實(shí)現車(chē)內低延遲主動(dòng)降噪

在過(guò)去十年中，由于客戶(hù)的期望值不斷提高，汽車(chē)設計的重點(diǎn)發(fā)生了重大變化?，F在，更多汽車(chē)工程師關(guān)注如何改進(jìn)駕駛體驗，讓人們待在車(chē)內時(shí)盡可能感到愉快。設法將車(chē)內的背景噪音降到最低，為許多措施中的一項。
從車(chē)內機械結構到車(chē)外環(huán)境等各種噪聲源，都可能產(chǎn)生大量噪音，這對人們乘車(chē)過(guò)程帶來(lái)負面影響。這些噪聲源主要來(lái)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(pán)的振動(dòng)、車(chē)輛懸架的運動(dòng)、車(chē)載空調系統等因素。不過(guò)，控制車(chē)內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，持續不斷的低頻噪音可能會(huì )導致司機疲勞和安全問(wèn)題。
隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)（EV）銷(xiāo)量的增加，相比于傳統汽車(chē)，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(chē)的內燃機（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(chē)本質(zhì)上比燃油車(chē)更安靜，其電動(dòng)馬達產(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(chē)輛內裝進(jìn)行隔音。但問(wèn)題是吸音材料不僅占用車(chē)內有限且寶貴的空間，而且價(jià)格昂貴，會(huì )發(fā)生汽車(chē)制造商可能認為不必要的額外成本。而且，這種被動(dòng)降噪材料會(huì )使車(chē)輛總重量增加約30至45公斤，這顯然又是個(gè)問(wèn)題。因此，汽車(chē)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(chē)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來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。傳感器裝置檢測到噪音，將噪音訊號進(jìn)行處理運算來(lái)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(tīng)應用中使用了一段時(shí)間，比如高階耳機。
但是，要實(shí)現這種主動(dòng)降噪功能，就要考慮汽車(chē)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(chē)載組件或子系統一樣，主動(dòng)降噪系統也必須能在惡劣環(huán)境中可靠運行，該系統中的傳感器必須足夠堅固，以應對極端的溫度、振動(dòng)、沖擊、液體侵入等挑戰。
將分布在整個(gè)車(chē)輛底盤(pán)上的所有傳感器連接到相應的訊號處理單元，布線(xiàn)復雜，必須進(jìn)行有效配置，以確保不產(chǎn)生過(guò)多的額外物料成本。而且電纜線(xiàn)束重量是影響車(chē)輛總重量的重要因素。在電動(dòng)汽車(chē)設計中，降低汽車(chē)重量尤為重要，這樣就可以避免頻繁充電。車(chē)輛越輕，續航里程越長(cháng)！

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(shí)，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數。首先是回應能力。系統必須在盡可能短的時(shí)間內接收并分析擷取訊號，然后產(chǎn)生相應的反向訊號進(jìn)行互相抵消，以達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，傳感器檢測到各種范圍內噪音訊號的能力極為重要。傳感器無(wú)法擷取低于某個(gè)闕值的訊號，這些訊號因此被降噪系統忽略。因此，汽車(chē)工程師必須選擇那些「本底噪音」（noise floor）極低的傳感器。

汽車(chē)優(yōu)化整體解決方案
Molex莫仕與半導體供貨商Analog Devices公司和聲學(xué)軟件供貨商Silentium公司合作推出了車(chē)載降噪方案。它不僅有效，而且還符合汽車(chē)制造商在線(xiàn)束重量、物料成本、持續運行可靠性等方面的要求。Molex道路降噪傳感器（RNC），采用先進(jìn)的MEMS加速計技術(shù)，具有低于150微秒（典型值）的低延遲指標。
這款RNC傳感器采用由Analog Devices公司開(kāi)發(fā)的汽車(chē)音頻總線(xiàn)（A2B）專(zhuān)有接口技術(shù)，能夠確保傳輸高保真音頻訊號，同時(shí)減少布線(xiàn)，從而不會(huì )因降噪而使成本和重量過(guò)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(guò)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(lái)看，這樣做效率很低。針對該問(wèn)題，A2B接口技術(shù)允許每條訊號鏈處理更多訊號，并簡(jiǎn)化了所需布線(xiàn)；A2B網(wǎng)絡(luò )所支持的數據傳輸速率，允許RNC傳感器在2毫秒內將噪音訊號傳輸到指定的訊號處理單元。

A2B音頻總線(xiàn)系統通過(guò)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 )拓撲結構。在30公尺長(cháng)的電纜上，我們最多可連接9個(gè)傳感器，使布線(xiàn)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(zhù)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，而使本底噪音低于100μg/√Hz。結果是，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；(b)標準傳感器的本底噪音；(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，與使用標準USCAR 0.64連接器相比，可節省50%的空間。傳感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聲源，例如接近路面的位置，并加快整個(gè)降噪過(guò)程。

結論
隨著(zhù)汽車(chē)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務(wù)之急。幸好汽車(chē)制造商如今可以通過(guò)Molex RNC傳感器，設計并部署重量更輕、性能更好、更靈活且高效的降噪方案。
在電動(dòng)汽車(chē)中，低頻噪音造成的駕駛疲勞問(wèn)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，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）