Desarrollar sistemas integrados y rentables de control activo del ruido (ANC) para el control del ruido del motor y de la carretera en la cabina de un vehículo, teniendo en cuenta las fuentes acústicas de ruido y el entorno.
Uso del hardware NI CompactDAQ para monitorear el entorno del habitáculo del automóvil y medir el ruido del motor y de la carretera para sistemas ANC rentables y en tiempo real.
El ruido de los vehículos de carretera juega un papel importante en el éxito comercial de un vehículo. Podemos reducir en gran medida el ruido tanto del motor como de la carretera en una cabina de automóvil con tratamientos acústicos pasivos como la amortiguación estructural y la absorción acústica. Sin embargo, el interés reciente en el control activo del ruido ha sido impulsado por la necesidad de mejorar la eficiencia del combustible del vehículo a través de nuevos diseños económicos del motor y la reducción del peso del vehículo.
Los diseños económicos del motor (como la cilindrada variable, que generalmente funciona desactivando cilindros) a menudo resultan en un aumento del ruido de baja frecuencia, al igual que la reducción del peso del vehículo. El ruido de baja frecuencia es difícil de controlar utilizando medidas pasivas ligeras, y debido a que los sistemas ANC son más eficaces a bajas frecuencias y resultan en un aumento relativamente pequeño de peso, ofrecen una solución complementaria conveniente.
El principal factor que limita la implantación comercial generalizada de sistemas ANC en vehículos es el elevado coste de implantación. Por lo tanto, debemos integrar el sistema de control en el sistema electrónico estándar del automóvil. Nos centramos en el desarrollo de un sistema de ANC rentable, con el potencial de una amplia implementación comercial.
El control anticipado del ruido del motor es un ejemplo de un ANC que ha sido investigado e implementado exhaustivamente por varios fabricantes de automóviles importantes. Estos sistemas utilizan los altavoces de audio del coche para cancelar el ruido del motor en la cabina del coche, que se monitoriza mediante una serie de micrófonos de error. Una señal de referencia obtenida del motor proporciona la velocidad del motor y acciona los altavoces a través de un filtro adaptativo para minimizar la presión en los micrófonos. Al integrarse con el sistema de audio, este controlador requiere muy poco hardware o gasto adicional.
La reducción del ruido en carretera mediante un sistema de control directo debe obtener múltiples señales de referencia de los acelerómetros montados en la estructura del vehículo. Esto da como resultado un sistema costoso que es difícil de implementar.
Un controlador de retroalimentación, que no requiere una señal de referencia, es adecuado para controlar el ruido de la carretera. Los sistemas estándar de control de retroalimentación de una sola entrada y una sola salida se utilizan con éxito en los auriculares reductores de ruido, pero solo pueden lograr un control limitado en toda la cabina del automóvil. Por lo tanto, desarrollamos un sistema de control de retroalimentación utilizando sensores de error y altavoces. El sistema utiliza los micrófonos de error en el sistema de control de ruido del motor de alimentación y los altavoces de audio del automóvil y, por lo tanto, requiere poco hardware adicional. Esta arquitectura de sistema de control de ruido de carretera mantiene bajos los costes de implementación.
Para predecir el rendimiento de las estrategias de control de ruido en un automóvil pequeño, medimos la respuesta acústica entre los ocho micrófonos de error y los cuatro altavoces de audio del automóvil. Además, medimos la perturbación acústica producida por el ruido del motor y de la carretera en los ocho micrófonos de error. Para facilitar estas mediciones, el sistema de adquisición de datos nos dio al menos 17 canales de entrada muestreada simultáneamente con filtros antialiasing, y al menos un canal de salida de audio.
Además, debido a las pruebas en carretera, necesitábamos utilizar la fuente de alimentación de 12 V del automóvil para alimentar el sistema. Cumplimos con estos requisitos con un sistema NI CompactDAQ con cinco módulos de adquisición de señales dinámicas NI 9234 Serie C y un módulo de salida analógica NI 9263 Serie C. La compatibilidad de NI CompactDAQ con un lenguaje matemático basado en texto ampliamente utilizado benefició significativamente a nuestra aplicación. Pudimos obtener resultados rápidamente porque teníamos experiencia con este entorno de software, y el código requerido ya estaba escrito.
Las mediciones resultantes del ruido del motor y de la carretera pusieron de relieve las regiones de frecuencia que requieren ANC. Por ejemplo, las mediciones de ruido del motor mostraron un fuerte pico de banda estrecha en el espectro a la frecuencia del segundo orden del motor producido por el motor de cuatro cilindros del automóvil probado. Por el contrario, las mediciones del ruido en carretera pusieron de relieve un pico de banda ancha entre 80 Hz y 160 Hz, que es el componente objetivo para el control de la retroalimentación.
Podemos evaluar el rendimiento de las estrategias del ANC a partir de la reducción de la energía potencial acústica. Utilizando los datos medidos, sintetizamos el rendimiento del controlador de alimentación directa sin conexión y producimos una reducción del ruido del segundo motor en el orden previsto de entre 5 dB y 12 dB. Predecimos el rendimiento del controlador de retroalimentación utilizando los datos medidos y una reducción en el rango de frecuencias objetivo de alrededor de 6 dB.
Utilizamos NI CompactDAQ para crear un motor activo y un sistema de control de ruido de carretera para la implementación integrada en un automóvil. Al utilizar las capacidades de E/S de NI CompactDAQ, el muestreo simultáneo, los filtros anti-aliasing y la alimentación de CC, podemos medir con precisión el entorno acústico en el habitáculo de un automóvil. Utilizamos los datos medidos para predecir el rendimiento del controlador en la reducción del ruido del motor y de la carretera, y estas predicciones indican un nivel útil de reducción del ruido de baja frecuencia. La labor futura incluirá la aplicación en tiempo real de estos sistemas. Esperamos ahorros significativos de costes cuando actualicemos nuestro sistema porque podemos utilizar los mismos módulos de entrada y salida con NI CompactDAQ.
Jordan Cheer
Instituto de Investigación de Sonidos y Vibraciones, Universidad de Southampton
Southampton SO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk