實(shí)現(xiàn)車內(nèi)低延遲主動(dòng)降噪

在過去十年中，由于客戶的期望值不斷提高，汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)發(fā)生了重大變化。現(xiàn)在，更多汽車工程師關(guān)注如何改進(jìn)駕駛體驗(yàn)，讓人們待在車內(nèi)時(shí)盡可能感到愉快。設(shè)法將車內(nèi)的背景噪音降到最低，為許多措施中的一項(xiàng)。
從車內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)到車外環(huán)境等各種噪聲源，都可能產(chǎn)生大量噪音，這對(duì)人們乘車過程帶來負(fù)面影響。這些噪聲源主要來自惡劣的天氣條件（如風(fēng)雨）、輪胎與不平整路面的接觸、底盤的振動(dòng)、車輛懸架的運(yùn)動(dòng)、車載空調(diào)系統(tǒng)等因素。不過，控制車內(nèi)噪音并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于安全考慮，持續(xù)不斷的低頻噪音可能會(huì)導(dǎo)致司機(jī)疲勞和安全問題。
隨著電動(dòng)汽車（EV）銷量的增加，相比于傳統(tǒng)汽車，人們更加意識(shí)到消除惹人心煩的道路噪音更為迫切。因?yàn)閭鹘y(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)（ICE）發(fā)出的噪音，在很大程度上掩蓋了道路噪音。電動(dòng)汽車本質(zhì)上比燃油車更安靜，其電動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)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(nèi)裝進(jìn)行隔音。但問題是吸音材料不僅占用車內(nèi)有限且寶貴的空間，而且價(jià)格昂貴，會(huì)發(fā)生汽車制造商可能認(rèn)為不必要的額外成本。而且，這種被動(dòng)降噪材料會(huì)使車輛總重量增加約30至45公斤，這顯然又是個(gè)問題。因此，汽車制造商迫切希望找到一種主動(dòng)降噪技術(shù)（active noise cancelation；ANC）的替代方案。

為汽車業(yè)提供主動(dòng)降噪功能
主動(dòng)降噪功能背后的原理相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單。傳感器裝置檢測(cè)到噪音，將噪音訊號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算來檢查噪音波形，并發(fā)出等效的反向聲波，讓這兩種聲波互相抵消。這種原理已經(jīng)在視聽?wèi)?yīng)用中使用了一段時(shí)間，比如高階耳機(jī)。
但是，要實(shí)現(xiàn)這種主動(dòng)降噪功能，就要考慮汽車產(chǎn)業(yè)的某些特殊性，這個(gè)產(chǎn)業(yè)需要小型、輕便且具成本效益的降噪方案。與各種車載組件或子系統(tǒng)一樣，主動(dòng)降噪系統(tǒng)也必須能在惡劣環(huán)境中可靠運(yùn)行，該系統(tǒng)中的傳感器必須足夠堅(jiān)固，以應(yīng)對(duì)極端的溫度、振動(dòng)、沖擊、液體侵入等挑戰(zhàn)。
將分布在整個(gè)車輛底盤上的所有傳感器連接到相應(yīng)的訊號(hào)處理單元，布線復(fù)雜，必須進(jìn)行有效配置，以確保不產(chǎn)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(dòng)汽車設(shè)計(jì)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(xù)航里程越長(zhǎng)！

最大限度提高降噪方案的性能
在測(cè)量降噪系統(tǒng)是否有效時(shí)，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)。首先是回應(yīng)能力。系統(tǒng)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)接收并分析擷取訊號(hào)，然后產(chǎn)生相應(yīng)的反向訊號(hào)進(jìn)行互相抵消，以達(dá)到可接受的降噪效果。因此，延遲時(shí)間越短，降噪過程就越有效。
其次，傳感器檢測(cè)到各種范圍內(nèi)噪音訊號(hào)的能力極為重要。傳感器無法擷取低于某個(gè)闕值的訊號(hào)，這些訊號(hào)因此被降噪系統(tǒng)忽略。因此，汽車工程師必須選擇那些「本底噪音」（noise floor）極低的傳感器。

汽車優(yōu)化整體解決方案
Molex莫仕與半導(dǎo)體供貨商Analog Devices公司和聲學(xué)軟件供貨商Silentium公司合作推出了車載降噪方案。它不僅有效，而且還符合汽車制造商在線束重量、物料成本、持續(xù)運(yùn)行可靠性等方面的要求。Molex道路降噪傳感器（RNC），采用先進(jìn)的MEMS加速計(jì)技術(shù)，具有低于150微秒（典型值）的低延遲指標(biāo)。
這款RNC傳感器采用由Analog Devices公司開發(fā)的汽車音頻總線（A2B）專有接口技術(shù)，能夠確保傳輸高保真音頻訊號(hào)，同時(shí)減少布線，從而不會(huì)因降噪而使成本和重量過度增加。

 
圖1 : 一連串以菊煉形式連接的Molex RNC傳感器

通常，每個(gè)傳感器通過單獨(dú)的電纜直接連接到訊號(hào)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(duì)該問題，A2B接口技術(shù)允許每條訊號(hào)鏈處理更多訊號(hào)，并簡(jiǎn)化了所需布線；A2B網(wǎng)絡(luò)所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率，允許RNC傳感器在2毫秒內(nèi)將噪音訊號(hào)傳輸?shù)街付ǖ挠嵦?hào)處理單元。

A2B音頻總線系統(tǒng)通過菊煉形式連接所有傳感器，這樣減少了重量、空間和材料成本，進(jìn)而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在30公尺長(zhǎng)的電纜上，我們最多可連接9個(gè)傳感器，使布線重量減輕30%。

為了確保最大限度消除噪音，Molex RNC傳感器提供了更高的靈敏度。因此，降噪后的本底噪音超低，這意味著可檢出更多原始波形以作處理。圖2所示的某傳感器的本底噪音遠(yuǎn)高于100μg/√Hz，而Molex RNC傳感器可擷取并消除更大范圍的噪音訊號(hào)，而使本底噪音低于100μg/√Hz。結(jié)果是，Molex RNC傳感器可以消除90%的有害噪音。它擷取從20Hz到1kHz范圍內(nèi)的噪音，這是一個(gè)很大的頻率范圍。因此，即使是低速行駛時(shí)，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(hào)；(b)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的本底噪音；(c) Molex RNC的本底噪音

在該主動(dòng)降噪方案中采用Molex Mini50系列連接器，與使用標(biāo)準(zhǔn)USCAR 0.64連接器相比，可節(jié)省50%的空間。傳感器安裝在堅(jiān)固外殼中（可依需要提供IP6K9K防護(hù)等級(jí)的外殼），因此可安裝的更靠近噪聲源，例如接近路面的位置，并加快整個(gè)降噪過程。

結(jié)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(dāng)務(wù)之急。幸好汽車制造商如今可以通過Molex RNC傳感器，設(shè)計(jì)并部署重量更輕、性能更好、更靈活且高效的降噪方案。
在電動(dòng)汽車中，低頻噪音造成的駕駛疲勞問題會(huì)直接影響到駕駛員安全，新RNC傳感器技術(shù)的優(yōu)越表現(xiàn)，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(yè)務(wù)發(fā)展工程師）