實現車內低延遲主動降噪

在過去十年中，由于客戶的期望值不斷提高，汽車設計的重點發生了重大變化?，F在，更多汽車工程師關注如何改進駕駛體驗，讓人們待在車內時盡可能感到愉快。設法將車內的背景噪音降到最低，為許多措施中的一項。
從車內機械結構到車外環境等各種噪聲源，都可能產生大量噪音，這對人們乘車過程帶來負面影響。這些噪聲源主要來自惡劣的天氣條件（如風雨）、輪胎與不平整路面的接觸、底盤的振動、車輛懸架的運動、車載空調系統等因素。不過，控制車內噪音并不完全是為了獲得舒適感。一些研究顯示，我們控制噪音也是出于安全考慮，持續不斷的低頻噪音可能會導致司機疲勞和安全問題。
隨著電動汽車（EV）銷量的增加，相比于傳統汽車，人們更加意識到消除惹人心煩的道路噪音更為迫切。因為傳統汽車的內燃機（ICE）發出的噪音，在很大程度上掩蓋了道路噪音。電動汽車本質上比燃油車更安靜，其電動馬達產生的噪音不足以掩蓋其他噪音。
目前的降噪方法之一是使用吸音材料為車輛內裝進行隔音。但問題是吸音材料不僅占用車內有限且寶貴的空間，而且價格昂貴，會發生汽車制造商可能認為不必要的額外成本。而且，這種被動降噪材料會使車輛總重量增加約30至45公斤，這顯然又是個問題。因此，汽車制造商迫切希望找到一種主動降噪技術（active noise cancelation；ANC）的替代方案。

為汽車業提供主動降噪功能
主動降噪功能背后的原理相對來說比較簡單。傳感器裝置檢測到噪音，將噪音訊號進行處理運算來檢查噪音波形，并發出等效的反向聲波，讓這兩種聲波互相抵消。這種原理已經在視聽應用中使用了一段時間，比如高階耳機。
但是，要實現這種主動降噪功能，就要考慮汽車產業的某些特殊性，這個產業需要小型、輕便且具成本效益的降噪方案。與各種車載組件或子系統一樣，主動降噪系統也必須能在惡劣環境中可靠運行，該系統中的傳感器必須足夠堅固，以應對極端的溫度、振動、沖擊、液體侵入等挑戰。
將分布在整個車輛底盤上的所有傳感器連接到相應的訊號處理單元，布線復雜，必須進行有效配置，以確保不產生過多的額外物料成本。而且電纜線束重量是影響車輛總重量的重要因素。在電動汽車設計中，降低汽車重量尤為重要，這樣就可以避免頻繁充電。車輛越輕，續航里程越長！

最大限度提高降噪方案的性能
在測量降噪系統是否有效時，需要考慮兩個關鍵的性能參數。首先是回應能力。系統必須在盡可能短的時間內接收并分析擷取訊號，然后產生相應的反向訊號進行互相抵消，以達到可接受的降噪效果。因此，延遲時間越短，降噪過程就越有效。
其次，傳感器檢測到各種范圍內噪音訊號的能力極為重要。傳感器無法擷取低于某個闕值的訊號，這些訊號因此被降噪系統忽略。因此，汽車工程師必須選擇那些「本底噪音」（noise floor）極低的傳感器。

汽車優化整體解決方案
Molex莫仕與半導體供貨商Analog Devices公司和聲學軟件供貨商Silentium公司合作推出了車載降噪方案。它不僅有效，而且還符合汽車制造商在線束重量、物料成本、持續運行可靠性等方面的要求。Molex道路降噪傳感器（RNC），采用先進的MEMS加速計技術，具有低于150微秒（典型值）的低延遲指標。
這款RNC傳感器采用由Analog Devices公司開發的汽車音頻總線（A2B）專有接口技術，能夠確保傳輸高保真音頻訊號，同時減少布線，從而不會因降噪而使成本和重量過度增加。

 
圖1 : 一連串以菊煉形式連接的Molex RNC傳感器

通常，每個傳感器通過單獨的電纜直接連接到訊號處理單元，但從重量和空間利用的角度來看，這樣做效率很低。針對該問題，A2B接口技術允許每條訊號鏈處理更多訊號，并簡化了所需布線；A2B網絡所支持的數據傳輸速率，允許RNC傳感器在2毫秒內將噪音訊號傳輸到指定的訊號處理單元。

A2B音頻總線系統通過菊煉形式連接所有傳感器，這樣減少了重量、空間和材料成本，進而簡化了網絡拓撲結構。在30公尺長的電纜上，我們最多可連接9個傳感器，使布線重量減輕30%。

為了確保最大限度消除噪音，Molex RNC傳感器提供了更高的靈敏度。因此，降噪后的本底噪音超低，這意味著可檢出更多原始波形以作處理。圖2所示的某傳感器的本底噪音遠高于100μg/√Hz，而Molex RNC傳感器可擷取并消除更大范圍的噪音訊號，而使本底噪音低于100μg/√Hz。結果是，Molex RNC傳感器可以消除90%的有害噪音。它擷取從20Hz到1kHz范圍內的噪音，這是一個很大的頻率范圍。因此，即使是低速行駛時，也可以降低噪音。


圖2 : 本底噪音越低的好處：(a)原始噪音訊號；(b)標準傳感器的本底噪音；(c) Molex RNC的本底噪音

在該主動降噪方案中采用Molex Mini50系列連接器，與使用標準USCAR 0.64連接器相比，可節省50%的空間。傳感器安裝在堅固外殼中（可依需要提供IP6K9K防護等級的外殼），因此可安裝的更靠近噪聲源，例如接近路面的位置，并加快整個降噪過程。

結論
隨著汽車變得越來越輕，電氣化程度越來越高，降低道路噪音將成為當務之急。幸好汽車制造商如今可以通過Molex RNC傳感器，設計并部署重量更輕、性能更好、更靈活且高效的降噪方案。
在電動汽車中，低頻噪音造成的駕駛疲勞問題會直接影響到駕駛員安全，新RNC傳感器技術的優越表現，成為Molex推出的最重要的降噪解決方案之一。

（本文作者Kurt Dekoski為Molex莫仕業務發展工程師）