ジョーダン・チア サザンプトン大学音響振動研究所
音響騒音源と環境を考慮しながら、車室内のエンジンおよび道路騒音制御のための統合されたコスト効率の高いアクティブノイズ制御（ANC）システムの開発。
NI CompactDAQハードウェアを使用して車室内環境を監視し、コスト効率に優れたリアルタイムANCシステム用にエンジンと道路騒音を測定します。
道路車両騒音は、車両が商業的に成功するかどうかに大きく影響します。構造減衰や吸音などの受動音響処理により、車室内のエンジン音とロードノイズを大幅に低減できます。しかし、近年のアクティブノイズ制御への関心は、新しい経済的なエンジン設計と車両軽量化による自動車燃費の改善の必要性から高まっています。
経済的なエンジン設計（通常シリンダーを非アクティブにして動作する可変変位など）では、多くの場合、車両の軽量化と同様に低周波ノイズが増加します。低周波数ノイズは、軽量パッシブ測定では制御が難しく、ANCシステムは低周波数で最も効果的で重量の増加が比較的小さいため、便利な補完的ソリューションを提供します。
車両へのANCシステムの広範な商用実装を制限する主な要因は、実装コストが高いことです。そのため、制御システムを標準のカーエレクトロニクスシステムに統合する必要があります。我々は、広範囲な商業実装が可能なコスト効率の高いANCシステムの開発に注力しました。
フィードフォワードエンジンノイズ制御は、多くの主要自動車メーカーが徹底的に調査し、実装したANCの1つです。これらのシステムは、カーオーディオスピーカーを使用して車室内のエンジンノイズをキャンセルします。このノイズは、エラーマイクロホンの配列を使用して監視されます。エンジンから取得された基準信号は、エンジン速度を提供し、マイクロホンの圧力を最小限に抑えるために適応フィルタを介してスピーカーを駆動します。オーディオシステムと統合することで、このコントローラに必要な追加ハードウェアや費用はほとんどありません。
フィードフォワード制御システムを使用したロードノイズ除去では、車両構造に取り付けられた加速度計から複数の基準信号を取得する必要があります。その結果、高価なシステムの実装が困難になります。
フィードバックコントローラは、基準信号を必要としないため、ロードノイズの制御に適しています。標準的な単一入力、単一出力フィードバック制御システムはノイズリダクションヘッドフォンでよく使用されていますが、車室内全体では限られた制御しか実現できません。そこで、誤差センサとスピーカを使用したフィードバック制御システムを開発しました。システムはフィードフォワードエンジンノイズ制御システムとカーオーディオスピーカーのエラーマイクロホンを使用するため、追加のハードウェアはほとんど必要ありません。この道路騒音制御システムアーキテクチャは、実装コストを低く抑えます。
小型車におけるノイズ制御方法のパフォーマンスを予測するために、8つのエラーマイクロホンと4つのカーオーディオスピーカ間の音響応答を測定しました。さらに、8つのエラーマイクロホンで、エンジンノイズとロードノイズの両方から発生する音響外乱を測定しました。これらの計測を容易にするために、データ収集システムはアンチエイリアスフィルタを使用して17チャンネル以上の同時サンプリング入力と1チャンネル以上のオーディオ出力を提供しました。
さらに、路上テストのため、システムの電源として12 V電源を使用する必要がありました。これらの要件を満たすために、5つのNI 9234 Cシリーズダイナミック信号収集モジュールとNI 9263 Cシリーズアナログ出力モジュールを搭載したNI CompactDAQシステムを開発しました。NI CompactDAQは、広く使用されているテキストベースの数学言語と互換性があるため、アプリケーションに大きなメリットをもたらしました。このソフトウェア環境の経験があり、必要なコードがすでに作成されているため、すぐに結果を得ることができます。
その結果、エンジンおよび道路騒音の測定で、ANCを必要とする周波数領域が浮き彫りになりました。たとえば、エンジンノイズの測定では、テストカーの4気筒エンジンで生成された2次エンジン周波数でスペクトルに強力な狭帯域ピークが見られました。逆に、ロードノイズ測定では、フィードバック制御の対象となる80 Hz～160 Hzの広帯域ピークがハイライトされています。
音響ポテンシャルエネルギーの減少から、ANC法の性能を評価することができます。測定されたデータを使用して、フィードフォワードコントローラのパフォーマンスをオフラインで合成し、2番目のエンジンのノイズを5 dB～12 dBの予測次数で減少させました。測定データを使用してフィードバックコントローラの性能を予測し、目標周波数範囲の約6 dBで低下することを予測しました。
NI CompactDAQを使用して、車内に実装するためのアクティブエンジンとロードノイズ制御システムを構築しました。NI CompactDAQ I/O機能、同時サンプリング、アンチエイリアスフィルタ、DC電源を使用することで、車室内の音響環境を正確に測定できます。測定されたデータを使用して、エンジンおよび道路騒音両方の低減におけるコントローラの性能を予測しました。これらの予測は、低周波数騒音の低減に役立つレベルを示します。将来の作業では、これらのシステムをリアルタイムで実装します。NI CompactDAQで同じ入出力モジュールを使用できるため、システムを更新する際に大幅なコスト削減が期待されます。
ジョーダン・チア
サザンプトン大学音響振動研究所
サザンプトンSO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk