Développement de systèmes intégrés et rentables de contrôle du bruit actif (ANC) pour le contrôle du bruit moteur et routier dans un habitacle de véhicule tout en tenant compte des sources de bruit acoustique et de l’environnement.
Utilisation du matériel NI CompactDAQ pour surveiller l’environnement de l’habitacle de la voiture et mesurer le bruit du moteur et de la route pour des systèmes ANC temps réel rentables.
Le bruit des véhicules routiers joue un rôle important dans le succès commercial d'un véhicule. Nous pouvons réduire considérablement le bruit moteur et routier dans un habitacle de voiture avec des traitements acoustiques passifs tels que l’atténuation structurelle et l’absorption acoustique. Cependant, l'intérêt récent pour le contrôle actif du bruit a été motivé par la nécessité d'améliorer l'efficacité énergétique des véhicules grâce à de nouvelles conceptions de moteurs économiques et à une réduction du poids des véhicules.
Les conceptions de moteur économiques (telles que la cylindrée variable, qui fonctionne généralement en désactivant les cylindres) entraînent souvent une augmentation du bruit basse fréquence, tout comme la réduction du poids du véhicule. Le bruit basse fréquence est difficile à contrôler en utilisant des mesures passives légères, et comme les systèmes ANC sont plus efficaces aux basses fréquences et entraînent une augmentation de poids relativement faible, ils offrent une solution complémentaire pratique.
Le principal facteur limitant la mise en œuvre commerciale généralisée des systèmes ANC dans les véhicules est le coût de mise en œuvre élevé. Nous devons donc intégrer le système de contrôle dans le système électronique standard des voitures. Nous nous sommes concentrés sur le développement d’un système de contrôle actif du bruit (ANC) rentable, avec le potentiel d’une mise en œuvre commerciale généralisée.
Le contrôle prévisionnel du bruit du moteur est un exemple d’ANC qui a été étudié et mis en œuvre de manière approfondie par un certain nombre de grands constructeurs automobiles. Ces systèmes utilisent les haut-parleurs audio de la voiture pour annuler le bruit du moteur dans l’habitacle de la voiture, qui est surveillé à l’aide d’un tableau de microphones d’erreur. Un signal de référence obtenu du moteur fournit le régime du moteur et pilote les haut-parleurs via un filtre adaptatif pour minimiser la pression au niveau des microphones. En s'intégrant au système audio, ce contrôleur nécessite très peu de matériel ou de dépenses supplémentaires.
La réduction du bruit routier à l’aide d’un système de contrôle prévisionnel doit obtenir plusieurs signaux de référence à partir d’accéléromètres montés sur la structure du véhicule. Il en résulte un système coûteux et difficile à implémenter.
Un régulateur de rétroaction, qui ne nécessite pas de signal de référence, est bien adapté pour contrôler le bruit de la route. Les systèmes de contrôle de rétroaction standard à une entrée et une sortie sont utilisés avec succès dans les écouteurs réducteurs de bruit, mais ils ne peuvent obtenir qu’un contrôle limité dans tout l’habitacle de la voiture. Par conséquent, nous avons développé un système de contrôle de feedback utilisant des capteurs d’erreur et des haut-parleurs. Le système utilise les microphones d’erreur dans le système de contrôle du bruit du moteur et les haut-parleurs audio de la voiture et nécessite donc peu de matériel supplémentaire. Cette architecture de système de contrôle du bruit routier maintient les coûts de mise en œuvre bas.
Pour prédire les performances des stratégies de contrôle du bruit dans une petite voiture, nous avons mesuré la réponse acoustique entre les huit microphones d’erreur et les quatre haut-parleurs audio de la voiture. De plus, nous avons mesuré les perturbations acoustiques produites par le bruit du moteur et de la route aux huit microphones d’erreur. Pour faciliter ces mesures, le système d’acquisition de données nous a fourni au moins 17 voies d’entrée échantillonnée simultanément avec des filtres anti-repliement, et au moins une voie de sortie audio.
De plus, en raison des tests sur route, nous devions utiliser l’alimentation 12 V de la voiture pour alimenter le système. Nous avons répondu à ces exigences avec un système NI CompactDAQ doté de cinq modules d’acquisition de signaux dynamiques NI 9234 de la Série C et d’un module de sortie analogique NI 9263 de la Série C. La compatibilité de NI CompactDAQ avec un langage mathématique textuel largement utilisé a considérablement bénéficié à notre application. Nous avons pu obtenir rapidement des résultats car nous avions de l’expérience avec cet environnement logiciel, et le code requis était déjà écrit.
Les mesures de bruit moteur et routier qui en ont résulté ont mis en évidence les régions de fréquence nécessitant une ANC. Par exemple, les mesures de bruit du moteur ont montré un fort pic de bande étroite dans le spectre à la fréquence du deuxième ordre moteur produit par le moteur à quatre cylindres de la voiture testée. Inversement, les mesures du bruit routier ont mis en évidence un pic à large bande entre 80 Hz et 160 Hz, qui est la composante ciblée pour le contrôle de rétroaction.
Nous pouvons évaluer les performances des stratégies ANC à partir de la réduction de l’énergie potentielle acoustique. En utilisant les données mesurées, nous avons synthétisé les performances du contrôleur feedforward hors ligne et produit une réduction du bruit du deuxième moteur de l’ordre prévu entre 5 dB et 12 dB. Nous avons prédit les performances du contrôleur de rétroaction en utilisant les données mesurées et une réduction d’environ 6 dB sur la gamme de fréquences ciblée.
Nous avons utilisé NI CompactDAQ pour créer un moteur actif et un système de contrôle du bruit routier pour une implémentation intégrée dans une voiture. Grâce aux capacités d’E/S NI CompactDAQ, à l’échantillonnage simultané, aux filtres anti-repliement et à l’alimentation CC, nous pouvons mesurer avec précision l’environnement acoustique dans un habitacle de voiture. Nous avons utilisé les données mesurées pour prédire les performances du contrôleur dans la réduction du bruit moteur et routier, et ces prévisions indiquent un niveau utile de réduction du bruit basse fréquence. Les travaux futurs impliqueront une mise en œuvre en temps réel de ces systèmes. Nous prévoyons d’importantes économies lorsque nous mettrons à jour notre système car nous pouvons utiliser les mêmes modules d’entrée et de sortie avec NI CompactDAQ.
Jordan Cheer
Institut de recherche sur le son et les vibrations, Université de Southampton
Southampton SO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk