实现车内低延迟主动降噪

在过去十年中，由于客户的期望值不断提高，汽车设计的重点发生了重大变化。现在，更多汽车工程师关注如何改进驾驶体验，让人们待在车内时尽可能感到愉快。设法将车内的背景噪音降到最低，为许多措施中的一项。
从车内机械结构到车外环境等各种噪声源，都可能产生大量噪音，这对人们乘车过程带来负面影响。这些噪声源主要来自恶劣的天气条件（如风雨）、轮胎与不平整路面的接触、底盘的振动、车辆悬架的运动、车载空调系统等因素。不过，控制车内噪音并不完全是为了获得舒适感。一些研究显示，我们控制噪音也是出于安全考虑，持续不断的低频噪音可能会导致司机疲劳和安全问题。
随着电动汽车（EV）销量的增加，相比于传统汽车，人们更加意识到消除惹人心烦的道路噪音更为迫切。因为传统汽车的内燃机（ICE）发出的噪音，在很大程度上掩盖了道路噪音。电动汽车本质上比燃油车更安静，其电动马达产生的噪音不足以掩盖其他噪音。
目前的降噪方法之一是使用吸音材料为车辆内装进行隔音。但问题是吸音材料不仅占用车内有限且宝贵的空间，而且价格昂贵，会发生汽车制造商可能认为不必要的额外成本。而且，这种被动降噪材料会使车辆总重量增加约30至45公斤，这显然又是个问题。因此，汽车制造商迫切希望找到一种主动降噪技术（active noise cancelation；ANC）的替代方案。

为汽车业提供主动降噪功能
主动降噪功能背后的原理相对来说比较简单。传感器装置检测到噪音，将噪音讯号进行处理运算来检查噪音波形，并发出等效的反向声波，让这两种声波互相抵消。这种原理已经在视听应用中使用了一段时间，比如高阶耳机。
但是，要实现这种主动降噪功能，就要考虑汽车产业的某些特殊性，这个产业需要小型、轻便且具成本效益的降噪方案。与各种车载组件或子系统一样，主动降噪系统也必须能在恶劣环境中可靠运行，该系统中的传感器必须足够坚固，以应对极端的温度、振动、冲击、液体侵入等挑战。
将分布在整个车辆底盘上的所有传感器连接到相应的讯号处理单元，布线复杂，必须进行有效配置，以确保不产生过多的额外物料成本。而且电缆线束重量是影响车辆总重量的重要因素。在电动汽车设计中，降低汽车重量尤为重要，这样就可以避免频繁充电。车辆越轻，续航里程越长！

最大限度提高降噪方案的性能
在测量降噪系统是否有效时，需要考虑两个关键的性能参数。首先是回应能力。系统必须在尽可能短的时间内接收并分析撷取讯号，然后产生相应的反向讯号进行互相抵消，以达到可接受的降噪效果。因此，延迟时间越短，降噪过程就越有效。
其次，传感器检测到各种范围内噪音讯号的能力极为重要。传感器无法撷取低于某个阙值的讯号，这些讯号因此被降噪系统忽略。因此，汽车工程师必须选择那些「本底噪音」（noise floor）极低的传感器。

汽车优化整体解决方案
Molex莫仕与半导体供货商Analog Devices公司和声学软件供货商Silentium公司合作推出了车载降噪方案。它不仅有效，而且还符合汽车制造商在线束重量、物料成本、持续运行可靠性等方面的要求。Molex道路降噪传感器（RNC），采用先进的MEMS加速计技术，具有低于150微秒（典型值）的低延迟指标。
这款RNC传感器采用由Analog Devices公司开发的汽车音频总线（A2B）专有接口技术，能够确保传输高保真音频讯号，同时减少布线，从而不会因降噪而使成本和重量过度增加。

 
图1 : 一连串以菊炼形式连接的Molex RNC传感器

通常，每个传感器通过单独的电缆直接连接到讯号处理单元，但从重量和空间利用的角度来看，这样做效率很低。针对该问题，A2B接口技术允许每条讯号链处理更多讯号，并简化了所需布线；A2B网络所支持的数据传输速率，允许RNC传感器在2毫秒内将噪音讯号传输到指定的讯号处理单元。

A2B音频总线系统通过菊炼形式连接所有传感器，这样减少了重量、空间和材料成本，进而简化了网络拓扑结构。在30公尺长的电缆上，我们最多可连接9个传感器，使布线重量减轻30%。

为了确保最大限度消除噪音，Molex RNC传感器提供了更高的灵敏度。因此，降噪后的本底噪音超低，这意味着可检出更多原始波形以作处理。图2所示的某传感器的本底噪音远高于100μg/√Hz，而Molex RNC传感器可撷取并消除更大范围的噪音讯号，而使本底噪音低于100μg/√Hz。结果是，Molex RNC传感器可以消除90%的有害噪音。它撷取从20Hz到1kHz范围内的噪音，这是一个很大的频率范围。因此，即使是低速行驶时，也可以降低噪音。


图2 : 本底噪音越低的好处：(a)原始噪音讯号；(b)标准传感器的本底噪音；(c) Molex RNC的本底噪音

在该主动降噪方案中采用Molex Mini50系列连接器，与使用标准USCAR 0.64连接器相比，可节省50%的空间。传感器安装在坚固外壳中（可依需要提供IP6K9K防护等级的外壳），因此可安装的更靠近噪声源，例如接近路面的位置，并加快整个降噪过程。

结论
随着汽车变得越来越轻，电气化程度越来越高，降低道路噪音将成为当务之急。幸好汽车制造商如今可以通过Molex RNC传感器，设计并部署重量更轻、性能更好、更灵活且高效的降噪方案。
在电动汽车中，低频噪音造成的驾驶疲劳问题会直接影响到驾驶员安全，新RNC传感器技术的优越表现，成为Molex推出的最重要的降噪解决方案之一。

（本文作者Kurt Dekoski为Molex莫仕业务发展工程师）