汽车ANC的测量和分析
汽车
2024-10-21 08:10
上海
近几年随着降噪耳机的快速普及，大家对于主动降噪（Active Noise Cancellation，以下简称ANC）技术都已经不陌生了，我们带上降噪耳机就可以降低耳朵听到的周围噪声的分贝值，创造一个相对安静的听音环境。随着技术的进步，现在的ANC已经能够应用到车辆上，给车内人员带来静谧的乘坐体验。当车辆在路上行驶时，发动机/电机以及路噪风噪等噪声会传到车内，人坐在车内就听到了这样的噪声（红色信号曲线）。如果汽车有ANC系统，那ANC功能开启后就可以根据ANC系统的麦克风（右下图蓝色部分）和传感器（右下图绿色部分）收集到的相关信息生成一个反向信号并通过喇叭播放出来（粉色信号曲线）。理想情况下如果这个反向信号到达人耳的时候，其相位正好和原始噪声信号相差180度，并且幅值也是类似大小，那就可以把原始噪声抵消一部分，从而降低人听到的噪声音量。当然ANC不是在全频带内都能起作用，所以仍然会有残余噪声，那我们该如何去评估汽车ANC的效果好坏呢？传统的方式就是把车开出去实测，测试需要进行两次：第一次关闭ANC功能，通过人工头双耳或者布置在特定位置（比如头枕处）的麦克风采集原始状态下的噪声信号；第二次开启ANC功能，采集降噪后的噪声信号，这样就可以对比降噪前后信号的差异来评估降噪性能。通常为了避免外部因素的影响，两次采集的状态需要尽可能保证一致，比如相同的路段、相同的速度等等。但实测的主要问题是无法保证测试结果的一致性，或者说可复现性比较差，两次采集的状态很难完全一致，而这个不一致就会导致最后评估出现偏差，并且如果在系统调优时每次更改参数都去实测会消耗大量的人力物力。为了避免这样的问题，我们希望能够把测试转移到实验室环境下，如果可以把ANC系统工作所需的麦克风和传感器数据采集下来，并在后续测试中传递给该系统，那就可以在车辆静止状态下测试ANC系统的性能。目前主流的汽车ANC系统都采用了ADI公司的A2B（Automotive Audio Bus）汽车音频总线技术来实现音频和控制信号的传输，它使用一条非屏蔽双绞线顺序连接各个麦克风、扬声器、功放、传感器等部件，在简化布线的同时大幅降低了线缆的重量。借助labCORE硬件扩展模块coreA2B，可以在将模块接入A2B总线后操纵总线上的信号路由，达到信号录制和注入的目的。在实验室环境下测试跟实测有一些差别，首先还是需要在关闭ANC功能的状态下把车开出去录制噪声，但不同于实测时只录制人耳的噪声，我们还需要录制ANC系统麦克风和传感器的信号，如上图所示。通过A2B功能我们可以实现这样的录制，并且这样的录制只需要进行一次，也就是说我们采集了人耳的原始噪声，以及ANC系统正常工作所需的输入信号。接下来把车辆放置在实验室中，开启汽车的ANC功能后通过A2B把之前录制到的输入信号注入给ANC系统，因为这些输入信号是在行驶状态下录制的，即便现在车辆处于静止状态，ANC系统接收到那些信号后就会认为现在车内正处于某种噪声环境并开始工作，就会按正常的流程生成反向信号并通过喇叭播放出来。由于所有的输入信号都是A2B以电信号的方式注入的，车舱里实际上是一个静音的环境，所以人耳就直接采集到了这个反向信号。如果将这个信号再跟人耳的原始噪声信号做一个叠加就可以得到残余噪声信号，这个可以很容易通过测试软件来完成。所以与实测相比，实验室测试不仅可以对比原始噪声和残余噪声，还可以单独采集和分析反向信号。结合HEAD acoustics的质量标准HQS-ANC-car数据库中的测试项目，除了评估不同位置的环境噪音抑制效果，比如分贝值、响度、频谱曲线、自噪声等参数，还可以通过另外的人工嘴或车载音频播放语音评估ANC对改善聆听努力度是否有帮助。此外对于ANC系统和车载信息娱乐系统共用扬声器的情形，还可以去考察反向信号的产生是否对扬声器播放的音频信号质量造成影响。
