想搞清车辆主动降噪的来龙去脉,不妨从以下两方面展开。
1)车辆噪声的组成
汽车噪声包含了很多部分,大致来看主要有以下三块:
一般情况下, 时速30公里以下 以 机械噪声 为主;30公里以上胎路噪逐渐出现,到 时速50公里 以上时, 胎路噪 便已成为主导噪声;而在高速 时速70-80 时,噪声则主要变为 风噪 。
车辆的整体降噪都叫 NVH工程 ,即噪声(Noise)、振动(Vibration)、声振粗糙度(Harshness)。它是用来研究车辆噪声和振动对整个车的性能和舒适性的影响。
具体来看,针对胎路噪的问题,工程师主要会针对性地研究轮胎、悬挂(Suspension)的特性及车辆本身在不同路面的场景。通过权衡成本、车身结构、耐久问题等等,最终会选择最适合该车本身性能的轮胎。
风噪的研究则更为复杂,不仅需要从空气动力学的角度考虑车的流线型设计,也会考虑车辆本身的密封性(如增加电吸门等)。
至于发动机等的机械噪声,一方面可以在管道设置四分之一波长管及赫姆霍兹谐振腔,增加吸隔声材料,另一方面还可以利用主动降噪技术进行消噪。
没错,当下处理车辆噪声时,主动降噪技术主要是 针对于汽车低速时的发动机噪声 。而这样做主要有两个考量:一是由于主动降噪适合降的频段为中低频,和发动机噪声频段相符;二是低速时发动机、变速箱的转速非常可控,在信息掌握充足的情况下可以让主动降噪更精准。
2)主动降噪的限制
抛开成本不谈,目前车辆降噪没有大规模使用主动降噪技术,既是 物理局限 ,也是 工程问题 。
主动降噪目前较为成熟的技术应用还是主要在耳机上。换句话说,主动降噪技术就是把人耳道旁那一块小区域的噪声除干净。与耳机的降噪区域相比,车辆内部的体积可算是大了千万倍。而要在这么大空间进行主动降噪就会引入最大的一个问题: 声波的此消彼长 。
简单来解释,声波是向四面八方传播,你无法去用一个声波去包裹另一个声波。在干涉作用下,噪声和扬声器产生的反相波相遇会使得车内某一些区域声音减小,但同时却也 增强了另一些区域的声音 。这就是所谓的‘此消彼长,能量守恒’。换言之,你很有可能在某辆开了主动降噪的车里反而听到比降噪前还吵的噪声。至于如何应对这个问题,只能是 优先对驾驶员 头部双耳附近区域进行降噪处理咯。
当然,如果车内一切的人事物位置都不变,让驾驶员和乘客们都乖乖坐着一动不动,那么利用主动降噪技术还是可以保证让车内每个乘客们都感受到安静的。然而,为了保证效果,绝对不能有人下车!因为只要一个人下了车,车内的声场就会跟着发生天翻地覆的改变,那么之前设置好的主动降噪也就全都付之东流了。
不过,也正是因为低频受声场改变的影响比高频小很多,做低频的车内主动降噪相对而言就更容易。这也是我们主要会优先选择做发动机机械噪声降噪的另一原因。
物理局限说完,咱再聊聊工程难点。虽然主动降噪可以通过增加麦克风和扬声器的数量来精确测量,但实际的难度依旧很大。原因很简单:数学建模不容易&计算量大得令答主我都害怕。为了让大家有更直观的感受,我在这里简单举个例:
和降噪耳机一样,车辆主动降噪也要做前馈、反馈。然而,与耳机一般前馈反馈各用一个麦克不同,车辆降噪的 前馈 是通过 发动机的转速、油门开度及车身振动状态(放振动传感器测量) 处理分析得到, 反馈 则一般会通过至少 3个左右的反馈麦克风 进行。不仅如此,耳机降噪与汽车降噪在扬声器的个数上也有很大差异。一般耳机一边一个扬声器就妥妥的了,而汽车却至少要设置5个喇叭才行,并且它们摆放的位置也都大有讲究。
如果单看反馈这个控制结构,耳机的反馈只用算一个点,即解一个方程。而做汽车降噪的反馈则需要计算一个3x5的矩阵。