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实现车内低延迟主动降噪
[作者 Kurt Dekoski]   2022年06月26日 星期日 浏览人次: [1649]

在过去十年中,由於客户的期??值不断提高,汽车设计的重点发生了重大变化。现在,更多汽车工程师关注如何改进驾驶体验,让人们待在车内时尽可能感到愉快。设法将车内的背景噪音降到最低,为许多措施中的一项。


从车内机械结构到车外环境等各种噪音源,都可能产生大量噪音,这对人们乘车过程带来负面影响。这些噪音源主要来自恶劣的天气条件(如风雨)、轮胎与不平整路面的接触、底盘的振动、车辆悬架的运动、车载空调系统等因素。不过,控制车内噪音并不完全是为了获得舒适感。一些研究显示,我们控制噪音也是出於安全考虑,持续不断的低频噪音可能会导致司机疲劳和安全问题。


随着电动汽车(EV)销量的增加,相比於传统汽车,人们更加意识到消除惹人心烦的道路噪音更为迫切。因为传统汽车的内燃机(ICE)发出的噪音,在很大程度上掩盖了道路噪音。电动汽车本质上比燃油车更安静,其电动马达产生的噪音不足以掩盖其他噪音。


目前的降噪方法之一是使用吸音材料为车辆内装进行隔音。但问题是吸音材料不仅占用车内有限且宝贵的空间,而且价格昂贵,会发生汽车制造商可能认为不必要的额外成本。而且,这种被动降噪材料会使车辆总重量增加约30至45公斤,这显然又是个问题。因此,汽车制造商迫切希??找到一种主动降噪技术(active noise cancelation;ANC)的替代方案。


为汽车业提供主动降噪功能

主动降噪功能背後的原理相对来说比较简单。感测器装置检测到噪音,将噪音讯号进行处理运算来检查噪音波形,并发出等效的反向声波,让这两种声波互相抵消。这种原理已经在视听应用中使用了一段时间,比如高阶耳机。


但是,要实现这种主动降噪功能,就要考虑汽车产业的某些特殊性,这个产业需要小型、轻便且具成本效益的降噪方案。与各种车载元件或子系统一样,主动降噪系统也必须能在恶劣环境中可靠运行,该系统中的感测器必须足够坚固,以应对极端的温度、振动、冲击、液体侵入等挑战。


将分布在整个车辆底盘上的所有感测器连接到相应的讯号处理单元,布线复杂,必须进行有效配置,以确保不产生过多的额外物料成本。而且电缆线束重量是影响车辆总重量的重要因素。在电动汽车设计中,降低汽车重量尤为重要,这样就可以避免频繁充电。车辆越轻,续航里程越长!


最大限度提高降噪方案的性能

在测量降噪系统是否有效时,需要考虑两个关键的性能叁数。首先是回应能力。系统必须在尽可能短的时间内接收并分析撷取讯号,然後产生相应的反向讯号进行互相抵消,以达到可接受的降噪效果。因此,延迟时间越短,降噪过程就越有效。


其次,感测器检测到各种范围内噪音讯号的能力极为重要。感测器无法撷取低於某个阙值的讯号,这些讯号因此被降噪系统忽略。因此,汽车工程师必须选择那些「本底噪音」(noise floor)极低的感测器。


汽车优化整体解决方案

Molex莫仕与半导体供应商Analog Devices公司和声学软体供应商Silentium公司合作推出了车载降噪方案。它不仅有效,而且还符合汽车制造商在线束重量、物料成本、持续运行可靠性等方面的要求。Molex道路降噪感测器(RNC),采用先进的MEMS加速计技术,具有低於150微秒(典型值)的低延迟指标。


这款RNC感测器采用由Analog Devices公司开发的汽车音讯汇流排(A2B)专有介面技术,能够确保传输高保真音讯讯号,同时减少布线,从而不会因降噪而使成本和重量过度增加。;



图1 : 一连串以菊链形式连接的Molex RNC感测器
图1 : 一连串以菊链形式连接的Molex RNC感测器

通常,每个感测器通过单独的电缆直接连接到讯号处理单元,但从重量和空间利用的角度来看,这样做效率很低。针对该问题,A2B介面技术允许每条讯号链处理更多讯号,并简化了所需布线;A2B网路所支援的资料传输速率,允许RNC感测器在2毫秒内将噪音讯号传输到指定的讯号处理单元。


A2B音讯汇流排系统通过菊链形式连接所有感测器,这样减少了重量、空间和材料成本,进而简化了网路拓扑结构。在30公尺长的电缆上,我们最多可连接9个感测器,使布线重量减轻30%。


为了确保最大限度消除噪音,Molex RNC感测器提供了更高的灵敏度。因此,降噪後的本底噪音超低,这意味着可检出更多原始波形以作处理。图2所示的某感测器的本底噪音远高於100μg/??Hz,而Molex RNC感测器可撷取并消除更大范围的噪音讯号,而使本底噪音低於100μg/??Hz。结果是,Molex RNC感测器可以消除90%的有害噪音。它撷取从20Hz到1kHz范围内的噪音,这是一个很大的频率范围。因此,即使是低速行驶时,也可以降低噪音。



图2 : 本底噪音越低的好处:(a)原始噪音讯号;(b)标准感测器的本底噪音;(c) Molex RNC的本底噪音
图2 : 本底噪音越低的好处:(a)原始噪音讯号;(b)标准感测器的本底噪音;(c) Molex RNC的本底噪音

在该主动降噪方案中采用Molex Mini50系列连接器,与使用标准USCAR 0.64连接器相比,可节省50%的空间。感测器安装在坚固外壳中(可依需要提供IP6K9K防护等级的外壳),因此可安装的更靠近噪音源,例如接近路面的位置,并加快整个降噪过程。


结论

随着汽车变得越来越轻,电气化程度越来越高,降低道路噪音将成为当务之急。幸好汽车制造商如今可以通过Molex RNC感测器,设计并部署重量更轻、性能更好、更灵活且高效的降噪方案。


在电动汽车中,低频噪音造成的驾驶疲劳问题会直接影响到驾驶员安全,新RNC感测器技术的优越表现,成为Molex推出的最重要的降噪解决方案之一。


(本文作者Kurt Dekoski为Molex莫仕业务发展工程师)


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