Tiếng ồn bên trong khoang xe giảm đi đáng kể nhờ công nghệ ANC mà Honda Accord 2014 là đại diện mới nhất tại Việt Nam áp dụng.
Sơ đồ hệ thống ANC của Honda Accord
Âm thanh, về nguyên lý, có dạng sóng và chuyển động trong không khí. Vật thể dao động tạo ra tiếng ồn và đây đơn giản là âm thanh không mong muốn. Để loại bỏ hoặc giảm thiểu các âm thanh không mong muốn trong khoang xe, ngành công nghiệp ôtô có 2 phương pháp kiểm soát tiếng ồn là chủ động và thụ động.
Về cơ bản, hệ thống triệt tiêu tiếng ồn chủ động gồm các cảm biến âm thanh qua microphone và loa
• Kiểm soát tiếng ồn thụ động là phương pháp truyền thống nhằm tạo ra rào cản vật lý ngăn sóng âm thanh xâm nhập. Phương pháp thụ động sử dụng vật liệu (cách âm, nước và cao su) để hấp thụ năng lượng sóng âm, qua đó ngăn chặn chúng. Kỹ thuật thụ động có hiệu quả nhất với sóng âm tần số cao và trung bình. Sóng âm tần số thấp nhiều năng lượng hơn nên cần nhiều vật liệu vật lý hấp thụ hơn. Điều này khiến cho ôtô nặng hơn, không tiết kiệm, phức tạp và tăng chi phí sản xuất dẫn tới tăng giá thành.
• Phương pháp kiểm soát chủ động về cơ bản nhằm loại bỏ yếu tố âm thanh hay dao động bằng cách bổ sung thêm sóng hay dao động có tác dụng triệt tiêu nguồn phát ra tiếng ồn. Để làm như vậy người ta sử dụng sóng triệt tiêu có cùng cường độ song pha đối ngược với nguồn cần loại bỏ. ANC chính là công nghệ kiểm soát tiếng ồn chủ động mà nhiều hãng đang đầu tư.
Về cơ bản, hệ thống triệt tiêu tiếng ồn chủ động gồm các cảm biến âm thanh qua microphone và loa. Các cảm biến âm thanh này (cụ thể là các Xử lí tín hiệu số – DSP) sẽ phân tích tín hiệu âm thanh thu được, sau đó điều khiển hệ thống phát đi tín hiệu đối ngược thông qua các loa để triệt tiêu tiếng ồn không mong muốn.
Hệ thống này cũng có thể tác động ngược lại, nghĩa là tăng dung dượng các âm thanh có ích, thí dụ như tiếng rú thú vị của động cơ xe thể thao hay tiếng ồn trong xe hybrid hay xe điện bởi nếu các xe này chạy quá êm có thể gây tai nạn vì người điều khiển các xe đi xung quanh không để ý.
Thông thường ANC được tích hợp với hệ thống âm thanh trên xe. Thông qua thông tin nhận được về tiếng ồn động cơ và ôtô, ANC sẽ tạo ra tín hiệu bổ sung để tăng cường hoặc điều chỉnh dải tần âm thanh trong hệ thống động lực, để tạo ra trong cabin âm thanh tinh tế và mong muốn – êm dịu hay âm thanh thể thao – cho hệ thống động lực. ANC có thể tạo ra dải âm thanh ổn định hơn trong khi giảm thiểu các âm thanh bất thường. Nó cho phép kiểm soát âm thanh ở qui mô rộng hơn, đồng thời chính xác hơn.
Xu thế hiện nay của ANC là đưa ra các thuật toán có thể xử lý nhiều tín hiệu âm thanh khác nhau, ứng dụng thuật toán kiểm soát thích ứng trong không gian 3 chiều, kiểm soát âm thanh chủ động theo nhiều kênh, để qua đó có thể đa dạng hóa ứng dụng.
Ưu điểm của ANC là có thể kiểm soát trực tiếp tốt âm thanh tần số thấp theo chu kỳ (ví dụ như động cơ ôtô), đồng thời việc lắp đặt ứng dụng hệ thống chủ động này còn nhẹ hơn nhiều so với việc sử dụng các vật liệu cách âm trên khắp thân xe của phương pháp kiểm soát âm thanh thụ động, và điều này có vai trò đặc biệt quan trọng trong ngành chế tạo máy bay cũng như ôtô thể thao.
