"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環(huán)境。使用測量到的數(shù)據(jù)，我們可以預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處理例如駕駛室結構阻尼和吸聲作用，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)濟型引擎設計并降低汽車的重要，導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速，通過一個自適應濾波器來驅(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構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)架構可以很好地控制實現(xiàn)成本。

測量汽車聲學環(huán)境
 

為了預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響應。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)學編程語言，極大地方便了我們的應用程序的開發(fā)。我們可以很快地看到應用的結果，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。

預測ANC系統(tǒng)的性能
 

我們可以通過聲學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環(huán)境。使用測量到的數(shù)據(jù)，我們可以預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。