Jordan Cheer, 사우스햄프턴 대학교 사운드 및 진동 연구소
음향 노이즈 소스와 환경을 고려하면서 차량 캐비닛의 엔진 및 도로 노이즈 제어에 적합하고 비용 효율적인 활성 노이즈 제어(ANC) 시스템 개발하기.
비용 효율적인 리얼타임 ANC 시스템을 위해 NI CompactDAQ 하드웨어를 사용하여 자동차 캐비닛 환경을 모니터하고 엔진 및 도로 노이즈를 측정할 수 있습니다.
도로 차량의 노이즈는 자동차의 상업적 성공 여부에 큰 영향을 미칩니다. 구조적 감쇠 및 음향 흡수와 같은 수동 음향 처리를 통해 자동차 캐비닛의 엔진 및 도로 노이즈를 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 최근 활성 노이즈 제어에 대한 관심은 새로운 경제적인 엔진 설계와 차량 무게 감소를 통해 자동차 연료 효율성을 향상시킬 필요성에 기초해 왔습니다.
경제적인 엔진 설계(일반적으로 원기둥형을 비활성화하여 작동하는 가변 변위와 같은)는 차량의 무게를 줄이는 것과 마찬가지로 낮은 주파수 노이즈를 증가시킵니다. 낮은 주파수 노이즈는 가벼운 수동 측정을 사용하여 제어하기 어렵고, ANC 시스템은 낮은 주파수에서 가장 효과적이며 가중치가 상대적으로 작게 증가하기 때문에 편리한 보완 솔루션을 제공합니다.
자동차에서 ANC 시스템의 광범위한 상업적 구현을 제한하는 주요 요인은 구현 비용이 높기 때문입니다. 따라서, 컨트롤 시스템을 표준 자동차 전자 시스템에 통합해야 합니다. 우리는 광범위한 상업적 구현 가능성을 갖춘 비용 효율적인 ANC 시스템 개발에 중점을 두었습니다.
피드포워드 엔진 노이즈 컨트롤은 여러 주요 자동차 제조업체에서 철저하게 연구하고 구현한 ANC의 예입니다. 이러한 시스템은 자동차 오디오 스피커를 사용하여 자동차 캐비닛의 엔진 노이즈를 제거합니다. 이는 에러 마이크의 배열을 사용하여 모니터링됩니다. 엔진에서 얻은 참조 신호는 엔진 속도를 제공하며, 적응 필터를 통해 스피커를 구동하여 마이크의 압력을 최소화합니다. 이 컨트롤러는 오디오 시스템과 통합되므로 하드웨어 또는 비용이 매우 적습니다.
피드포워드 컨트롤 시스템을 사용하여 도로 노이즈를 줄이려면 자동차 구조에 장착된 가속도계에서 여러 참조 신호를 얻어야 합니다. 이로 인해 구현하기 어려운 시스템이 많이 소모됩니다.
참조 신호를 필요로 하지 않는 피드백 컨트롤러는 도로 노이즈를 컨트롤하는데 적합합니다. 표준 단일 입력, 단일 출력 피드백 컨트롤 시스템은 노이즈 감소 헤드폰에서 성공적으로 사용되지만, 자동차 캐빈 전체에서 제한된 컨트롤만을 얻을 수 있습니다. 그러므로 에러 센서와 스피커를 사용하여 피드백 컨트롤 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 피드포워드 엔진 노이즈 컨트롤 시스템과 자동차 오디오 스피커에서 에러 마이크를 사용하므로 추가적인 하드웨어가 거의 필요하지 않습니다. 이러한 도로 노이즈 제어 시스템 아키텍처를 사용하면 구현 비용이 낮아집니다.
소형 자동차에서 노이즈 제어 전략의 성능을 예측하기 위해, 8개의 에러 마이크와 4개의 자동차 오디오 스피커 사이의 음향 응답을 측정했습니다. 또한 8개의 에러 마이크에서 엔진 및 도로 노이즈가 생성하는 음향 간섭을 측정했습니다. 이러한 측정을 용이하게 하기 위해, 데이터 수집 시스템은 앨리어스 제거 필터를 사용하여 동시에 샘플링된 입력 채널이 최소 17개, 오디오 출력 채널이 최소 1개였습니다.
또한 도로 테스트로 인해 자동차의 12 V 전원 공급 장치를 사용하여 시스템 전원을 공급해야 했습니다. NI는 5개의 NI 9234 C 시리즈 동적 신호 수집 모듈과 NI 9263 C 시리즈 아날로그 출력 모듈이 포함된 NI CompactDAQ 시스템으로 이러한 요구 사항을 충족했습니다. NI CompactDAQ이 널리 사용되는 텍스트 기반 수학 언어와 호환되었기 때문에 NI 어플리케이션이 크게 이점을 얻었습니다. 이 소프트웨어 환경을 사용한 경험이 있고 필요한 코드가 이미 작성되었기 때문에 빠르게 결과를 얻을 수 있습니다.
결과로 얻은 엔진 및 도로 노이즈 측정은 ANC가 필요한 주파수 영역을 하이라이트했습니다. 예를 들어, 엔진 노이즈 측정은 테스트된 자동차의 4 원기둥형 엔진이 생성한 두 번째 엔진 차수의 주파수에서 스펙트럼에서 강력한 좁은 대역 피크를 보여줍니다. 반대로, 도로 노이즈 측정은 피드백 컨트롤을 위한 구성요소인 80 Hz에서 160 Hz 사이의 광대역 피크를 강조했습니다.
음향 포텐셜 에너지의 감소를 기준으로 ANC 전략의 성능을 평가할 수 있습니다. 측정된 데이터를 사용하여, 오프라인으로 피드포워드 컨트롤러의 성능을 통합하여 5 dB에서 12 dB 사이의 예상된 차수로 두 번째 엔진의 노이즈를 감소시켰습니다. 측정된 데이터와 목표 주파수 범위 전체에서 약 6 dB의 감소를 사용하여 피드백 컨트롤러의 성능을 예측했습니다.
NI CompactDAQ을 사용하여 자동차에서 통합적으로 구현할 수 있도록 활성 엔진 및 도로 노이즈 제어 시스템을 생성했습니다. NI CompactDAQ I/O 기능, 동시 샘플링, 앨리어스 제거 필터, DC 전원을 사용하여 자동차 캐비닛의 음향 환경을 정확하게 측정할 수 있습니다. 측정된 데이터를 사용하여 엔진 및 도로 노이즈를 모두 감소시키는 컨트롤러 성능을 예측하였으며, 이러한 예측은 저주파 노이즈 감소의 유용한 수준을 나타냅니다. 향후 작업에서는 이러한 시스템을 실시간으로 구현할 것입니다. NI CompactDAQ과 함께 동일한 입력 및 출력 모듈을 사용할 수 있기 때문에 시스템을 업데이트하면 상당한 비용 절감이 가능합니다.
요르단 치어
사우스햄프턴 대학교 사운드 및 진동 연구소
Southampton SO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk