在汽車內(nèi)實(shí)現(xiàn)低延遲主動(dòng)降噪

在過(guò)去10年中，隨著客戶期望值的不斷提高，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)注的是如何改進(jìn)駕駛體驗(yàn)，使人們?cè)谲噧?nèi)盡可能度過(guò)愉快時(shí)光。所采取的措施包括，設(shè)法將車內(nèi)的背景噪音降到最低。

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發(fā)出巨大噪音，這對(duì)人們乘車旅程造成負(fù)面影響。這些噪聲源主要源于：惡劣的天氣條件（如風(fēng)雨）、輪胎與不平路面的接觸、底盤的振動(dòng)、車輛懸架的運(yùn)動(dòng)、車載空調(diào)系統(tǒng)等。不過(guò)，控制車內(nèi)噪音并不完全是為了獲得舒適感。一些研究表明，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)疲勞和安全隱患。

隨著電動(dòng)汽車銷量的增加，我們需要為超靜音電動(dòng)汽車去除惹人心煩的道路噪音，這是傳統(tǒng)汽車旅行中人們從未意識(shí)到的問(wèn)題，因?yàn)閮?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來(lái)自其它方面的噪音。

目前的一種降噪方法是用吸音材料對(duì)車輛內(nèi)飾進(jìn)行隔音。但問(wèn)題是，吸音材料不僅占用了車內(nèi)有限且寶貴的空間，而且很昂貴，會(huì)帶來(lái)汽車制造商可能認(rèn)為不必要的額外成本。此外，這種被動(dòng)降噪材料會(huì)使車輛總重增加約30至45公斤，這顯然又是個(gè)問(wèn)題。因此，汽車制造商迫切希望找到一種主動(dòng)降噪技術(shù)來(lái)替代現(xiàn)有的降噪方法。

為汽車工業(yè)主動(dòng)降噪

主動(dòng)降噪功能背后的原理相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。傳感器設(shè)備可以檢測(cè)到噪音。然后使用處理裝置來(lái)檢查噪音波形，并生成一種等效的反相信號(hào)來(lái)抵消噪音。這種原理在過(guò)去一段時(shí)間已被用到視聽領(lǐng)域，比如高端耳機(jī)。

但是，要在車輛中實(shí)現(xiàn)這種主動(dòng)降噪，就要考慮汽車行業(yè)的某些特殊性。該行業(yè)需要一種緊湊、輕便且高性價(jià)比的高性能降噪方案。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，這一點(diǎn)至關(guān)重要。該系統(tǒng)中的傳感器必須足夠堅(jiān)固，以應(yīng)對(duì)極端溫度、振動(dòng)、沖擊、液體侵入等挑戰(zhàn)。

我們必須將分布在整個(gè)車輛底盤上的所有傳感器連接到相應(yīng)的信號(hào)處理單元，之間的布線是復(fù)雜的，我們必須進(jìn)行有效布線，以確保不產(chǎn)生過(guò)多的額外物料成本。此外，電纜線束重量是車輛總重量的重要構(gòu)成因素。在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中，降低汽車重量尤為重要，這樣就會(huì)避免頻繁充電。車輛越輕，續(xù)航里程越長(zhǎng)！

最大限度地提高降噪方案的性能

在測(cè)量降噪系統(tǒng)有效性時(shí)，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。首先是響應(yīng)能力。系統(tǒng)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)接收并分析捕獲的信號(hào)，然后生成相應(yīng)的反相信號(hào)進(jìn)行對(duì)沖，以達(dá)到可接受的降噪效果。因此，延遲時(shí)間越短，降噪過(guò)程就越有效。其次，傳感器應(yīng)能盡可能檢測(cè)到各種范圍內(nèi)噪聲信號(hào)。這一點(diǎn)至關(guān)重要。傳感器無(wú)法捕獲低于某個(gè)門限值的信號(hào)，這些信號(hào)因此被降噪系統(tǒng)忽略。因此，汽車工程師必須選擇那些“本底噪聲”非常低的傳感器。

全汽車優(yōu)化解決方案

通過(guò)與半導(dǎo)體供應(yīng)商Analog Devices公司和聲學(xué)軟件供應(yīng)商Silentium公司的合作，Molex推出了一種車載降噪方案。它不僅有效，而且還符合汽車制造商的特定要求（在布線重量、物料成本、持續(xù)工作可靠性等方面的要求）。Molex RNC傳感器是路噪傳感器，采用先進(jìn)的MEMS加速計(jì)技術(shù)。此外，它們具有低于150微秒（典型值）的低延遲指標(biāo)，該杰出屬性是其它同類解決方案不具備的。

RNC傳感器采用了由Analog Devices公司開發(fā)的汽車音頻總線（A2B）專有接口技術(shù)。這樣我們即能傳輸高保真音頻信號(hào)，也能盡量減少布線，從而不會(huì)因降噪而使成本和重量過(guò)度增加。

圖1：一系列通過(guò)菊花鏈連接的Molex RNC傳感器

通常，每個(gè)傳感器通過(guò)單獨(dú)的電纜直接連接到信號(hào)處理單元，但從重量和空間利用率的角度來(lái)看，這是非常低效的。針對(duì)該問(wèn)題，A2B接口技術(shù)允許每條信號(hào)鏈處理更多信號(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)將噪聲信號(hào)傳輸?shù)街付ǖ男盘?hào)處理單元。

A2B音頻總線系統(tǒng)通過(guò)菊花鏈連接所有傳感器。因此減少了重量、所占空間和材料成本，進(jìn)而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在30米長(zhǎng)的電纜上，我們最多可連接9個(gè)傳感器，從而將布線重量減輕30%。

為了確保最大限度消除噪聲，Molex RNC傳感器提供了更高的靈敏度。因此，降噪后的本底噪聲超低，這意味著更多的原始波形可被檢出和處理。圖2所示的某傳感器的本底噪聲遠(yuǎn)高于100μg/√Hz，而Molex RNC傳感器可捕獲并消除更大范圍的噪聲信號(hào)而使本底噪聲低于100μg/√Hz。結(jié)果是，Molex RNC傳感器可以消除90%的有害噪音。它捕獲從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)的噪音也可以被降低。

圖2：本底噪聲降低情況 - a）原始噪聲信號(hào) b） 標(biāo)準(zhǔn)傳感器的本底噪聲 c） Molex RNC的本底噪聲

在該主動(dòng)降噪方案中，我采用了流行的Molex Mini50系列連接器，該連接器與標(biāo)準(zhǔn)USCAR 0.64連接器相比可節(jié)省50%的空間。傳感器安裝在重型外殼中（可按需提供IP6K9K防護(hù)等級(jí)的外殼），因此可安裝在更靠近噪聲源的位置（如車內(nèi)接近路面的位置），并因此加快整個(gè)降噪過(guò)程。

結(jié)論

隨著汽車變得越來(lái)越輕，電氣化程度越來(lái)越高，降低道路噪音將成為當(dāng)務(wù)之急。幸運(yùn)的是，如今，汽車制造商可以借助Molex RNC傳感器，設(shè)計(jì)并部署重量更輕、性能更好、更靈活、更高效的降噪方案。近30年來(lái)，Molex通過(guò)提供創(chuàng)新型電子產(chǎn)品，一次又一次地幫助汽車制造商應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，因此在汽車行業(yè)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在電動(dòng)汽車中，低頻噪音造成的駕駛疲勞問(wèn)題直接影響到駕駛安全。因此，RNC傳感器技術(shù)成為Molex有史以來(lái)推出的最重要技術(shù)之一。