Beépíthető, költséghatékony aktív zajcsökkentő (Active Noise Control ― ANC) rendszerek létrehozása az utastérben jelentkező motor- és útzaj csökkentésére, figyelembe véve az akusztikus zajforrásokat és a környezetet is, nem könnyű feladat. Az NI CompactDAQ modul egy, az utastéren belüli környezetet figyelő és a motor-, illetve útzajt mérő költséghatékony, valósidejű ANC-rendszer létrehozását tette lehetővé.
Egy jármű útzajának mértéke a kereskedelmi sikerességének fontos tényezője. Passzív akusztikus módszerekkel, például szerkezeti csillapítással és akusztikus csillapítókkal mind a motor-, mind az útzaj jelentősen csökkenthető. Mindazonáltal, az aktív zajcsökkentés iránti érdeklődés célja elsősorban a jármű üzemanyag-fogyasztásának javítása, új, gazdaságos motorkonstrukciók alkalmazása és az autó tömegének csökkentése.
Mind a gazdaságos motorkonstrukciók (például változtatható lökettérfogat alkalmazása, ami általában hengerek kiiktatásán alapul), mind a jármű súlyának csökkentése gyakran nagyobb mértékű kisfrekvenciás zajszintet eredményez, ami nehezen csökkenthető kis súlyú, passzív elemekkel. Ezzel szemben az ANC-rendszerek kisfrekvenciákon a leghatékonyabbak, és viszonylag kevéssé növelik meg a jármű súlyát, ezért kényelmes kiegészítő megoldást jelentenek.
Az ANC-rendszerek kereskedelmi elterjedését elsősorban nagy megvalósítási költségük korlátozza, ezért csak akkor válhatnak elterjedtebbé, ha vezérlőrendszerük be van építve az autó általános elektronikai rendszerébe. Célunk olyan költséghatékony, aktív zajcsökkentő megoldás kifejlesztése volt, amely jó eséllyel elterjedhet a kereskedelemben forgalmazott járművekben.
ANC-stratégiák közúti járműveknél
Az elővezérléses motorzajcsökkentés az egyik olyan ANC-módszer, amit számos nagy autógyártó alaposan tanulmányozott és meg is valósított. Lényegük, hogy az autó fedélzeti hangszóróival oltják ki az utastérben keletkező motorzajt, amelyet zajmérő mikrofonok egy csoportja figyel. A motorból érkező, a motor sebességét megadó referenciajel adaptív szűrőkön keresztül úgy hajtja meg a hangszórókat, hogy a mikrofonokon jelentkező nyomás minimális legyen. Mivel egy ilyen rendszer az autó hangrendszerébe integrálható, alig igényel további járulékos egységeket vagy költséget.
Az elővezérléses zajcsökkentésen alapuló útzajelnyomáshoz több referenciajel szükséges; ezeket a jármű karosszériájának különböző pontjain elhelyezett gyorsulásmérők szolgáltatják. Ez a megközelítés drága és nehezen megvalósítható rendszert eredményez.
Az útzaj kontrollálására kiválóan megfelel egy olyan visszacsatolt szabályzórendszer, amely nem igényel referenciajelet. A szokásos, egy bemenettel és egy kimenettel rendelkező, visszacsatolt szabályzórendszereket sikeresen alkalmazzák zajcsökkentő fejhallgatóknál, de autók utasterében kevésbé hatásosak. Ezért olyan visszacsatolt szabályzórendszert fejlesztettünk ki, amely hibaszenzorokat és hangszórókat alkalmaz. Ez a megoldás az előrecsatolásos motorzajcsökkentő rendszer zajmérő mikrofonjait és az autó fedélzeti hangszóróit használja, ezért csak nagyon kevés kiegészítő áramkört igényel. Az ilyen felépítésű útzajcsökkentő rendszer minimális költséggel valósítható meg.
A jármű akusztikus környezetének mérése
A zajcsökkentő stratégiák kisautóban mutatott hatékonyságát úgy becsültük meg, hogy megmértük a nyolc hibajelmikrofon és a négy autóhangszóró akusztikus válaszát, illetve a motorzaj és az útzaj által a nyolc hibajelmikrofonban keltett akusztikus zavarjelet is. A méréseket olyan adatgyűjtő rendszerrel végeztük, amely legalább 17 darab, egyidejű mintavételezést végző, antialiasing szűrővel ellátott bemeneti csatornát, valamint legalább egy kimeneti audiocsatornát tartalmazott.
A fentiek mellett, az útközben végzett tesztelés során a rendszert az autó 12 V-os tápegységéről tápláltuk. Magát az elrendezést 5 db, NI 9234 C-sorozatú, dinamikus mérőmodult és egy NI 9263 C-sorozatú, analóg kimeneti modult tartalmazó, NI CompactD Jordan Cheer – Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton – AQ-rendszerrel építettük fel. Alkalmazásunk kifejlesztésénél jelentős előny volt, hogy az NI CompactDAQ kompatibilis egy széles körben használt, szövegalapú matematikai nyelvvel. Korábban már volt tapasztalatunk ezzel a szoftverkörnyezettel, és a szükséges kódot már megírtuk, ezért gyorsan eredményre jutottunk.
A motor- és útzajmérések alapján meghatároztuk, hogy mely frekvenciatartományokban van szükség aktív zajcsökkentésre. Például: a motorzajmérések nagy teljesítményű, keskenysávú csúcsot mutattak a vizsgált autó négyhengeres motorjának második felharmonikusánál, az útzajmérések során pedig széles csúcsok jelentkeztek 80 Hz és 160 Hz között, ezért ezt az összetevőt használtuk a visszacsatolt szabályzáshoz.
Az ANC-rendszer viselkedésének becslése
A különböző zajkioltási stratégiák hatásossága annak alapján értékelhető, hogy mennyire csökkentik az akusztikus energiát. A mért adatok alapján, utófeldolgozással elemeztük az elővezérléses zajcsökkentés hatékonyságát, és azt találtuk, hogy a motor második felharmonikusának szintjét a becsült 5–12 dB-lel csökkentette. A felvett adatok alapján megbecsültük a visszacsatolt szabályzó viselkedését, ami alapján a megcélzott frekvenciatartományban a várható zajcsökkenés mértéke mintegy 6 dB.
Következtetések
Az NI CompactDAQ felhasználásával autóba beépíthető, aktív motor- és útzajcsökkentő rendszert hoztunk létre. Az NI CompactDAQ képességeire épülő, egyidejű mintavételezést, antialiasing szűrőket és egyenfeszültségű táplálást tartalmazó rendszerrel pontosan mérni tudjuk az autó utasterében keletkező akusztikus környezetet. Ezen adatok alapján megbecsültük, hogy a vezérlő milyen hatásfokkal csökkenti a motor- és útzajt. Az eredmények alapján jól érzékelhetően mérséklődik a kisfrekvenciás zajterhelés. A munka következő fázisa ezeknek a rendszereknek a valósidejű megvalósítása lesz. Az összeállításunk továbbfejlesztésekor jelentős költségmegtakarításra számítunk, mivel az NI CompactDAQ-egység tekintetében ugyanazokat a be- és kimeneti modulokat használhatjuk.
