滚动噪声的主动消音以提升车内音质

综述：本文介绍了Harman公司的一款新的对车内滚动噪声的主动降噪的设备的功能和开发（软硬件皆有），该设备通过加速度传感器和麦克风进行信号采集，再利用相关的算法对数据进行处理，实时的生成相应的优化信号，通过车载音响系统进行操作（车载音响将作为执行器），文中详细描述了产品开发的各个步骤，提到了开发过程中使用了硬件在环（HiL）方法，道路验证等。本文特点是显示了一款声学降噪产品在整个开发过程中的各个阶段和细节，整体上思路清晰，步骤明确，多方调动资源，完美完成设定目标等。



前言：在比较车辆和评估音质时，内部噪音是非常重要的一点。凭借主动道路噪声消除（ARNC-Active-Road-Noise-Cancellation/-Control）技术，Harman提供了一套完整的主动降噪解决方案，可在宽带范围内将滚动噪音降低5dB（A）。

1：现代汽车中的滚动噪声（ROLLGERÄUSCH IN MODERNENFAHRZEUGEN）

评估车厢声音质量的两个重要方面是噪声水平和滚动噪声的频谱成分。为了最大限度地减少噪音，如果首先了解噪音如何产生、有哪些影响因素以及在改善车辆部件的NVH性能方面会遇到的哪些具体挑战，那将是是非常有帮助的。

内部基于结构的滚动噪音，是通过路面和轮胎之间的相互作用产生的振动的传播而产生的。与滚动噪音振动相关的噪音作为结构噪声通过车辆结构传递到车厢内。这里，路面是影响的主要因素之一。轮胎和路面之间的相互作用和摩擦越高，产生的振动越强。典型地情况是，基于结构的滚动噪声在低速和中速下非常明显。取决于车厢内的声学阻隔和噪声吸收的好坏，其他声音也会穿透到内部，例如风噪或甚至由通风道传递过来的滚动噪音。随着速度的增加，这些噪声听起来将成为噪音的主要来源。

在现代的噪声、振动和舒适性（NVH）的解决方案中，基于CAE的建模和仿真，是用于做出有关在车厢内遇到的明显的轮胎噪声的预测，从而在车辆NVH开发的阶段就已经进行相关的优化设计。基于这些结果，通过使用传递路径分析（TPA）以及其它的NVH方法，将会使得车辆零部件，特别是轮胎，底盘的刚性和其它原始车身结构的阻尼被进一步优化。

然而，在车辆开发过程中，通常不可能为了降低滚动噪声，而将车厢内部所遇到的所有的共振都降低，或者采用被动的NVH消声措施来实现此目标。这就是使用Harman的主动路面噪声消除/ - 控制（ARNC）技术的应用时机。该技术作为数字化的主动降噪方案，在车厢内将滚动噪音以及车厢整体噪声进行了降低和优化，使得NVH目标得以实现的起点。

通过集成在Harman音频放大器中，可以将ARNC技术转移到各种车辆平台上。该ARNC系统可以通过软件和传感器装置的简单参数设置，即可适用于各类车辆及满足其NVH要求，使在车厢内特别大共振及烦人的噪声几乎可以完全的被消除掉。

利用这项技术，单个共振可以降低12 dB（A），滚动噪音整体降低5dB（A）左右。图中对比了在是否激活ARNC系统的情况下，具有相同驾驶场景的典型的滚动噪声频谱。可以看出，两个非常响亮的滚动噪声的共振被系统完全消除。



2：ARNC系统及其自适应算法（ARNC-SYSTEMUND ADAPTIVER ALGORITHMUS）

ARNC系统（见图）由Harman音频放大器，以及利用数字化的加速度来采集（B-传感器）的振动信息（参考信号），以及通过来自车厢内部的误差麦克风（误差信号），来采集滚动噪声。基于检测到的参考信号和误差信号信息，控制单元中的自适应算法可以实时生成相应的控制信号以生成抗噪信号。该输出信号与信息/娱乐音频信号混合，并由车辆音频系统中的低音扬声器再现，该音频系统充当ARNC系统的驱动器。



ARNC系统使用定制的FxLMS算法。这种算法在许多现代ANC的应用中确立起来，它具有较低的计算复杂度，同时具有更好的稳定性的优点，这意味着该算法可以非常快地适应主要路径的变更。同时，如果要更换车辆部件，也不会对该系统造成任何影响。面对变化无常的噪声类型也毫无压力，因为算法总是可以适应和补偿。

尽管ARNC系统是一个具有参考通道，误差通道和输出通道的多通道系统，但它仍然只需要非常小的处理能力[1]。ARNC系统的功能，通过在时间和频率范围内智能地分配计算，可以在Harman音频放大器平台中实现。见图



