شتاب‌سنج‌های سیستم تعلیق چگونه با مهار تاخیر ساختاری، صدای جاده را پیش از شکل‌گیری خنثی می‌کنند؟

سال‌هاست مهندسان آکوستیک خودرو ادعا می‌کنند تنها راه مطمئن برای مهار غرش تایرها، پر کردن درها و کف اتاق با صدها کیلوگرم شیشه دوجداره و فوم‌های متراکم است. اما داده‌های فیزیکی حاصل از ارزیابی شاسی‌های مدرن نشان می‌دهد که عایق‌کاری سنتی در برابر ارتعاشات فرکانس پایین ناشی از آسفالت‌های زبر عملاً دست‌بسته است.[2][3]

راهکار مدرن به‌جای سد کردن فیزیکی صدا، نابود کردن امواج صوتی پیش از رسیدن به گوش سرنشین است. در سامانه‌های نوین مهار فعال نویز جاده، شتاب‌سنج‌های بسیار دقیقی روی قطعات سیستم تعلیق سوار می‌شوند تا از تاخیر زمانی کوتاهی که لرزش فیزیکی برای عبور از شاسی فلزی نیاز دارد، بهره ببرند.[1]

این وقفه در انتقال ارتعاشات شاسی، یک برتری محاسباتی سرنوشت‌ساز به پردازشگرهای سیگنال دیجیتال می‌دهد؛ مزیتی که به بلندگوهای سیستم صوتی فرصت می‌دهد تنها چند میلی‌ثانیه پیش از طنین‌انداز شدن نویز جاده در کابین، موجی صوتی با فاز معکوس تولید کرده و هیاهوی تایرها را مهار کنند.

مشکل تاخیر زمانی در میکروفون‌های کابین

فناوری کلاسیک حذف فعال نویز، که بیشتر افراد در هدفون‌های پیشرفته با آن آشنا شده‌اند، بر میکروفون‌های تعبیه‌شده در فضای شنیداری متکی است. این حسگرها ابتدا نویز محیط را ثبت می‌کنند و سپس پردازنده موجی مخالف برای بی‌اثر ساختن آن بازتولید می‌کند.

این رویکرد واکنشی در اتاق خودرو برای اصوات یکنواخت و دارای ریتم، نظیر غرش موتور درون‌سوز، بی‌نقص عمل می‌کند؛ چرا که پیستون‌ها بر اساس الگوهای ریاضی ثابت جرقه‌زنی می‌کنند و رایانه به‌راحتی قله‌های صوتی بعدی را پیش‌بینی و خنثی می‌سازد.

اما سر و صدای جاده رفتاری کاملاً نامنظم و آشوب‌ناک دارد. برخورد لاستیک با یک درز انبساط پل یا حرکت روی آسفالت زبر، امواجی تصادفی با پهنای باند گسترده تولید می‌کند که در هر میلی‌ثانیه متغیر است.[2]

زمانی که میکروفون درون اتاق صدای افتادن خودرو در چاله را می‌شنود، موج صوتی عملاً به پرده گوش راننده رسیده است. پردازنده دیگر هرگز فرصت ندارد برای خنثی‌سازی رخدادی تصادفی که از پیش در هوای کابین پخش شده، موج پادنویز بسازد.[1][3]

مهار نویز در پنجره ۹ میلی‌ثانیه‌ای

برای غلبه بر چنین ضربات غیرقابل پیش‌بینی، طراحان ناچار شدند حسگرها را از داخل اتاق بیرون ببرند. سامانه‌های جدید مهار فعال نویز جاده، شتاب‌سنج‌ها را مستقیماً روی جرم فنربندی‌نشده خودرو، به‌ویژه روی طبق‌های پایینی تعلیق یا سگ‌دست‌ها نصب می‌کنند.[1][2]

به محض برخورد تایر با دست‌انداز، شتاب‌سنج بی‌درنگ تکانه‌های عمودی را ثبت می‌کند. سپس ارتعاش فیزیکی مسیرش را آغاز می‌کند: از طبق بالا می‌رود، از بوش‌های لاستیکی متراکم رام زیرین شاسی می‌گذرد، اسکلت فولادی بدنه را می‌لرزاند و نهایتاً کفی خودرو را مثل دیافراگم یک بلندگوی غول‌پیکر به ارتعاش درمی‌آورد.[2]

بر پایه اطلاعات فنی مهندسان توسعه هیوندای موتور گروپ، این جابه‌جایی مکانیکی لرزش از نقطه تماس لاستیک تا تبدیل شدن به صدا در هوای کابین، حدود ۰٫۰۰۹ ثانیه یا ۹ میلی‌ثانیه زمان می‌برد. کل چالش مهندسی در همین مهلت زمانی بسیار کوتاه نهفته است.[1]

همین وقفه ۹ میلی‌ثانیه‌ای، پنجره عملیاتی طلایی سامانه است. درست در همان لحظاتی که ارتعاش فیزیکی سرگرم تقلا برای عبور از بوش‌های سیستم تعلیق است، پیام الکترونیکی شتاب‌سنج با سرعت نور خود را به پردازشگر سیگنال دیجیتال می‌رساند.[1][3]

مسابقه میلی‌ثانیه‌ای نرم‌افزار با فیزیک

به محض رسیدن داده‌ها، پردازنده بی‌درنگ باید شکل دقیق موج صوتی را که کفی خودرو در آستانه انتشار آن است تخمین بزند و بی‌درنگ به بلندگوها و ساب‌ووفرها فرمان دهد موجی دقیقاً قرینه با همان دامنه شلیک کنند.

