Active Structural-Acoustic Control on interior noise of a plate-cavity system using FxNLMS algorithm

In recent years, more and more attention has been paid to environmental noise due to its negative impact on people’s physical and mental health. One of the promising solutions to mitigate the noise is the application of smart structures, whose acoustic performance is actively controlled. In the present work, an Active Structural-Acoustic Control (ASAC) strategy is developed on a plate-cavity system in order to abate the interior noise in some locations of the cavity. The employed algorithm is the Filtered-x Normalized Least Mean Squares (FxNLMS), which is typical of Active Noise Cancellation (ANC) problems, with the peculiarity that the control is directly applied on the vibration of the plate, as in Active Vibration Control (AVC) strategies. The algorithm has been implemented in Single Input Single Output (SISO) and Single Reference Multiple Error (SRME) configurations, where the latter is a first step towards a multichannel architecture. The plate-cavity system consists of a single-layer glass panel and a reinforced concrete structure named Noise Box, designed to reproduce the interior sound field of a vehicle cabin. The plate has been instrumented with piezoelectric patches used as actuators, while condenser microphones has been used as sensors. Initially, a Finite Element Modeling (FEM) of the system has been performed and a campaign of simulations has been carried out, both in time and frequency domain, in order to characterize the behaviour of the system and to extract some Frequency Response Functions (FRFs) necessary for the algorithm implementation. Then, a modal reconstruction of the FRFs has been performed to develop a reduced model of the system, exploiting its linearity, thus reducing the computational effort of time domain simulations and making a first tuning of the control architecture feasible. Finally, experimental activities have been performed and the effectiveness of the developed control logic has been proved for both SISO and SRME configurations, showing the capability of the smart structure to reach an almost complete abatement of noise in the targeted cavity locations

Recentemente, una crescente attenzione viene posta al tema del rumore ambientale in seguito all’impatto negativo che quest’ultimo ha sulla salute fisica e mentale delle persone. Una delle soluzioni di mitigazione del rumore più promettenti è l’applicazione di strutture intelligenti, la cui performance acustica è attivamente controllata. Nel lavoro presentato, un Controllo Acustico-Strutturale Attivo (ASAC) viene sviluppato su un sistema pannello-cavità, con l’obiettivo di ridurre il rumore in alcune posizioni della stessa. L’algoritmo utilizzato è il Filtered-x Normalized Least Mean Squares (FxNLMS), tipico di problemi di Cancellazione Attiva del Rumore (ANC), ma con la peculiarità che il controllo viene direttamente applicato alla vibrazione del pannello, come avviene in strategie di Controllo Attivo della Vibrazione (AVC). L’algoritmo è stato implementato in configurazione Single Input Single Output (SISO) e Single Reference Multiple Error (SRME), dove quest’ultima rappresenta un primo passo verso un’architettura multicanale. Il sistema pannello cavità è costituito da un pannello di vetro a singolo strato e da una struttura in cemento armato chiamata Noise Box, progettata per riprodurre il campo sonoro interno all’abitacolo di un veicolo. Il pannello è stato dotato di trasduttori piezoelettrici utilizzati come attuatori, mentre come sensori sono stati utilizzati microfoni a condensatore. Inizialmente è stata realizzata una Modellazione ad Elementi Finiti (FEM) seguita da una campagna di simulazioni, sia nel dominio del tempo che in quello delle frequenze, per caratterizzare il comportamento del sistema e per estrarre alcune Funzioni di Risposta in Frequenza (FRFs) necessarie al funzionamento dell'algoritmo. In seguito, una ricostruzione modale delle FRFs è stata attuata per sviluppare un modello ridotto del sistema, sfruttando la sua linearità, riducendo in questo modo il costo computazionale di simulazioni nel dominio del tempo e rendendo possibile una prima calibrazione dell’architettura di controllo. Infine, sono state svolte attività sperimentali che hanno permesso di dimostrare l’efficacia della logica di controllo sviluppata sia per la configurazione SISO che per quella SRME, mostrando la capacità della struttura intelligente di raggiungere un quasi totale abbattimento del rumore nelle posizioni della cavità designate.