3：适合ARNC安装的新的NVH分析软件（NEUENVH-ANALYSESOFTWARE FÜR EIN ANGEPASSTES ARNC-SETUP）

Harman开发了一种用于ARNC系统的现代NVH软件，图中所示，可用于分析车辆中降低滚动噪声的各种条件。该软件可确定加速度传感器的位置，并可预测在主要驾驶条件下滚动噪声的ARNC应用的性能。为此，分析传感器，扬声器和麦克风的各种布置，从而优化最终定位。对于NVH /底盘部门的工程师来说，这提供了一种工具，可以有针对性地选择传感器组件，以及它们的定位和对齐。该软件可以更准确地调谐到特定的共振，从而可以尽可能减少NVH规格。Harman的ARNC系统使用六个符合汽车和底盘安全标准的数字传感器。



4：ARNC系统的前提（VORAUSSETZUNGENFÜR EIN ARNC-SYSTEM）

为了评估，在传统的NVH方法不成熟或不适用的时候，是否可以使用ARNC系统，必须首先确保其适用性。

这将通过检查所定义的分析过程的不同的分析步骤，来检查其是否满足所有必要的条件。

一开始，Harman与汽车制造商的NVH专家部门一起定义了降噪目标，设置预给定参数并评估扬声器布局。对于这个方案来说，必须首先清楚每个座位的共振频谱以及设定的所需要的噪声减少量，并设定好这些目标的优先顺序。

此外，与相关专业部门交流时会详细讨论传感器放置的可能性和限制，以便提前确保与其他产品的最高的相关性。由于通常不需要安装额外的执行器，ARNC系统必须能够在音频系统的可用扬声器上完成建模。通常，该系列组件中有几个所谓的音频电平，其中音箱的质量和数量可能会有所不同。使用Harmans NVH软件进行ARNC模拟可确定哪些音频电平符合所需标准。这为ARNC系统对不同的扬声器布局或音频水平说表现出来的性能进行评价，提供了可能。

另外，加速度计和误差麦克风之间需要有足够的相关性来降低噪音。理论上，相关性越高，预期的消声效果越好。

新的Harman NVH ARNC分析软件可以找到一个非常理想的传感器设置的位置，它不仅可以提供高度一致性，而且可以在生产中使用。该软件考虑了所有参数，包括商定的目标，具体的辅助路径，ARNC系统的详细模型以及传感器的其他特征和限制。

为了能够从测量数据中推导出传感器布置的建议，在软件的核心技术中使用了一种新的多重相关性分析方法。测量数据是每个测试驱动器的所有传感器的同步记录。因此，该软件会为，每个在不同的行驶速度和路面上的测试数据，提供一个传感器的布置建议。通过模拟，检查建议的合理性和因果性，并在调查报告中进行总结。

模拟中的结果与现实中的后续测量相匹配至关重要。如果所提出的方案被证明是正确的，则将进行进一步的验证步骤，作为安全措施。

5：ARNC系统的硬件在环测试(HIL-TESTS MIT ARNC-SYSTEM)

在下一个验证阶段，ARNC系统将准备集成到车辆中。这通过图中的硬件在环（HiL）方法完成，因为这提供了一种简单而快速的选择，即使没有物理性的进入车辆，仅使用测量数据和来自前一阶段的结果，来确保ARNC性能。



为此，ARNC系统采用HiL方法进行测试，并记录测量的加速度和滚动噪声信号，并用测量的辅助路径进行模拟。

该方法具有以下几个优点：首先，可以将来自NVH分析软件与目标协议结合的结果和预测性能进行比较，以便识别传感器系统中的任何问题，其次，记录的驾驶情况，可以根据需要多次重复。因此，通过反复模拟现有的测量序列，可以在没有花费太多时间的情况下进行ARNC系统的第一次调整。

另外，在HiL环境中，可以在整合到车辆中之前进行压力测试和长时间测试。hil测试的成功完成，是道路验证和ARNC系统整合到车辆开始的先决条件。

6：ARNC系统在道路上的性能验证（ARNC-PERFORMANZVALIDIERUNGAUF DER STRASSE）

成功完成上述步骤后，ARNC系统将集成到车辆中，以完成验证过程。

这是最耗时且最昂贵的一步，且只有当该系统的性能在前面的测试中得到保障之后，才有可能获得成功。在道路验证中，系统对所有的重要的道路和行驶速度的精准调教再次在回归测试中进行检查，以确保性能和稳健性。

例如，可以证明，ARNC性能与组件更改无关（例如轮胎更换）。图中显示了从夏季到冬季轮胎发生变化时的ARNC回归测试示例。一旦系统通过了所有这些测试，并且已经证明所需的稳定性和稳健性水平，则调谐完成并且系统参数可用于生产。



由Harman开发的ARNC系统已经在各种车辆平台上进行过测试，从紧凑型电动和混合动力车到大型豪华级SUV。此外，该技术在日常生活中已经在公共道路上完成定期测试三年以上，而且还在特殊测试轨道上进一步改进。因此，算法的高度成熟和ARNC系统的最终决定性性能可以显著改善车内的音质。

7：文献引用（LITERATURHINWEIS）

[1] Zollner, J.; Zafeiropoulos, N.; Christoph, M.;Kandade Rajan, V.: Active Road Noise Cancelation – Off-the-Shelf Digital AudioAmplifier Platform. In: 2017 AES International Conference on Automotive Audio;Automotive Engineering Society, August 2017; online:http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=19191