Tuy nhiên, một xu hướng khác là kết hợp ANC với kiểm soát âm thanh thụ động để tạo ra hiệu ứng kép. Tại phòng thí nghiệm Vibrations and Acoustics Laboratory (VAL) thuộc Virginia Tech, các nhà nghiên cứu C. Guigou và C.R. Fuller đã phát triển một loại da bọt biển PVDF thông minh. Vật liệu này được thiết kế để kiểm soát tiếng ồn trong khoang máy bay. Lớp da “thông minh” sẽ giảm tiếng ồn nhờ sự hấp thụ thụ động của bọt biển, đồng thời sóng chủ động của PVDF thông qua dao động điện sẽ giúp loại bỏ hiệu quả tiếng ồn tần số thấp.
Với ngành công nghiệp ôtô, Bose là một trong những hãng đi đầu ứng dụng công nghệ ANC. Các hệ thống ANC của Bose đã hiện diện trong Infiniti Q50, Cadillac ELR và Buick Encore. ANC còn được ứng dụng để tăng cường âm thanh được ưa thích như ở các mẫu xe BMW M5, M6, Porshe 911. Ôtô hạng sang nay thường được ứng dụng công nghệ này, tuy nhiên ngày nay nó cũng được ứng dụng đối với các mẫu xe phổ thông như Honda Accord đời 2013, Ford C-Max hybrid, Ford Fusion bản hybrid và hybrid cắm sạc,…
Việc ứng dụng phương pháp kiểm soát tiếng ồn chủ động mang lại hiệu quả rõ rệt so với phương pháp thụ động. Các nghiên cứu và đo đạc cho thấy hệ thống ANC có thể giúp không gian ca-bin ôtô giảm từ 6 – 10dB trong cùng một điều kiện vận hành xe.
Sơ đồ hệ thống ANC của Honda Accord
Khái niệm Kiểm soát Tiếng ồn Chủ động (Active Noise Control – ANC) không còn xa lạ. Paul Lueg năm 1936 đã nhận được bằng phát minh đầu tiên về ANC. Tuy nhiên, hoạt động nghiên cứu ANC chỉ được thúc đẩy với sự xuất hiện của vi mạch. Điều kiện cần của ANC là phải phân tích tỉ mỉ, chính xác các sóng âm truyền tới. Thuật toán sử dụng để phân tích sóng âm được phát triển cuối thập niên 1980. Hệ thống Sưởi ấm và Điều hòa (HVAC) là thiết bị đầu tiên hưởng lợi từ công nghệ ANC, phát triển tại CNRS4 Laboratory and Mechanics ở Marseilles, Pháp.
Kể từ đó, công nghệ này đã được ứng dụng cho ống thông khí trong tàu ngầm của Pháp. Hãng Renault từ lâu đã nghiên cứu ứng dụng ANC để giảm tiếng ồn động cơ, và hiện hầu hết các hãng chế tạo ôtô khác cũng bắt tay nghiên cứu công nghệ này. Về thương mại, ANC thành công trong lĩnh vực hàng không khi giảm tiếng ồn bên trong buồng lái.
Âm thanh, về nguyên lý, có dạng sóng và chuyển động trong không khí. Vật thể dao động tạo ra tiếng ồn và đây đơn giản là âm thanh không mong muốn. Để loại bỏ hoặc giảm thiểu các âm thanh không mong muốn trong khoang xe, ngành công nghiệp ôtô có 2 phương pháp kiểm soát tiếng ồn là chủ động và thụ động.
• Phương pháp kiểm soát chủ động về cơ bản nhằm loại bỏ yếu tố âm thanh hay dao động bằng cách bổ sung thêm sóng hay dao động có tác dụng triệt tiêu nguồn phát ra tiếng ồn. Để làm như vậy người ta sử dụng sóng triệt tiêu có cùng cường độ song pha đối ngược với nguồn cần loại bỏ. ANC chính là công nghệ kiểm soát tiếng ồn chủ động mà nhiều hãng đang đầu tư.
