主動降噪技術
與被動技術相比，主動噪聲消除(ANC)的運作原理是偵測不需要的聲音波形，並產生等值的反向訊號。這個訊號與原始訊號一起傳輸。這兩種波形互為反像，合併後相互抵消，進而減弱原始訊號的振幅，並減少了噪聲的音量(圖1)。電子技術領域發展迅速，感測器和訊號處理器變得更快、更精準，而且更容易分析不必要的噪音並產生相應的降噪訊號。隨著技術的普及，設計師們正在尋找創新方法來運用這個解決方案以應對現實世界的問題。
路面噪音攸關行車安全性
路面噪聲是汽車設計師尤為感興趣的話題。汽車內燃機設計日益先進，配合靜音電動馬達，使車廂內環境保持安靜。然而，路面噪音問題仍然存在，隨著汽車性能的提高，這個問題變得更加突出；而隨著車輛行駛速度的加速，車輛與環境的相互作用會產生噪音，例如風聲和路面噪聲。NVH會使駕駛產生疲勞的感覺，因此解決噪音問題不僅關係到方便舒適性，而且對提高道路安全也具有重大作用。
使用被動技術可以相當有效地減少風噪聲，但對於路面接觸所產生的噪音，則效果有限。道路與輪胎表面的直接接觸會產生持續的振動，隨著速度的增加，振動會變得更加顯著。當路面不平整時，車內的懸掛機械也會產生噪音。
安裝位置與汽車環境為關鍵挑戰
有效地應用噪聲消除技術的關鍵，是將感測器放置在噪音聲源附近。降噪訊號要盡可能地與原始訊號吻合。因此，若在聲源偵測噪聲，能夠讓訊號處理器有時間進行分析和產生新波形。
在汽車應用中，這意謂著感測器的位置需要盡可能靠近路面，也就是說需要將感測它們安裝在汽車的底部。這對產品設計來說是一系列挑戰。
汽車環境堪稱世界上最複雜的環境之一。一般家用汽車和其他特別用途車輛被要求設計成能夠在多種環境下運作，並且需能承受環境溫度從-40℃到接近水的沸點。汽車零組件還必須能夠承受化學侵蝕。有些國家寒冷多冰雪天氣，往往使用鹽來幫助保持道路暢通，減少結冰，所以安裝在汽車底部的設備便會曝露於含有鹽水的路面。另外，它們還有可能接觸到其他化學物質，包括路面上的燃料和潤滑劑。同時，還必須考慮設備的物理風險。一般情況下，汽車製造商設計的汽車都會在全球銷售。設計師必須考量在日常行駛中，特殊道路、軌道和山路可能對車輛底盤造成的損害。即使像普通家用汽車，只是行駛在一般的城市道路，在行駛過程中也會受到砂礫、石塊和其他碎片的影響。
路面噪音消除(RNC)感測器及其連接元件在設計時必須考慮到這些極端條件。選材方面也尤為重要，需同時滿足抗極端溫度和防止化學品侵蝕的材料，並且必須設計為物理上堅固耐用，同時保持質量輕巧。此外，還要易於安裝、安全，以及能夠承受車輛振動和衝擊。
RNC感測器降噪效果較佳
業者如莫仕(Molex)設計了多種RNC感測器，安裝在汽車和其他設備上曝露在外的位置和底盤。這些感測器的外殼設計能夠承受惡劣的汽車行駛環境，並且提供了IP6K9K等級的保護，防水防灰和其他污染物。該感測器可安裝於多種不同的外殼中，以適應不同車輛安裝位置，包括縱向安裝和垂直定位。而該感測器包括整合式連接器，易於與車輛的電纜系統連接。該連接器與傳統的USCAR 0.64mm連接器相比，節省了大量空間。這也使得感測器可以盡可能地縮小，便於安裝在盡可能接近產生噪音的地方。正如人們所看到的，這個安裝位置對於消除噪音較為有效。
菊鏈式串接技術
重量一直是汽車設計師關注的關鍵問題，特別是懸吊元件。筆者期望減輕懸吊元件的重量，以便對路況快速做出反應。除了盡可能保持感測器的輕質量，同時還採用了菊花鏈式布線(圖2)。
傳統技術中，每個感測器都透過單獨的電纜直接連接到訊號處理器。本文的解決方案使用菊花鏈連接感測器，每個感測器連接到下一個序列，最多能夠串連9個單元，減少提供必要連接所需的電纜長度，並可減少最多30%的電纜重量。
在普通汽車中的被動降噪材料的重量可達60磅，而豪華品牌汽車中更是超過100磅。這不利於車輛的性能，而且材料和安裝的成本高昂。RNC系統不但節省傳統技術成本，還減輕重量和安裝成本。
感測器追求性能優越
感測器的關鍵標準之一是延遲時間，它的定義是感測器接收到訊號(觸發)和訊號處理器接收到這個訊號之間的時間延遲。在主動消除噪聲時，將延遲時間保持在最小值是至關重要的。
噪聲消除系統要在極短的時間內接收和分析訊號，以產生反向訊號。低延遲的感測器能夠更快速和更有效地響應。如本文RNC感測器的延遲通常小於150μs，這種低延遲提高噪音消除系統的有效性，可以對路面噪音狀況做出快速反應(圖3)。
感測器有效性的另一個關鍵指標是噪聲密度。雖然目標是讓感測器偵測到所有訊號，但現實存在一個臨界值或噪聲下限，因此感測器無法偵測到低於此臨界值的訊號。就路面噪音而言，以較低的速度行駛會減少噪音。帶有高噪音下限的感測器將無法偵測到低速產生的低噪音，使降噪難以發揮效用。
本文中感測器的設計具有較低的噪聲下限，因此可以偵測到更大比例的原始波形，允許在低速行駛時消除噪聲。這種較高靈敏度的優勢在於它允許感測器裝在離噪聲來源更遠的地方，能夠將感測器安裝在更有利的位置，進而保護感測器或縮短電纜長度。雖然路面噪音消除技術可能是高階汽車品牌的賣點，但RNC技術的能力正變得日益完善，也更具性價比。如同過去其他的高階技術一樣，這項技術也將進入主流汽車市場。
(本文作者為Molex業務發展工程師)
