"我們使用NI CompactDAQ系統(tǒng)來搭建了一個有源引擎及路面噪聲控制系統(tǒng)，用于車輛的集成部署。使用NI ComapctDAQ靈活的I/O功能，同步采樣的能力，模塊中自帶的抗混疊濾波器和DC電源，我們可以準確地測量汽車駕駛室中的聲學(xué)環(huán)境。使用測量到的數(shù)據(jù)，我們可以預(yù)測控制器的工作狀態(tài)來同時減小引擎和道路噪聲，同時，這些預(yù)測也說明了低頻降噪的有用程度。"- Jordan Cheer, Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton
挑戰(zhàn):
在考慮車輛駕駛室噪聲源和環(huán)境的基礎(chǔ)上，開發(fā)一套集成，低成本的有源噪聲控制（ANC）系統(tǒng)，用來控制駕駛室中的引擎和路面噪聲。
解決方案:
使用NI CompactDAQ硬件來監(jiān)視車輛駕駛室中的環(huán)境，為低成本的實時ANC系統(tǒng)提供引擎和路面噪聲的測量。
作者:
Jordan Cheer - Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton
概述
一款商用車輛是否成功，其路面噪聲評價扮演了很重要的角色。雖然通過被動的聲學(xué)處理例如駕駛室結(jié)構(gòu)阻尼和吸聲作用，我們可以大大地減少駕駛室中的引擎和路面噪聲。然而，隨著最近對汽車燃油效率要求的提高，需要新的經(jīng)濟型引擎設(shè)計并降低汽車的重要，導(dǎo)致噪聲控制的興趣更多地移到了有源噪聲控制上。
新的經(jīng)濟型引擎設(shè)計（如可變排氣量引擎，通常是通過停用氣缸來實現(xiàn)的）往往會導(dǎo)致低頻噪聲的增加，并降低汽車的重量。低頻噪聲一般很難使用輕型的被動措施來進行控制。因為ANC系統(tǒng)在控制低頻噪聲方面是最有效的，并且只會增加相對少的重量，這就為低頻噪聲的控制提供了一個方便的補充解決方案。
ANC系統(tǒng)在汽車行業(yè)很難得到廣泛商業(yè)應(yīng)用的主要原因是其高昂的費用。因此，我們必須將這個噪聲控制系統(tǒng)集成到標準的汽車電子系統(tǒng)中。我們將研究的重心放在開發(fā)一個低成本的ANC系統(tǒng)上，這樣該系統(tǒng)就具有日后可以廣泛運用商業(yè)實現(xiàn)的潛力。
用于路面車輛的ANC控制策略
前饋型的引擎噪聲控制系統(tǒng)就是這樣的ANC系統(tǒng)的一個很好的實例，目前它已經(jīng)被很多主要的汽車制造商們實驗并實現(xiàn)到他們的產(chǎn)品中。這些系統(tǒng)是使用汽車駕駛中的車載音響喇叭來抵消引擎噪聲的，而引擎噪聲則是用一套誤差麥克風陣列來監(jiān)視的。從引擎得到的參考信號提供了引擎轉(zhuǎn)速，通過一個自適應(yīng)濾波器來驅(qū)動揚聲器以最小化麥克風上的壓強。通過將這套系統(tǒng)集成到音響系統(tǒng)中，該控制器只需要非常少的額外硬件和花費投入。
使用前饋控制系統(tǒng)的路面噪聲控制必須通過安裝在車輛結(jié)構(gòu)上的各個加速度計獲取多個參考信號。這也造成了系統(tǒng)成本的提高，并且不太容易實現(xiàn)。
而對于反饋控制器來說，不需要參考信號，所以更適合用作路面噪聲控制。標準的信號輸入，信號輸出反饋系統(tǒng)已經(jīng)成功地被用在降噪耳機中，但是它在汽車駕駛室中就只能實現(xiàn)有限的噪聲控制。所以，我們開發(fā)了一個使用誤差傳感器和揚聲器的反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了前饋型引擎噪聲控制系統(tǒng)中的誤差麥克風陣列和汽車的車載音響喇叭，因此僅需要非常少的額外硬件。這樣一個路面噪聲控制系統(tǒng)架構(gòu)可以很好地控制實現(xiàn)成本。
測量汽車聲學(xué)環(huán)境
為了預(yù)測在小型車輛中的噪聲控制策略的性能，我們測量了八個誤差麥克風和四個車載音響喇叭之間的聲學(xué)響應(yīng)。另外，我們還測量了八個誤差麥克風位置上由引擎和路面噪聲造成的聲學(xué)干擾。為了便于實現(xiàn)這些測量，我們需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至少要提供17個可以進行同步采集并且具有抗混疊濾波器的數(shù)據(jù)采集通道以及至少一個用于音頻輸出的輸出通道。
此外，為了便于道路測試，我們需要該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以使用車載的12V電源供電。在NI CompactDAQ系統(tǒng)平臺上，我們使用五個NI 9234 C系列動態(tài)信號采集模塊和一個NI 9263 C系列模擬輸出模塊就完全滿足了所有的這些需求。由于NI CompactDAQ可以完全地兼容廣泛使用的基于文本的數(shù)學(xué)編程語言，極大地方便了我們的應(yīng)用程序的開發(fā)。我們可以很快地看到應(yīng)用的結(jié)果，因為我們已經(jīng)有該軟件環(huán)境的經(jīng)驗，并且所需的代碼也是現(xiàn)成的。
接下來的引擎和路面噪聲測量突出了需要有源噪聲控制（ANC）的頻域范圍。例如，引擎噪聲的測試結(jié)果顯示在頻譜中引擎頻率二倍頻的位置具有一個很強的窄帶尖峰，該現(xiàn)象是由測試車輛的四氣缸引擎造成。與之對應(yīng)的，路面噪聲測量則突出顯示了一個位于80Hz到160Hz之間的寬帶信號，這就是反饋控制的對象。
預(yù)測ANC系統(tǒng)的性能
我們可以通過聲學(xué)勢能的減少來評估該ANC控制策略的性能。使用測試所得的數(shù)據(jù)，我們離線合成了前饋控制器的性能，并且在引擎的二倍頻預(yù)測階次上取得了5dB到12dB的噪聲消除。使用測試所得的數(shù)據(jù)，我們預(yù)測了反饋控制器的性能，并且在目標頻率范圍上取得了大約6dB左右的噪聲消除。
結(jié)論
我們使用NI CompactDAQ系統(tǒng)來搭建了一個有源引擎及路面噪聲控制系統(tǒng)，用于車輛的集成部署。使用NI ComapctDAQ靈活的I/O功能，同步采樣的能力，模塊中自帶的抗混疊濾波器和DC電源，我們可以準確地測量汽車駕駛室中的聲學(xué)環(huán)境。使用測量到的數(shù)據(jù)，我們可以預(yù)測控制器的工作狀態(tài)來同時減小引擎和道路噪聲，同時，這些預(yù)測也說明了低頻降噪的有用程度。未來的工作在于這些系統(tǒng)的實時部署實現(xiàn)。在我們更新系統(tǒng)的時候，能有非常大的成本節(jié)省，因為我們可以繼續(xù)使用NI CompactDAQ系統(tǒng)的輸入和輸出模塊。
