使用NI CompactDAQ来检查道路车辆中有源噪声控制的效果

概述

一款商用车辆是否成功，其路面噪声评价扮演了很重要的角色。虽然通过被动的声学处理例如驾驶室结构阻尼和吸声作用，我们可以大大地减少驾驶室中的引擎和路面噪声。然而，随着最近对汽车燃油效率要求的提高，需要新的经济型引擎设计并降低汽车的重要，导致噪声控制的兴趣更多地移到了有源噪声控制上。

新的经济型引擎设计（如可变排气量引擎，通常是通过停用气缸来实现的）往往会导致低频噪声的增加，并降低汽车的重量。低频噪声一般很难使用轻型的被动措施来进行控制。因为ANC系统在控制低频噪声方面是最有效的，并且只会增加相对少的重量，这就为低频噪声的控制提供了一个方便的补充解决方案。

ANC系统在汽车行业很难得到广泛商业应用的主要原因是其高昂的费用。因此，我们必须将这个噪声控制系统集成到标准的汽车电子系统中。我们将研究的重心放在开发一个低成本的ANC系统上，这样该系统就具有日后可以广泛运用商业实现的潜力。

用于路面车辆的ANC控制策略

前馈型的引擎噪声控制系统就是这样的ANC系统的一个很好的实例，目前它已经被很多主要的汽车制造商们实验并实现到他们的产品中。这些系统是使用汽车驾驶中的车载音响喇叭来抵消引擎噪声的，而引擎噪声则是用一套误差麦克风阵列来监视的。从引擎得到的参考信号提供了引擎转速，通过一个自适应滤波器来驱动扬声器以最小化麦克风上的压强。通过将这套系统集成到音响系统中，该控制器只需要非常少的额外硬件和花费投入。

使用前馈控制系统的路面噪声控制必须通过安装在车辆结构上的各个加速度计获取多个参考信号。这也造成了系统成本的提高，并且不太容易实现。

而对于反馈控制器来说，不需要参考信号，所以更适合用作路面噪声控制。标准的信号输入，信号输出反馈系统已经成功地被用在降噪耳机中，但是它在汽车驾驶室中就只能实现有限的噪声控制。所以，我们开发了一个使用误差传感器和扬声器的反馈控制系统。该系统使用了前馈型引擎噪声控制系统中的误差麦克风阵列和汽车的车载音响喇叭，因此仅需要非常少的额外硬件。这样一个路面噪声控制系统架构可以很好地控制实现成本。

测量汽车声学环境

为了预测在小型车辆中的噪声控制策略的性能，我们测量了八个误差麦克风和四个车载音响喇叭之间的声学响应。另外，我们还测量了八个误差麦克风位置上由引擎和路面噪声造成的声学干扰。为了便于实现这些测量，我们需要的数据采集系统至少要提供17个可以进行同步采集并且具有抗混叠滤波器的数据采集通道以及至少一个用于音频输出的输出通道。

此外，为了便于道路测试，我们需要该数据采集系统可以使用车载的12V电源供电。在NI CompactDAQ系统平台上，我们使用五个NI 9234 C系列动态信号采集模块和一个NI 9263 C系列模拟输出模块就完全满足了所有的这些需求。由于NI CompactDAQ可以完全地兼容广泛使用的基于文本的数学编程语言，极大地方便了我们的应用程序的开发。我们可以很快地看到应用的结果，因为我们已经有该软件环境的经验，并且所需的代码也是现成的。

接下来的引擎和路面噪声测量突出了需要有源噪声控制（ANC）的频域范围。例如，引擎噪声的测试结果显示在频谱中引擎频率二倍频的位置具有一个很强的窄带尖峰，该现象是由测试车辆的四气缸引擎造成。与之对应的，路面噪声测量则突出显示了一个位于80Hz到160Hz之间的宽带信号，这就是反馈控制的对象。

预测ANC系统的性能

我们可以通过声学势能的减少来评估该ANC控制策略的性能。使用测试所得的数据，我们离线合成了前馈控制器的性能，并且在引擎的二倍频预测阶次上取得了5dB到12dB的噪声消除。使用测试所得的数据，我们预测了反馈控制器的性能，并且在目标频率范围上取得了大约6dB左右的噪声消除。

结论

我们使用NI CompactDAQ系统来搭建了一个有源引擎及路面噪声控制系统，用于车辆的集成部署。使用NI ComapctDAQ灵活的I/O功能，同步采样的能力，模块中自带的抗混叠滤波器和DC电源，我们可以准确地测量汽车驾驶室中的声学环境。使用测量到的数据，我们可以预测控制器的工作状态来同时减小引擎和道路噪声，同时，这些预测也说明了低频降噪的有用程度。未来的工作在于这些系统的实时部署实现。在我们更新系统的时候，能有非常大的成本节省，因为我们可以继续使用NI CompactDAQ系统的输入和输出模块。

作者信息:

Jordan Cheer
Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton
Southampton SO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk