ANC in Cars

Measurement and Analysis

近幾年隨著降噪耳機(jī)的快速普及，大家對(duì)于主動(dòng)降噪（Active Noise Cancellation，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ANC）技術(shù)都已經(jīng)不陌生了，我們帶上降噪耳機(jī)就可以降低耳朵聽(tīng)到的周?chē)肼暤姆重愔?，?chuàng)造一個(gè)相對(duì)安靜的聽(tīng)音環(huán)境。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的ANC已經(jīng)能夠應(yīng)用到車(chē)輛上，給車(chē)內(nèi)人員帶來(lái)靜謐的乘坐體驗(yàn)。

當(dāng)車(chē)輛在路上行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)以及路噪風(fēng)噪等噪聲會(huì)傳到車(chē)內(nèi)，人坐在車(chē)內(nèi)就聽(tīng)到了這樣的噪聲（紅色信號(hào)曲線）。如果汽車(chē)有ANC系統(tǒng)，那ANC功能開(kāi)啟后就可以根據(jù)ANC系統(tǒng)的麥克風(fēng)（右下圖藍(lán)色部分）和傳感器（右下圖綠色部分）收集到的相關(guān)信息生成一個(gè)反向信號(hào)并通過(guò)喇叭播放出來(lái)（粉色信號(hào)曲線）。理想情況下如果這個(gè)反向信號(hào)到達(dá)人耳的時(shí)候，其相位正好和原始噪聲信號(hào)相差180度，并且幅值也是類(lèi)似大小，那就可以把原始噪聲抵消一部分，從而降低人聽(tīng)到的噪聲音量。當(dāng)然ANC不是在全頻帶內(nèi)都能起作用，所以仍然會(huì)有殘余噪聲，那我們?cè)撊绾稳ピu(píng)估汽車(chē)ANC的效果好壞呢？

傳統(tǒng)的方式就是把車(chē)開(kāi)出去實(shí)測(cè)，測(cè)試需要進(jìn)行兩次：第一次關(guān)閉ANC功能，通過(guò)人工頭雙耳或者布置在特定位置（比如頭枕處）的麥克風(fēng)采集原始狀態(tài)下的噪聲信號(hào)；第二次開(kāi)啟ANC功能，采集降噪后的噪聲信號(hào)，這樣就可以對(duì)比降噪前后信號(hào)的差異來(lái)評(píng)估降噪性能。通常為了避免外部因素的影響，兩次采集的狀態(tài)需要盡可能保證一致，比如相同的路段、相同的速度等等。但實(shí)測(cè)的主要問(wèn)題是無(wú)法保證測(cè)試結(jié)果的一致性，或者說(shuō)可復(fù)現(xiàn)性比較差，兩次采集的狀態(tài)很難完全一致，而這個(gè)不一致就會(huì)導(dǎo)致最后評(píng)估出現(xiàn)偏差，并且如果在系統(tǒng)調(diào)優(yōu)時(shí)每次更改參數(shù)都去實(shí)測(cè)會(huì)消耗大量的人力物力。為了避免這樣的問(wèn)題，我們希望能夠把測(cè)試轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，如果可以把ANC系統(tǒng)工作所需的麥克風(fēng)和傳感器數(shù)據(jù)采集下來(lái)，并在后續(xù)測(cè)試中傳遞給該系統(tǒng)，那就可以在車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)試ANC系統(tǒng)的性能。

目前主流的汽車(chē)ANC系統(tǒng)都采用了ADI公司的A2B（Automotive Audio Bus）汽車(chē)音頻總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻和控制信號(hào)的傳輸，它使用一條非屏蔽雙絞線順序連接各個(gè)麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、功放、傳感器等部件，在簡(jiǎn)化布線的同時(shí)大幅降低了線纜的重量。借助labCORE硬件擴(kuò)展模塊coreA2B，可以在將模塊接入A2B總線后操縱總線上的信號(hào)路由，達(dá)到信號(hào)錄制和注入的目的。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試跟實(shí)測(cè)有一些差別，首先還是需要在關(guān)閉ANC功能的狀態(tài)下把車(chē)開(kāi)出去錄制噪聲，但不同于實(shí)測(cè)時(shí)只錄制人耳的噪聲，我們還需要錄制ANC系統(tǒng)麥克風(fēng)和傳感器的信號(hào)，如上圖所示。通過(guò)A2B功能我們可以實(shí)現(xiàn)這樣的錄制，并且這樣的錄制只需要進(jìn)行一次，也就是說(shuō)我們采集了人耳的原始噪聲，以及ANC系統(tǒng)正常工作所需的輸入信號(hào)。

接下來(lái)把車(chē)輛放置在實(shí)驗(yàn)室中，開(kāi)啟汽車(chē)的ANC功能后通過(guò)A2B把之前錄制到的輸入信號(hào)注入給ANC系統(tǒng)，因?yàn)檫@些輸入信號(hào)是在行駛狀態(tài)下錄制的，即便現(xiàn)在車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，ANC系統(tǒng)接收到那些信號(hào)后就會(huì)認(rèn)為現(xiàn)在車(chē)內(nèi)正處于某種噪聲環(huán)境并開(kāi)始工作，就會(huì)按正常的流程生成反向信號(hào)并通過(guò)喇叭播放出來(lái)。由于所有的輸入信號(hào)都是A2B以電信號(hào)的方式注入的，車(chē)艙里實(shí)際上是一個(gè)靜音的環(huán)境，所以人耳就直接采集到了這個(gè)反向信號(hào)。如果將這個(gè)信號(hào)再跟人耳的原始噪聲信號(hào)做一個(gè)疊加就可以得到殘余噪聲信號(hào)，這個(gè)可以很容易通過(guò)測(cè)試軟件來(lái)完成。所以與實(shí)測(cè)相比，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試不僅可以對(duì)比原始噪聲和殘余噪聲，還可以單獨(dú)采集和分析反向信號(hào)。

結(jié)合HEAD acoustics的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)HQS-ANC-car數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)試項(xiàng)目，除了評(píng)估不同位置的環(huán)境噪音抑制效果，比如分貝值、響度、頻譜曲線、自噪聲等參數(shù)，還可以通過(guò)另外的人工嘴或車(chē)載音頻播放語(yǔ)音評(píng)估ANC對(duì)改善聆聽(tīng)努力度是否有幫助。此外對(duì)于ANC系統(tǒng)和車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)共用揚(yáng)聲器的情形，還可以去考察反向信號(hào)的產(chǎn)生是否對(duì)揚(yáng)聲器播放的音頻信號(hào)質(zhì)量造成影響。