Entwicklung integrierter, kostengünstiger aktiver Lärmschutzsysteme (ANC) zur Motor- und Straßenlärmbekämpfung in einer Fahrzeugkabine unter Berücksichtigung akustischer Geräuschquellen und Umgebung.
Verwenden von NI-CompactDAQ-Hardware zur Überwachung der Fahrzeugkabinenumgebung und zur Messung des Motor- und Straßenlärms für kostengünstige Echtzeit-ANC-Systeme.
Straßenfahrzeuglärm spielt eine große Rolle, ob ein Fahrzeug kommerziell erfolgreich ist. Mit passiven akustischen Behandlungen wie Strukturdämpfung und Schallabsorption können wir sowohl Motor- als auch Straßengeräusche in einer Fahrzeugkabine stark reduzieren. Das Interesse an der aktiven Geräuschminderung wurde jedoch zuletzt durch die Notwendigkeit getrieben, die Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen durch neue sparsame Motorendesigns und geringeres Fahrzeuggewicht zu verbessern.
Wirtschaftliche Motorkonstruktionen (z. B. variabler Hubraum, der in der Regel durch Deaktivierung von Zylindern arbeitet) führen oft zu erhöhten niederfrequenten Geräuschen, ebenso wie eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts. Niederfrequentes Rauschen ist mit leichten passiven Maßnahmen schwer zu kontrollieren. ANC-Systeme sind bei niedrigen Frequenzen am effektivsten und führen zu einer relativ geringen Gewichtszunahme.
Die weit verbreitete kommerzielle Implementierung von ANC-Systemen in Fahrzeugen wird hauptsächlich durch die hohen Implementierungskosten eingeschränkt. Daher müssen wir die Steuerung in die Standard-Fahrzeugelektronik integrieren. Wir konzentrierten uns auf die Entwicklung eines kostengünstigen ANC-Systems mit dem Potenzial einer breiten kommerziellen Implementierung.
"Feedforward Motor Noise Control" ist ein Beispiel für einen ANC, der von einer Reihe großer Automobilhersteller gründlich untersucht und implementiert wurde. Diese Systeme verwenden die Audio-Lautsprecher des Autos, um das Motorgeräusch in der Fahrzeugkabine auszuschalten, was mit Hilfe eines Arrays von Fehlermikrofonen überwacht wird. Ein vom Motor erhaltenes Bezugssignal liefert die Motordrehzahl und steuert die Lautsprecher über einen adaptiven Filter, um den Druck an den Mikrofonen zu minimieren. Durch die Integration in das Audiosystem benötigt dieser Controller sehr wenig zusätzliche Hardware oder Kosten.
Die Reduzierung des Straßenlärms mit Hilfe einer Vorsteuerung muss mehrere Referenzsignale von Beschleunigungsmessern an der Fahrzeugstruktur erhalten. Dies führt zu einem teuren System, das schwierig zu implementieren ist.
Ein Rückkopplungsregler, der kein Bezugssignal benötigt, eignet sich gut zur Regelung von Straßenrauschen. Standard-Feedback-Steuersysteme mit einem Eingang und einem Ausgang werden erfolgreich in geräuschreduzierenden Kopfhörern eingesetzt, können jedoch nur eine eingeschränkte Steuerung in der gesamten Fahrzeugkabine erreichen. Daher haben wir ein Rückkopplungssystem mit Fehlersensoren und Lautsprechern entwickelt. Das System verwendet die Fehlermikrofone in der Vorsteuerung des Motorgeräuschs und die Auto-Audiolautsprecher und benötigt daher wenig zusätzliche Hardware. Diese Architektur des Straßenlärmschutzsystems hält die Implementierungskosten niedrig.
Um die Leistung von Lärmschutzstrategien in einem Kleinwagen vorherzusagen, haben wir die akustische Reaktion zwischen den acht Fehlermikrofonen und den vier Auto-Audiolautsprechern gemessen. Zusätzlich haben wir an den acht Fehlermikrofonen die akustische Störung gemessen, die durch Motor- und Straßenlärm verursacht wird. Um diese Messungen zu erleichtern, gab uns das Datenerfassungssystem mindestens 17 simultan abgetastete Eingangskanäle mit Antialiasing-Filtern und mindestens einen Audioausgabekanal.
Aufgrund von Straßentests mussten wir außerdem die 12-V-Stromversorgung des Autos verwenden, um das System zu versorgen. Diese Anforderungen erfüllten wir mit einem NI CompactDAQ System mit fünf NI 9234 C-Serie-Dynamiksignal-Erfassungsmodulen und einem NI 9263 C-Serie-Analogausgangsmodul. Die Kompatibilität von NI CompactDAQ mit einer weit verbreiteten, textbasierten Mathematiksprache hat unserer Anwendung erheblich zugute gekommen. Wir konnten schnell Ergebnisse erzielen, da wir Erfahrung mit dieser Softwareumgebung hatten und der erforderliche Code bereits geschrieben war.
Die resultierenden Motor- und Straßenlärmmessungen zeigten die Frequenzbereiche, die ANC erfordern. So zeigten die Motorgeräuschmessungen einen starken schmalbandigen Spitzenwert im Spektrum bei der Frequenz der zweiten Motorordnung, die vom Vierzylindermotor des getesteten Autos erzeugt wurde. Umgekehrt wurde bei den Straßenlärmmessungen eine Breitbandspitze zwischen 80 Hz und 160 Hz festgestellt, die für die Rückkopplungsregelung vorgesehen ist.
Wir können die Leistung der ANC-Strategien anhand der Reduzierung des akustischen Potenzials beurteilen. Anhand der gemessenen Daten haben wir die Leistung des Feedforward-Reglers offline synthetisiert und eine Reduzierung des Rauschens der zweiten Engine in der prognostizierten Größenordnung zwischen 5 dB und 12 dB erzielt. Wir prognostizierten die Leistung des Rückkopplungsreglers anhand der gemessenen Daten und eine Reduzierung über den angestrebten Frequenzbereich von etwa 6 dB.
Wir haben mit Hilfe von NI CompactDAQ ein aktives Motor- und Straßenlärmschutzsystem für die integrierte Implementierung in einem Fahrzeug entwickelt. Mit den Funktionen von NI CompactDAQ I/O, Simultanabtastung, Antialiasing-Filtern und Gleichstromversorgung können wir die akustische Umgebung in einer Fahrzeugkabine genau messen. Wir haben die gemessenen Daten verwendet, um die Leistung des Reglers bei der Reduzierung von Motor- und Straßenlärm vorherzusagen, und diese Vorhersagen deuten auf ein nützliches Maß an niederfrequenter Geräuschreduzierung hin. Künftig werden diese Systeme in Echtzeit implementiert. Wir erwarten erhebliche Kosteneinsparungen, wenn wir unser System aktualisieren, da wir dieselben Ein- und Ausgangsmodule mit NI CompactDAQ verwenden können.
Jordan Cheer
Institut für Schall- und Schwingungsforschung, Universität München
Southampton SO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk