احسان علی‌آبادی
کارشناسی ارشد مهندسی صدا
مقدمه
طراحی صدای فعال[۱] (ASD) یک مفهوم از زیرشاخه آکوستیک است که در صنعت خودروسازی به اصلاح و بهبود کیفیت صدای داخل و خارج خودرو گفته می‌شود. طراحی صدای فعال اغلب از تکنیک های کنترل نویز فعال[۲] و بهبود آکوستیک[۳] استفاده می کند. پیاده‌سازی‌های طراحی صدای فعال متفاوت هستند و شامل طیف گسترده‌ای از اقدامات از جمله کاهش صدای موجود تا ایجاد صدای کاملا جدید می‌شوند. در این مقاله نگاهی گذرا به تاریخچه، قسمت‌های تشکیل‌دهنده، متغییرها، تئوری و کاربرد پرداخته می‌شود.
۱-۱- تاریخچه
اولین مورد پیاده‌سازی حذف نویز فعال ([۴]ANC) توسط کمپانی خودروسازی انگلیسی لوتوس کارز[۵] توسعه پیدا کرد و در سال ۱۹۹۲ نیسان بلو برد[۶] با این قابلیت وارد بازار شد. سال ۲۰۰۹ لوتوس با انتخاب صنایع بین‌المللی هارمن[۷] به بهبود سامانه حذف نویز فعال هارمن پرداخته تا نویز جاده، تایرها و بدنه و شاسی خودروهای آن را به حداقل برساند.
تصویر ۱ – نیسان بلو بِرد
۱-۲- قسمت‌های تشکیل‌دهنده
۱-۲-۱- حذف نویز فعال (ANC)
فرآیند پردازش نرم‌افزاری مبتنی بر استفاده از تجهیزات سخت‌افزاری صوتی داخلی خودرو به منظور کاهش نویز است. نحوه عملکرد آن به این صورت است که سنسورهایی، سیگنال نویز را تشخیص داده و توسط فیلترهای نرم‌افزاری و با کمک تجهیزات صوتی داخلی خودرو آن را حذف می‌کنند.
۱-۲-۲- بهبود کیفیت صدای موتور (ESE[8])
این فناوری به خودروسازان این امکان را می‌دهد تا نویز موتور را با پارامترهای استخراج شده از عملکرد موتور اصلاح کنند؛ این پارامترها می‌توانند مواری مانند دور بر دقیقه[۹] و گشتاور نیرو[۱۰]ی موتور باشند. به منظور حذف نویز، صدای با فاز مخالف (صدای مصنوعی تولید شده) با کمک بلندگوهای داخل و خارج خودرو پخش می‌شود تا صدای ناشی از نویز عملکرد موتور را حذف کند. خودروسازان از این تکنولوژی برای حذف نویز موتور بدون اعمال تغییرات مکانیکی یا در کنار دیگر تکنیک‌های مکانیکی موجود استفاده می‌کنند.
۱-۳- تئوری و کاربرد
در طراحی صدای فعال، علاوه بر حذف نویز، امکان تصحیح صدا برای گوش‌نواز بودن صدای موتور و بهبود تجربه کاربری هم با بهره گرفتن از علم سایکوآکوستیک، در این اصلاحات وجود دارد! در خودروهایی مثل کیا استینگر امکان انتخاب حالت‌های مختلف آکوستیک اتاقک سرنشینان با تنظیمات اکو، هوشمند، آرامش و ورزشی موجود است که حتی امکان شخصی‌سازی این تنظیمات هم وجود دارد. البته لازم به ذکر است در بهبود عملکرد این حالت‌ها، موتور توربوشارژ آن هم نقش غیرقابل انکاری دارد.
تصویر ۲ – کیا استینگر
در موتورهای احتراقی معمولی، سیلندرها وظیفه سوزاندن بنزین و تامین انرژی خودرو را بر عهده دارند. فرآیند احتراق در سیلندرها مطابق با یک سیکل سینوسی اتفاق می‌افتد بنابراین امکان استفاده از سری فوریه وجود دارد. سیکل مورد نظر با چرخش در دقیقه میل لنگ موتور و ترتیب جرقه‌زنی شمع‌ها به صورت سینوسی مدل می‌شود. برای گوش‌نواز کردن صدای موتور، هارمونیک‌های غایب در صدای موتور را با روش‌های پردازش سیگنال دیجیتال[۱۱] به صدای اصلی اضافه می‌کنند.
به منظور شناسایی هارمونیک‌های غایب، از سنسورهای سرعت روی موتورهای قدیمی‌تر یا از طریق گذرگاه شبکه کنترل‌کننده (کن باس)[۱۲] در ماشین‌های جدید استفاده می‌کنند. با استفاده از فیلترهای باندگذر داینامیک[۱۳] هارمونیک‌های از دست رفته منتقل می‌شوند. برای به حداقل رساندن صداهای مصنوعی تولید شده مثل کلیک در حین انتقال، سیگنال از فیلترهای آبشاری بالاگذر و پایین‌گذر عبور داده می‌شود. مطابق با سیگنال دور بر دقیقه‌ی موتور (که با ترانسفورمر ولتاژ القایی به دست آمده است) هارمونیک‌ها با کمک فایروال خودرو (بدنه جداکننده موتور از داخل) و سیستم صوتی داخلی بازتولید و تقویت می‌شوند.
۱-۴- متغییرها
طراحی صدای فعال (ASD) ورودی‌هایی را از موتور و سرعت خودرو، ورودی پدال، صدای اگزوز و لرزش‌های خودرو دریافت می‌کند تا صدای داخلی و خارجی آن را تغییر دهد. این متغیرهای ورودی برای تولید خروجی‌های دلخواه دستکاری می شوند. طراحی صدای فعال یک یا چند مورد از این متغیرها را برای تولید صدای جدید انتخاب می کنند. این متغییرها عبارتند از:
- تولید صدای غیرفعال: سیگنال‌هایی که مستقیماً از خروجی موتور گرفته شده و در داخل خودرو تقویت یا تضعیف می‌شوند.
- تولید صدای غیرفعال و فعال: تقویت ورودی اگزوز و ایجاد خروجی جدید برای کاهش، افزایش و یا تغییر صدای بیرونی خودرو.
- پایه[۱۴]های فعال: دریافت ورودی‌های لرزش‌های خارجی خودرو و کاهش یا بازتولید لرزش داخل اتاق.
- صدای مصنوعی: تولید صدای جدید از طریق صدای تجهیزات صوتی داخلی.
استفاده از تکنیک‌های مکانیکی در آکوستیک خودرو، قدمتی بیش‌تر دارد که حتی امروزه هم به صورت همه‌گیر در بین خودروسازان استفاده می‌شود؛ برای مثالی در این زمینه می‌توان برند پورشه را نام برد که در کنار طراحی صدای فعال، از رزوناتورهای هلم هولتز استفاده می‌کند. پرداختن به این تکنیک‌ها به دلیل گستردگی، نیازمند مقاله‌ای دیگر خواهد بود.
[۱] Active Sound Design
[۲] active noise control
[۳] acoustic enhancement
[۴] Active Noise Cancelling
[۵] Lotus Cars
[۶] Nissan Bluebird
[۷] Harman International Industries
[۸] Engine sound enhancement
[۹] revolutions per minute (RPM)
[۱۰] torque
[۱۱] Digital Signal Processing (DSP)
[۱۲] Controller Area Network bus (CAN-bus)
[۱۳] dynamic band-pass filter
[۱۴] mount
