在汽车内实现低延迟主动降噪

在过去10年中，随着客户期望值的不断提高，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的是如何改进驾驶体验，使人们在车内尽可能度过愉快时光。所采取的措施包括，设法将车内的背景噪音降到最低。

从车内机械结构到车外环境等各种噪声源都可能发出巨大噪音，这对人们乘车旅程造成负面影响。这些噪声源主要源于：恶劣的天气条件（如风雨）、轮胎与不平路面的接触、底盘的振动、车辆悬架的运动、车载空调系统等。不过，控制车内噪音并不完全是为了获得舒适感。一些研究表明，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隐患。

随着电动汽车销量的增加，我们需要为超静音电动汽车去除惹人心烦的道路噪音，这是传统汽车旅行中人们从未意识到的问题，因为内燃机（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来自其它方面的噪音。

目前的一种降噪方法是用吸音材料对车辆内饰进行隔音。但问题是，吸音材料不仅占用了车内有限且宝贵的空间，而且很昂贵，会带来汽车制造商可能认为不必要的额外成本。此外，这种被动降噪材料会使车辆总重增加约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来替代现有的降噪方法。

为汽车工业主动降噪

主动降噪功能背后的原理相对来说比较简单。传感器设备可以检测到噪音。然后使用处理装置来检查噪音波形，并生成一种等效的反相信号来抵消噪音。这种原理在过去一段时间已被用到视听领域，比如高端耳机。

但是，要在车辆中实现这种主动降噪，就要考虑汽车行业的某些特殊性。该行业需要一种紧凑、轻便且高性价比的高性能降噪方案。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，这一点至关重要。该系统中的传感器必须足够坚固，以应对极端温度、振动、冲击、液体侵入等挑战。

我们必须将分布在整个车辆底盘上的所有传感器连接到相应的信号处理单元，之间的布线是复杂的，我们必须进行有效布线，以确保不产生过多的额外物料成本。此外，电缆线束重量是车辆总重量的重要构成因素。在电动汽车设计中，降低汽车重量尤为重要，这样就会避免频繁充电。车辆越轻，续航里程越长！

最大限度地提高降噪方案的性能

在测量降噪系统有效性时，需要考虑两个关键的性能指标。首先是响应能力。系统必须在尽可能短的时间内接收并分析捕获的信号，然后生成相应的反相信号进行对冲，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，传感器应能尽可能检测到各种范围内噪声信号。这一点至关重要。传感器无法捕获低于某个门限值的信号，这些信号因此被降噪系统忽略。因此，汽车工程师必须选择那些“本底噪声”非常低的传感器。

全汽车优化解决方案

通过与半导体供应商Analog Devices公司和声学软件供应商Silentium公司的合作，Molex推出了一种车载降噪方案。它不仅有效，而且还符合汽车制造商的特定要求（在布线重量、物料成本、持续工作可靠性等方面的要求）。Molex RNC传感器是路噪传感器，采用先进的MEMS加速计技术。此外，它们具有低于150微秒（典型值）的低延迟指标，该杰出属性是其它同类解决方案不具备的。

RNC传感器采用了由Analog Devices公司开发的汽车音频总线（A2B）专有接口技术。这样我们即能传输高保真音频信号，也能尽量减少布线，从而不会因降噪而使成本和重量过度增加。

图1：一系列通过菊花链连接的Molex RNC传感器

通常，每个传感器通过单独的电缆直接连接到信号处理单元，但从重量和空间利用率的角度来看，这是非常低效的。针对该问题，A2B接口技术允许每条信号链处理更多信号，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毫秒内将噪声信号传输到指定的信号处理单元。

A2B音频总线系统通过菊花链连接所有传感器。因此减少了重量、所占空间和材料成本，进而简化了网络拓扑结构。在30米长的电缆上，我们最多可连接9个传感器，从而将布线重量减轻30%。

为了确保最大限度消除噪声，Molex RNC传感器提供了更高的灵敏度。因此，降噪后的本底噪声超低，这意味着更多的原始波形可被检出和处理。图2所示的某传感器的本底噪声远高于100μg/√Hz，而Molex RNC传感器可捕获并消除更大范围的噪声信号而使本底噪声低于100μg/√Hz。结果是，Molex RNC传感器可以消除90%的有害噪音。它捕获从20Hz到1kHz范围内的噪音，这是一个很大的频率范围。因此，即使是低速行驶时的噪音也可以被降低。

图2：本底噪声降低情况 - a）原始噪声信号 b） 标准传感器的本底噪声 c） Molex RNC的本底噪声

在该主动降噪方案中，我采用了流行的Molex Mini50系列连接器，该连接器与标准USCAR 0.64连接器相比可节省50%的空间。传感器安装在重型外壳中（可按需提供IP6K9K防护等级的外壳），因此可安装在更靠近噪声源的位置（如车内接近路面的位置），并因此加快整个降噪过程。

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。幸运的是，如今，汽车制造商可以借助Molex RNC传感器，设计并部署重量更轻、性能更好、更灵活、更高效的降噪方案。近30年来，Molex通过提供创新型电子产品，一次又一次地帮助汽车制造商应对挑战，因此在汽车行业发挥了关键作用。在电动汽车中，低频噪音造成的驾驶疲劳问题直接影响到驾驶安全。因此，RNC传感器技术成为Molex有史以来推出的最重要技术之一。