Jordan Cheer，南安普敦大學聲音與振動研究所
開發具經濟效益的整合式主動式雜訊控制 (ANC) 系統，在考量聲音雜訊來源與環境因素的前提下，用於控制車艙內的引擎與道路雜訊。
使用 NI CompactDAQ 硬體監控車艙環境並量測引擎與道路雜訊，打造具經濟效益的即時 ANC 系統。
道路車輛的雜訊對車輛是否能夠商業成功具有重要影響。我們可以透過結構阻尼與聲音吸收等被動式聲音處理方式，大幅降低車艙內的引擎與道路雜訊。不過，近期對主動式雜訊控制的興趣，來自於需要透過新的經濟型引擎設計提升車輛燃油效率並減輕車重。
經濟型引擎設計 (例如可變位移，通常是透過停用汽缸來運作) 通常會導致低頻雜訊增加，減輕車重也會有同樣的結果。使用輕量被動式措施來控制低頻雜訊並不容易，而 ANC 系統在低頻下最為有效，且重量增加有限，因此能提供方便的補充解決方案。
限制在車輛中廣泛商業應用 ANC 系統的主要因素，就是高昂的實施成本。因此，我們必須將控制系統整合至標準車輛電子系統。我們的重點在於開發具經濟效益的 ANC 系統，並有潛力廣泛應用於商業用途。
前饋引擎雜訊控制是多家主要汽車製造商徹底研究並實施的 ANC 範例之一。這些系統會使用汽車音訊喇叭消除車艙內的引擎雜訊，並使用誤差麥克風進行監控。來自引擎的參考訊號可提供引擎轉速，並透過自適應濾波器驅動喇叭，將麥克風的壓力降至最低。由於此控制器可與音訊系統整合，因此幾乎不需要額外的硬體或支出。
使用前饋控制系統減少道路雜訊時，必須從安裝在車輛結構上的加速規取得多個參考訊號。如此一來，系統就相當昂貴，難以實施。
反饋控制器不需要參考訊號，非常適合用來控制道路雜訊。標準的單輸入單輸出反饋控制系統已成功用於降噪耳機，但在車艙內只能發揮有限的控制效能。因此，我們使用誤差感測器與喇叭開發了反饋控制系統。此系統會在前饋引擎雜訊控制系統與汽車音訊喇叭中使用誤差麥克風，因此只需極少的額外硬體。這種道路雜訊控制系統架構能降低實施成本。
為了預測小型汽車的雜訊控制策略效能，我們量測了 8 個誤差麥克風和 4 個汽車音訊喇叭之間的聲音響應。此外，我們也量測了 8 個誤差麥克風處引擎與道路雜訊所產生的聲音干擾。為輔助進行這類量測作業，資料擷取系統須提供至少 17 個具備反失真濾波器的同步取樣輸入通道，以及至少 1 個音訊輸出通道。
此外，由於道路測試，我們需要使用汽車的 12 V 電源供應器來為系統供電。我們使用配備 5 個 NI 9234 C 系列動態訊號擷取模組和 1 個 NI 9263 C 系列類比輸出模組的 NI CompactDAQ 系統，滿足了上述需求。NI CompactDAQ 能與廣為使用的純文字數學語言相容，因此能大幅提升我們的應用效益。由於我們有使用此軟體環境的經驗，且所需的程式碼已編寫，因此我們可以快速取得結果。
結果產生的引擎與道路雜訊量測強調了需要 ANC 的頻率區域。舉例來說，引擎雜訊量測結果顯示，受測車輛的四缸引擎所產生的第二個引擎階次頻率上，頻譜中出現了一個明顯的窄頻峰值。反之，道路雜訊量測顯示，於 80 Hz 到 160 Hz 之間，存在一個寬頻峰值，而這正是反饋控制的目標成分。
我們可以根據聲音勢能的減少來評估 ANC 策略的效能。我們使用所量測的資料，離線合成前饋控制器的效能，並且在預測之二階引擎噪音階次上，取得了介於 5 dB 到 12 dB 之間的雜訊抑制。我們使用所量測的資料預測反饋控制器的效能，並在目標頻率範圍內降低約 6 dB。
我們使用 NI CompactDAQ 建立主動式引擎與道路雜訊控制系統，以在汽車中進行整合式實施。使用 NI CompactDAQ 的 I/O 功能、同步取樣、反失真濾波器與 DC 電源，即可準確量測車艙內的聲音環境。我們使用所量測的資料來預測控制器在減少引擎與道路雜訊時的效能，而這些預測顯示了低頻雜訊抑制的實用程度。未來工作將涉及這些系統的即時實施。更新系統後，我們可透過 NI CompactDAQ 使用相同的輸入與輸出模組，進而大幅節省成本。
Jordan Cheer
南安普敦大學聲音與振動研究所
南安普敦 SO17 1BJ
j.cheer@soton.ac.uk