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實現車內低延遲主動降噪
[作者 Kurt Dekoski]   2022年06月26日 星期日 瀏覽人次: [1647]

在過去十年中,由於客戶的期望值不斷提高,汽車設計的重點發生了重大變化。現在,更多汽車工程師關注如何改進駕駛體驗,讓人們待在車內時盡可能感到愉快。設法將車內的背景噪音降到最低,為許多措施中的一項。


從車內機械結構到車外環境等各種噪音源,都可能產生大量噪音,這對人們乘車過程帶來負面影響。這些噪音源主要來自惡劣的天氣條件(如風雨)、輪胎與不平整路面的接觸、底盤的振動、車輛懸架的運動、車載空調系統等因素。不過,控制車內噪音並不完全是為了獲得舒適感。一些研究顯示,我們控制噪音也是出於安全考慮,持續不斷的低頻噪音可能會導致司機疲勞和安全問題。


隨著電動汽車(EV)銷量的增加,相比於傳統汽車,人們更加意識到消除惹人心煩的道路噪音更為迫切。因為傳統汽車的內燃機(ICE)發出的噪音,在很大程度上掩蓋了道路噪音。電動汽車本質上比燃油車更安靜,其電動馬達產生的噪音不足以掩蓋其他噪音。


目前的降噪方法之一是使用吸音材料為車輛內裝進行隔音。但問題是吸音材料不僅佔用車內有限且寶貴的空間,而且價格昂貴,會發生汽車製造商可能認為不必要的額外成本。而且,這種被動降噪材料會使車輛總重量增加約30至45公斤,這顯然又是個問題。因此,汽車製造商迫切希望找到一種主動降噪技術(active noise cancelation;ANC)的替代方案。


為汽車業提供主動降噪功能

主動降噪功能背後的原理相對來說比較簡單。感測器裝置檢測到噪音,將噪音訊號進行處理運算來檢查噪音波形,並發出等效的反向聲波,讓這兩種聲波互相抵消。這種原理已經在視聽應用中使用了一段時間,比如高階耳機。


但是,要實現這種主動降噪功能,就要考慮汽車產業的某些特殊性,這個產業需要小型、輕便且具成本效益的降噪方案。與各種車載元件或子系統一樣,主動降噪系統也必須能在惡劣環境中可靠運行,該系統中的感測器必須足夠堅固,以應對極端的溫度、振動、衝擊、液體侵入等挑戰。


將分佈在整個車輛底盤上的所有感測器連接到相應的訊號處理單元,佈線複雜,必須進行有效配置,以確保不產生過多的額外物料成本。而且電纜線束重量是影響車輛總重量的重要因素。在電動汽車設計中,降低汽車重量尤為重要,這樣就可以避免頻繁充電。車輛越輕,續航里程越長!


最大限度提高降噪方案的性能

在測量降噪系統是否有效時,需要考慮兩個關鍵的性能參數。首先是回應能力。系統必須在盡可能短的時間內接收並分析擷取訊號,然後產生相應的反向訊號進行互相抵消,以達到可接受的降噪效果。因此,延遲時間越短,降噪過程就越有效。


其次,感測器檢測到各種範圍內噪音訊號的能力極為重要。感測器無法擷取低於某個闕值的訊號,這些訊號因此被降噪系統忽略。因此,汽車工程師必須選擇那些「本底噪音」(noise floor)極低的感測器。


汽車優化整體解決方案

Molex莫仕與半導體供應商Analog Devices公司和聲學軟體供應商Silentium公司合作推出了車載降噪方案。它不僅有效,而且還符合汽車製造商在線束重量、物料成本、持續運行可靠性等方面的要求。Molex道路降噪感測器(RNC),採用先進的MEMS加速計技術,具有低於150微秒(典型值)的低延遲指標。


這款RNC感測器採用由Analog Devices公司開發的汽車音訊匯流排(A2B)專有介面技術,能夠確保傳輸高保真音訊訊號,同時減少佈線,從而不會因降噪而使成本和重量過度增加。;



圖1 : 一連串以菊鍊形式連接的Molex RNC感測器
圖1 : 一連串以菊鍊形式連接的Molex RNC感測器

通常,每個感測器通過單獨的電纜直接連接到訊號處理單元,但從重量和空間利用的角度來看,這樣做效率很低。針對該問題,A2B介面技術允許每條訊號鏈處理更多訊號,並簡化了所需佈線;A2B網路所支援的資料傳輸速率,允許RNC感測器在2毫秒內將噪音訊號傳輸到指定的訊號處理單元。


A2B音訊匯流排系統通過菊鍊形式連接所有感測器,這樣減少了重量、空間和材料成本,進而簡化了網路拓撲結構。在30公尺長的電纜上,我們最多可連接9個感測器,使佈線重量減輕30%。


為了確保最大限度消除噪音,Molex RNC感測器提供了更高的靈敏度。因此,降噪後的本底噪音超低,這意味著可檢出更多原始波形以作處理。圖2所示的某感測器的本底噪音遠高於100μg/√Hz,而Molex RNC感測器可擷取並消除更大範圍的噪音訊號,而使本底噪音低於100μg/√Hz。結果是,Molex RNC感測器可以消除90%的有害噪音。它擷取從20Hz到1kHz範圍內的噪音,這是一個很大的頻率範圍。因此,即使是低速行駛時,也可以降低噪音。



圖2 : 本底噪音越低的好處:(a)原始噪音訊號;(b)標準感測器的本底噪音;(c) Molex RNC的本底噪音
圖2 : 本底噪音越低的好處:(a)原始噪音訊號;(b)標準感測器的本底噪音;(c) Molex RNC的本底噪音

在該主動降噪方案中採用Molex Mini50系列連接器,與使用標準USCAR 0.64連接器相比,可節省50%的空間。感測器安裝在堅固外殼中(可依需要提供IP6K9K防護等級的外殼),因此可安裝的更靠近噪音源,例如接近路面的位置,並加快整個降噪過程。


結論

隨著汽車變得越來越輕,電氣化程度越來越高,降低道路噪音將成為當務之急。幸好汽車製造商如今可以通過Molex RNC感測器,設計並部署重量更輕、性能更好、更靈活且高效的降噪方案。


在電動汽車中,低頻噪音造成的駕駛疲勞問題會直接影響到駕駛員安全,新RNC感測器技術的優越表現,成為Molex推出的最重要的降噪解決方案之一。


(本文作者Kurt Dekoski為Molex莫仕業務發展工程師)


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