Active noise control in a tractor cabin

Gli agricoltori rappresentano una categoria di persone che soffre l'esposizione a forti rumori per periodi di tempo prolungati. Con riferimento al caso di trattori cabinati, i lavoratori sono esposti per circa 8 ore al giorno alle componenti armoniche a bassa frequenza prodotte dal motore, principalmente nel campo di frequenze tra 20 Hz e 1000 Hz, propagandosi per via strutturale e aerea verso la cabina. L'impiego di soluzioni passive per il miglioramento dell'isolamento acustico della cabina del trattore è complicato dallo spazio limitato all'interno della cabina stessa e della necessità di mantenere trasparenti le pareti finestrate per la visibilità di manovra. In questo caso, un sistema di controllo attivo del rumore (ANC) può rappresentare una valida soluzione alternativa per attenuare il rumore nel campo di frequenze precedentemente definito. Un sistema ANC è un dispositivo elettroacustico che calcola in tempo reale e genera, attraverso una sorgente di controllo, un segnale “antirumore” di uguale ampiezza e fase opposta rispetto a un rumore indesiderato. La sovrapposizione di questi due segnali fa sì che essi si cancellino a vicenda in una regione di spazio denominata “zona di quiete”. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di investigare l’applicabilità di un sistema ANC all'interno della cabina di un trattore, per ridurre l'esposizione di un conducente al rumore proveniente dal motore, che rappresenta una delle principali fonti di rumore. Lo sviluppo del sistema ANC è stato effettuato in laboratorio, analizzando diversi algoritmi presenti in letteratura, in particolare basati sull'approccio ai minimi quadrati (LMS). Lo studio è stato condotto in quattro ambienti caratterizzati da un diverso tempo ti riverbero e sulla cabina di un trattore posta in camera semi-anecoica, analizzando le prestazioni del sistema ANC nell'attenuare diverse tipologie di segnali acustici, sia a banda stretta che a banda larga, emessi da un sorgente sonora. Il sistema finale, composto da un sensore di riferimento, due microfoni di errore e due altoparlanti di controllo, è stato successivamente validato su un trattore reale. Dapprima, i test sono stati eseguiti senza movimento, variando semplicemente il numero di giri al minuto del motore e analizzando l'effetto di diverse posizioni del segnale di riferimento. Successivamente, i test sono stati condotti in diverse condizioni di guida su una pista ad anello asfaltata, variando la combinazione di marce, i giri al minuto del motore e, di conseguenza, la velocità. I risultati hanno mostrato che il sistema ANC è stato in grado di agire sulle prime componenti del motore tra 80 Hz, limite inferiore imposto dalla risposta in frequenza degli altoparlanti di controllo, e 700 Hz, limite superiore imposto da un filtro digitale passa-basso per ridurre l'instabilità indotta dalle oscillazioni relative tra gli altoparlanti di controllo ed i microfoni di errore durante il movimento. Sebbene non sia stato possibile stabilire un sensore di riferimento migliore degli altri in senso assoluto, i diversi sensori di riferimento impiegati hanno portato a un diverso livello di attenuazione su ogni singola armonica, con un massimo di 24 dB e 22 dB di riduzione del rumore rispettivamente per le condizioni a trattore fermo e in movimento.

Agriculturists represent a category of people suffering the exposition to loud noise for prolonged time. With reference to the case of tractors endowed with a cabin, workers are exposed for about 8 hours per day to the loud low-frequency harmonics produced by the engine, mainly in the range 20 Hz – 1000 Hz, propagating through both structure-borne and air-borne paths into the cabin. The use of passive solutions for the improvement of the acoustic insulation of the tractor cabin is cumbersome due to the limited space inside the cabin itself and the necessity to maintain the windowed walls transparent for the visibility of manoeuvring. In this case, an active noise control (ANC) system can represent a valid alternative solution to attenuate the noise in the frequency range previously defined. An ANC system is an electroacoustic device which computes and generates in real-time, through a control source, an “anti-noise” signal with equal amplitude and opposite phase with respect to an undesired noise. The superposition of these two signals makes them delete each other in a region of space denominated “zone of quiet”. The aim of this work was to demonstrate the possibility to apply an ANC system inside the cabin of a tractor, to reduce the exposure of a driver to the noise coming from the engine, which represents one of the main noise sources. The development of the ANC system was carried out in the laboratory, analysing different algorithms found in the literature, in particular based on the least mean squares (LMS) approach. The study was conducted in four environments with different reverberation time and on a tractor cabin placed in the hemi-anechoic room, analysing the performance of the ANC system in attenuating different types of noise signals, both narrowband and broadband, emitted by an acoustic source. The final system, composed of one reference sensor, two error microphones and two control loudspeakers, was successively tested on a real tractor. Firstly, the tests were carried out in a motionless condition, simply varying the number of rounds per minute of the engine and studying the effect of different positions of the reference signal. Secondly, the tests were conducted in different driving conditions on a ring asphalt track, varying the combination of gears, the rounds per minute of the engine and, consequently, the speed. The results showed that the ANC system was able to act on the first engine components between 80 Hz, limit imposed by the response function of the control loudspeakers, and 700 Hz, limit imposed by a digital low-pass filter to reduce the instability induced by the relative oscillations between the control loudspeakers and the error microphones during the motion. Even though it was not possible to establish a reference sensor better than the others in an absolute sense, different reference sensors brought to a different level of attenuation on each single component, with a maximum of 24 dB and 22 dB of noise reduction for the motionless and the driving conditions respectively.