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[分享] 以可控声波为工具抑制车内噪声

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发表于 2015-3-24 16:08:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
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如果要将车辆内部的噪声保持在最低水平,传统的方法是使用大量隔音材料,并在保证动力输出的条件下尽可能地使用紧凑型发动机。现在,利用被称为“音频抗噪”的电子技术方法来降低车内的噪声,不仅可以减少车身重量,同时也能降低生产成本。
        多数汽车消费者,尤其是重视环保的用户要求车辆的燃油消耗尽可能的低。对此,各国的汽车生产厂商都积极地做出了反应,提供了多种节油技术。其中,气缸关闭技术、发动机的转速控制技术和通过减少使用被动式隔音材料从而减轻车辆的重量都是比较成熟且常见的节油措施。
        上述措施的确在降低车辆油耗方面有着很大贡献,却也给车辆内部人员带来了噪声污染。这些恼人的噪声是由一个或多个频率低于150Hz的低频噪声构成的。通过试验证实,利用电子设备发出特定频率的声音可以弱化这些噪声,这种内部噪声隔绝方案被称为“ANC主动噪声平衡”。
        ANC主动噪声平衡技术的声学原理非常简单:就是通过汽车的扬声器产生一个合成的噪声平衡声波,该声波的频率与发动机噪声的频率相同,但相位相反。在车内特定的空间里,例如在驾驶员座椅处和乘员座椅处,这种噪声平衡声波与发动机的噪声声波能够相互抵消。
        尽管该系统的原理非常简单,但实际操作起来却非常困难,因为汽车内部的各个空间都因车厢形状、座椅位置区别、材料不同、扬声器数量和麦克风位置的不同而有着截然不同的声学环境特性。这些因素都对ANC主动噪声平衡系统的性能有着较大的影响。因此,设计者要对用于不同车型的ANC主动噪声平衡系统进行惟一性设计,耐心寻找扬声器和麦克风的最佳安装位置。除此之外,这一系统还要具备对车厢中声学环境动态变化的快速反应能力,例如对由车辆加速、制动、车窗的开启和关闭、调整座椅位置甚至温度变化引起的声学环境改变做出应对。另外,这一系统还必须非常稳定,麦克风必须有强大的捕捉车辆内部环境噪声的能力,同时扬声器在发出噪声平衡声波的同时不能对娱乐系统的音质产生过于明显的影响。
       

以可控声波为工具抑制车内噪声

以可控声波为工具抑制车内噪声

        为了使ANC主动噪声平衡系统能够对车内声学环境的变化及时做出反应,它需要实时获取发动机的工作情况和一些其他的数据。ANC主动噪声平衡系统的控制单元将发动机转速数据和一个或者多个麦克风在驾驶员和其他乘员头部周围检测到的噪声水平相结合,根据发动机的实时数据推算需要抑制的噪声频率,并由麦克风监测车厢内的噪声水平,从而使这一系统能够对车辆声学特性的变化及时做出反应。
        软件解决方案
        大多数装备与汽车上的ANC主动噪声平衡系统工作时都是由一个单独的控制模块支配从而抑制噪声。现在,OEM汽车生产厂商也意识到运行主动式降噪软件更具成本优势:利用软件系统使车内现有的硬件(例如车辆的信息娱乐系统或音响系统的扬声器)发出反相的低频声波。今天的信息娱乐系统也承担着越来越多的任务(免提、语音识别等),而车辆中的数字信号处理器DSP和应用程序处理器等都有着充足的资源储备,完全能够胜任运行ANC主动噪声平衡软件的工作。
        工程师和声学技术专家们只要对车辆内的音质进行测定和优化就可以了。而确定系统中麦克风和扬声器的安装数量始终是一个在成本、性能和空间资源之间的统筹学问题,车辆的内部空间也是一个必须考虑的变量。因此,ANC主动噪声平衡系统的解决方案应由OEM汽车生产厂商根据车辆内部结构、座椅安装位置和音响系统的扬声器数量情况来做出最后决定。它应能够在不同的控制单元或DSP数字信号处理器中运行,有着足够的安装使用灵活性,这样才能保证能够在不同的车辆中灵活地布置任意数量的输入端和输出端。显然,控制配备有若干麦克风和扬声器的系统要比控制单一麦克风和少量扬声器要复杂得多。
        噪声平衡软件的比较测试
        QNX软件系统公司(以下简称“QNX”)开发了一种ANC主动噪声平衡软件系统,并以2012年产的Dodge Minivan为样车,进行了噪声平衡系统的性能对比测试。这台车搭载的是配备有可变气缸控制技术的发动机,所使用的ANC主动噪声平衡系统是由单一控制单元支配的独立系统。该系统在内部后视镜处有一麦克风、在汽车第三排座椅上方顶棚处还有一个麦克风,在驾驶员侧和前排乘客侧的车门以及两个门把手处配置了四个扬声器,行李箱中还安装了一个重低音扬声器。
        在这一对比测试的框架内,车内人员无法直接接触麦克风和扬声器。因此,QNX尽可能把做对比用的麦克风和扬声器安装在靠近现有设备的安装位置处,额外安装在驾驶员头部前方的麦克风是惟一的例外。
        软件系统被设定为能控制三个扬声器,主要包括驾驶员、前排乘客座椅处的扬声器和重低音扬声器。
        软件根据不同条件,采集到的发动机转速、不同的直道行驶车速和由静止加速到80km/h等条件下的特定数据对ANC主动噪声平衡系统进行控制。试验表明,该系统在直道行驶时表现出了很高的噪声抑制能力。
        软件控制的ANC主动噪声平衡系统有着相同的、甚至比传统的系统有更好的噪声抑制作用。车辆以100km/h巡航行驶时,常规系列的噪声平衡系统可把车内噪声降低1dB,而软件控制的ANC噪声平衡系统在同样的条件下能把噪声降低12dB。
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