معماری هالوسونیک شرکت هارمن این فرایند محاسباتی و فرمان صوتی به بلندگوها را ظرف تنها دو میلی‌ثانیه تکمیل می‌کند. در نتیجه، یک حاشیه امن زمانی هفت میلی‌ثانیه‌ای پیش از ورود واقعی صدا به کابین در دست مهندسان باقی می‌ماند.

زمانی که ورقه‌های کف خودرو بالاخره می‌لرزند و مولکول‌های هوا را جابه‌جا می‌کنند، بلندگوها از قبل موج مخالف را گسیل کرده‌اند. برخورد جبهه پرفشار نویز جاده با جبهه کم‌فشار صدای بلندگو، هر دو موج را پیش از ورود به گوش سرنشین در هوا نیست و نابود می‌کند.[2]

کانگ-داک ایه، پژوهشگر ارشد در آزمایشگاه تحقیقات ارتعاشات و آکوستیک گروه هیوندای می‌گوید: «سامانه RANC قادر است نویز ورودی به کابین را تا ۳ دسی‌بل کاهش دهد که به معنای نصف شدن حجم صدا نسبت به حالت بدون سامانه است. ما برای تضمین نهایت آرامش سرنشینان، رهبری خود را در زمینه این فناوری‌ها حفظ خواهیم کرد.»[1]

تاثیر کاهش وزن بر خریداران خودروهای برقی

برای خریدار یک خودروی ممتاز، این نبرد پنهان آکوستیکی معماری اتومبیل را دگرگون ساخته است. در گذشته، تنها گزینه برای ساکت کردن اتاق، انباشتن ورق‌های قیری، موکت‌های سنگین و شیشه‌های ضخیم درون درها و کف بود.[3]

اما این وزن مرده، دشمن اصلی مسافت قابل‌پیمایش در خودروهای الکتریکی محسوب می‌شود. یک شاسی‌بلند لوکس برقی نمی‌تواند ده‌ها کیلوگرم وزن بیهوده را صرفاً برای مهار صدای جاده حمل کند؛ آن هم در شرایطی که نبود موتور احتراقی، صدای لاستیک‌ها را به برجسته‌ترین صدای کابین تبدیل کرده است.[3]

خودروسازان با جایگزینی این پوشش‌های قیراندود سنگین با چند گرم حسگر سیلیکونی و بهره‌گیری از بلندگوهای موجود در درها، وزن اسکلت خودرو را به شدت پایین می‌آورند. در عمل، خریدار سواری آرام‌تری را تجربه کرده و بدون ارتقای اندازه باتری، پیمایش بیشتری دریافت می‌کند.[1]

مهندسان آکوستیک بوز اشاره می‌کنند که سامانه QuietComfort RNC این امکان را فراهم آورده تا سازندگان بدون کاهش سطح رفاه کابین، تا ۳۰ درصد از متریال عایق سنتی بکاهند؛ بدین‌سان نرم‌افزار جایگزین جرم فیزیکی شده است.

مرزهای فنی حذف امواج صوتی

با وجود نبوغ این راهکار، نباید پنداشت که همه لایه‌های عایق فیزیکی به کلی کنار می‌روند. این فناوری منحصراً به ارتعاشات سازه‌ای کم‌فرکانس ناشی از سیستم تعلیق که معمولاً بین ۲۰ تا ۵۰۰ هرتز است محدود می‌شود.[2]

صداهای فرکانس‌بالا، مانند سوت باد در اطراف آینه‌های بغل یا پاشش آب زیر گلگیر، از مسیر هوا منتقل می‌شوند. آن‌ها بی‌اعتنا به تعلیق، مستقیماً از شیشه‌ها نفوذ می‌کنند؛ بنابراین همچنان باید از طریق آیرودینامیک صیقلی و شیشه‌های لمینت مهار شوند.[2]

علاوه بر این، موفقیت سیستم وابسته به ثبات سرعت هدایت صوت در قطعات مکانیکی است. اگر یک بوش تعلیق پس از کارکرد طولانی مستهلک شود یا در سرمای استخوان‌سوز زمستان لاستیک آن خشک و سفت گردد، سرعت انتقال ارتعاش تغییر خواهد کرد.[3]

با کوچک‌ترین جابه‌جایی در این وقفه زمانی، نظم محاسباتی پردازنده به هم می‌ریزد. اگر پادنویز حتی یک میلی‌ثانیه زودتر یا دیرتر پخش شود، نه‌تنها صدا را دفع نمی‌کند، بلکه ممکن است با تشدید موج، صدای بم و آزاردهنده‌ای در اتاق پدید آورد.[1][2]

برای پیشگیری از این خطا، میکروفون‌های داخل اتاق به‌عنوان یک بازخورد حلقه‌بسته مداوم عمل می‌کنند. آن‌ها خروجی نهایی آکوستیک را مدام می‌سنجند و در صورت مشاهده هرگونه انحراف زمانی، به الگوریتم دستور می‌دهند محاسباتش را هم‌تراز کند.

به این ترتیب، سکوت بی‌نقص کابین خودروهای مدرن دیگر متکی به لایه‌های قطور عایق نیست، بلکه هنر نوعی خطای حسی محاسباتی در مقیاس میلی‌ثانیه‌هاست؛ ترفندی استوار بر این اصل ساده فیزیکی که داده‌ها همواره تندتر از لرزش قطعات فولادی حرکت می‌کنند.[3]