使用​NI CompactDAQ​来​检查​道路​车辆​中​有源​噪声​控制​的​效果

"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。" ​

- Jordan Cheer, Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton

挑战:

在​考虑​车辆​驾驶​室​噪声​源​和​环境​的​基础​上,​开发​一套​集成,​低成本​的​有源​噪声​控制​(ANC)​系统,​用​来​控制​驾驶​室​中的​引擎​和​路面​噪声。 ​

解决​方案:

使用​NI CompactDAQ​硬件​来​监视​车辆​驾驶​室​中的​环境,​为​低成本​的​实​时​ANC​系统​提供​引擎​和​路面​噪声​的​测量。 ​

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

​ ​图​1:​位于​汽车​前排​乘客​头​枕上​的​麦克​风 ​
​ ​图​2:​位于​汽车​驾驶​室​前方​的​麦克​风 ​
​ ​图​3:​位于​汽车​后排​乘客​头​枕上​的​麦克​风 ​
​ ​图​4:​位于​汽车​后​部​的​麦克​风 ​
​ ​图​5:​用于​引擎​噪声​消除​的​前​馈​型​有源​噪声​控制​系统 ​
​ ​图​6:​用于​路面​噪声​消除​的​反馈​型​有源​噪声​控制​系统 ​