. Door de accelerometer op de buitenring van de actieve lager te plaatsen, blijft het modulaire karakter van de lager behouden.
Niet te onderschatten kosten
De dynamica van het te regelen systeem tussen de piëzoactuator en de frameacceleratie is wel een stuk complexer dan die tussen de nevengeschikte actuator en sensor. Dit bemoeilijkt het ontwerp van het regelalgoritme. Het zorgt er zelfs voor dat het onmogelijk is om een performante, stabiele feedbackregelaar te implementeren voor dit systeem. Bij roterende machines is de storing echter vaak periodiek. Wanneer we daarmee rekening houden bij het controleontwerp, kunnen we de harmonische componenten van de rotatiesnelheid onderdrukken.
Figuur 5: Na een korte overgangsperiode slaagt de lerende regelaar erin om de plaattrillingen bij 380 Hz te onderdrukken met ongeveer 10 dB.
Een interessante techniek hiervoor is adaptieve repetitieve controle, waarbij een lerende regelaar een nieuwe periode van de stoortrillingen in het frame wegregelt op basis van de opgemeten trilling in de vorige periode. Zoals geïllustreerd in Figuur 5, is het mogelijk om periodieke trillingen tussen 150 en 500 Hz na een korte convergentieperiode van minder dan 5 seconden, waarin de repetitieve regelaar de storing leert onderdrukken, te reduceren met minstens 10 dB. Deze vermindering van de frametrillingen leidt tot geluidsreducties van ongeveer 10 dB op de plaatresonanties.
Door de periodieke storingen zijn roterende machines een ideaal toepassingsdomein voor lerende controletechnieken. Vaak kunnen we de performance van een tijdsinvariant controlesysteem sterk verhogen door een lerende actie toe te voegen. In dit geval kunnen we door de complexe dynamica zelfs helemaal geen performance behalen zonder lerende regeling.
Ondanks de goede resultaten die we hebben behaald in het project is een implementatie in productie vermoedelijk nog niet voor morgen. De levensduur van de ingebouwde piëzo’s is nog steeds vrij beperkt, vooral voor actieve controletoepassingen. Daarnaast spelen de niet te onderschatten kosten van de actieve lager een rol. Voor een randfenomeen zoals geluid zijn deze uitgaven niet altijd te verantwoorden.
In de toekomst zal de toepassing van actieve geluidsreducerende technieken echter onvermijdelijk worden. We verwachten niet dat de industrie de resultaten direct oppikt, maar naarmate de kosten afnemen, de betrouwbaarheid toeneemt van de verschillende componenten in een actief controlesysteem (actuatoren, sensoren en controle-eenheid) en de wetgeving rond geluid strenger wordt, zullen meer en meer actieve systemen hun weg vinden naar machines. Dan moeten we klaar zijn om performante concepten aan te bieden.
Steven Devos promoveerde op de ontwikkeling van piëzo-elektrische motoren en is momenteel bij het FMTC actief op verschillende projecten rond geluid en trillingen. Gregory Pinte promoveerde op lerende actieve geluidscontrole en is bij het Leuvense mechatronicacentrum actief als projectingenieur. Wim Symens is programmaleider hoogproductieve machines bij het FMTC. Bert Stallaert was als promovendus bij de afdeling PMA van de KU Leuven nauw betrokken bij het ontwerp van de actieve lager. Paul Sas is hoogleraar bij PMA en hoofd van de onderzoeksgroep Trillingen en Geluid.
Een demofilm die de werking van de actieve lager toont en de haalbare geluidsreducties laat horen, is beschikbaar via www.fmtc.be/Videos/Active_Structural_Acoustic_Control.wmv.