Về cơ bản, hệ thống triệt tiêu tiếng ồn chủ động gồm các cảm biến âm thanh qua microphone và loa. Các cảm biến âm thanh này (cụ thể là các Xử lí tín hiệu số – DSP) sẽ phân tích tín hiệu âm thanh thu được, sau đó điều khiển hệ thống phát đi tín hiệu đối ngược thông qua các loa để triệt tiêu tiếng ồn không mong muốn.
Hệ thống này cũng có thể tác động ngược lại, nghĩa là tăng dung dượng các âm thanh có ích, thí dụ như tiếng rú thú vị của động cơ xe thể thao hay tiếng ồn trong xe hybrid hay xe điện bởi nếu các xe này chạy quá êm có thể gây tai nạn vì người điều khiển các xe đi xung quanh không để ý.
Thông thường ANC được tích hợp với hệ thống âm thanh trên xe. Thông qua thông tin nhận được về tiếng ồn động cơ và ôtô, ANC sẽ tạo ra tín hiệu bổ sung để tăng cường hoặc điều chỉnh dải tần âm thanh trong hệ thống động lực, để tạo ra trong cabin âm thanh tinh tế và mong muốn – êm dịu hay âm thanh thể thao – cho hệ thống động lực. ANC có thể tạo ra dải âm thanh ổn định hơn trong khi giảm thiểu các âm thanh bất thường. Nó cho phép kiểm soát âm thanh ở qui mô rộng hơn, đồng thời chính xác hơn.
Xu thế hiện nay của ANC là đưa ra các thuật toán có thể xử lý nhiều tín hiệu âm thanh khác nhau, ứng dụng thuật toán kiểm soát thích ứng trong không gian 3 chiều, kiểm soát âm thanh chủ động theo nhiều kênh, để qua đó có thể đa dạng hóa ứng dụng.
Ưu điểm của ANC là có thể kiểm soát trực tiếp tốt âm thanh tần số thấp theo chu kỳ (ví dụ như động cơ ôtô), đồng thời việc lắp đặt ứng dụng hệ thống chủ động này còn nhẹ hơn nhiều so với việc sử dụng các vật liệu cách âm trên khắp thân xe của phương pháp kiểm soát âm thanh thụ động, và điều này có vai trò đặc biệt quan trọng trong ngành chế tạo máy bay cũng như ôtô thể thao.
Tuy nhiên, một xu hướng khác là kết hợp ANC với kiểm soát âm thanh thụ động để tạo ra hiệu ứng kép. Tại phòng thí nghiệm Vibrations and Acoustics Laboratory (VAL) thuộc Virginia Tech, các nhà nghiên cứu C. Guigou và C.R. Fuller đã phát triển một loại da bọt biển PVDF thông minh. Vật liệu này được thiết kế để kiểm soát tiếng ồn trong khoang máy bay. Lớp da “thông minh” sẽ giảm tiếng ồn nhờ sự hấp thụ thụ động của bọt biển, đồng thời sóng chủ động của PVDF thông qua dao động điện sẽ giúp loại bỏ hiệu quả tiếng ồn tần số thấp.
Với ngành công nghiệp ôtô, Bose là một trong những hãng đi đầu ứng dụng công nghệ ANC. Các hệ thống ANC của Bose đã hiện diện trong Infiniti Q50, Cadillac ELR và Buick Encore. ANC còn được ứng dụng để tăng cường âm thanh được ưa thích như ở các mẫu xe BMW M5, M6, Porshe 911. Ôtô hạng sang nay thường được ứng dụng công nghệ này, tuy nhiên ngày nay nó cũng được ứng dụng đối với các mẫu xe phổ thông như Honda Accord đời 2013, Ford C-Max hybrid, Ford Fusion bản hybrid và hybrid cắm sạc,…
Việc ứng dụng phương pháp kiểm soát tiếng ồn chủ động mang lại hiệu quả rõ rệt so với phương pháp thụ động. Các nghiên cứu và đo đạc cho thấy hệ thống ANC có thể giúp không gian ca-bin ôtô giảm từ 6 – 10dB trong cùng một điều kiện vận hành xe.
