Cicho sza! Metody aktywnej redukcji hałasu w samochodzie

Metody aktywnej redukcji hałasu są rozwijane już od ponad 80 lat i początkowo nie powstały wcale z myślą o samochodach. W końcu hałas towarzyszy nam w życiu codziennym praktycznie wszędzie, ale zawsze był szczególnie uciążliwy w miejscach pracy. Rozwój tych metod nastąpił w latach 70., kiedy to technologie cyfrowe zaczęły znajdować zastosowania praktyczne na coraz większą skalę. Pierwsze próby wykorzystania systemów aktywnej redukcji hałasu w maszynach oraz samochodach podjęto dopiero w latach 90.

Wysoki poziom hałasu utrzymywany przez dłuższy czas ma bardzo negatywny wpływ na zdrowie człowieka. Biorąc pod uwagę zawodowych kierowców, którzy spędzają w pojazdach wiele godzin, hałas w kabinie ma istotny wpływ na bezpieczeństwo ich pracy. Wysoki poziom hałasu powoduje bowiem zmęczenie układu nerwowego, obniżenie czułości wzroku i pogarsza orientację w otoczeniu. Paradoksalnie to właśnie hałas często prowadzi do zasypiania za kierownicą. Odpowiednie wyciszenie wnętrza pojazdu jest zatem bardzo ważnym aspektem podczas projektowania samochodu.

Poziom hałasu we wnętrzu auta zależy głównie od ilości wygłuszeń, jakie zastosował producent. Z drugiej strony im więcej dźwiękochłonnych materiałów izolacyjnych, tym większa masa pojazdu. Zwiększają się również koszty produkcji i dlatego też istnieje prosta zależność między poszczególnymi segmentami. Im niższy segment, tym auto przeważnie jest tańsze i tym samym gorzej wyciszone, ale także i lżejsze. Dlatego też zaczęto poszukiwać innych sposobów na wygłuszenie kabiny, które niekoniecznie zwiększałyby masę samochodu, a co za tym idzie - pogarszały osiągi i zwiększały spalanie paliwa.

Obecnie praktycznie każdy samochód wyposażany jest w jakikolwiek system audio. Na pokładzie zawsze zatem znajduje się choć jedna para głośników, które można właśnie wykorzystać w metodach aktywnej redukcji hałasu. Systemy ANC (Active Noise Control), bo tak zazwyczaj nazywają się one w samochodach, polegają na emisji „antyhałasu”, czyli fali akustycznej odwrotnej do tej wytwarzanej przez źródło hałasu. Jak to dokładnie działa?

Źródło hałasu, zwane także pierwotnym źródłem dźwięku, emituje pewną falę akustyczną. Jest ona odczytywana za pomocą jakiegoś przetwornika do zbierania sygnałów, a więc np. mikrofonu. Stanowi on źródło elektrycznego sygnału odniesienia, który przesyłany jest do elektronicznego kontrolera. Na podstawie wcześniej stworzonego algorytmu generuje on elektryczny sygnał kompensujący i wysyła go do źródła wtórnego, czyli głośnika. Następuje zsumowanie się fali akustycznej ze źródła pierwotnego oraz źródła wtórnego i powstaje tak zwana interferencja destruktywna. To właśnie ona odpowiedzialna jest za obniżenie amplitudy ciśnienia akustycznego.

Do poprawnego działania całego systemu potrzebne jest jeszcze dostarczenie do kontrolera informacji o efektywności całego procesu. W tym celu stosuje się kolejny mikrofon, który umieszcza się w miejscu wygłuszanym. Dostarcza on do układu sterującego informacje o hałasie po wytłumieniu poprzez tzw. sygnał błędu. Na podstawie sygnału błędu następuje modyfikacja parametrów sterownika. Nazywane jest to adaptacją.

Jak już wspomniałem, do odczytywania fali akustycznej pochodzącej ze źródła hałasu najczęściej używanym przetwornikiem jest mikrofon. Zamienia on wartość ciśnienia akustycznego na odpowiadającą jej wartość napięcia elektrycznego. Do zbierania sygnału odniesienia może być jednak użyty jakikolwiek przetwornik dający sygnał elektryczny, np. akcelerometr. Sygnał znajdujący się na jego wyjściu będzie bardzo podobny do fali akustycznej rozchodzącej się w powietrzu.

Zaletą stosowania akcelerometru do odczytywania sygnału odniesienia jest wyeliminowanie wpływu sygnału wtórnego na ten przetwornik. Mikrofon bowiem oprócz odczytu fali akustycznej ze źródła hałasu może zbierać także fale emitowane przez głośnik, czyli źródło wtórne. Akcelerometr może być zamontowany np. na przegrodzie czołowej w okolicach silnika.

To jednak niejedyne miejsce, w którym instaluje się przetworniki, ponieważ okazuje się, że największym źródłem hałasu wcale nie jest komora silnika. Badania wykazały, że osiąga się dobre rezultaty tłumienia hałasu, jeśli akcelerometr czytający sygnał odniesienia znajduje się za miejscem wygłuszanym (patrząc od przodu samochodu). Wpływają na to zawirowania powietrza, dźwięk układu wydechowego oraz toczących się opon.

W systemach aktywnej redukcji hałasu w samochodach wciąż najsłabszym ogniwem jest źródło wtórne, czyli głośnik. Problem leży w jego budowie, która nie zapewnia liniowego oraz wystarczająco czystego dźwięku. W przyszłości najprawdopodobniej będą stosowane materiały „aktywne” z użyciem materiałów piezoelektrycznych. Skonstruowane w ten sposób przegrody akustyczne zastąpią te wykorzystywane obecnie.

Duża część energii akustycznej emitowanej w postaci hałasu we wnętrzu samochodu skoncentrowana jest w zakresie częstotliwości poniżej 1000 Hz. Pasywne wygłuszanie za pomocą materiałów izolujących zapewnia głównie tłumienie energii akustycznej z zakresu powyżej 500 Hz. Dlatego też rozwój metod aktywnej redukcji hałasu jest bardzo istotny, ponieważ tłumią one hałasy przede wszystkim z dolnego zakresu częstotliwości, oscylującego nawet w okolicach 100 Hz.