El reto de la cancelación activa del ruido con baja latencia en la automoción

Por Kurt Dekoski, ingeniero de Desarrollo de negocio de Molex

Como respuesta a las expectativas crecientes de los clientes, la última década ha sido testigo de un importante cambio de prioridades en el diseño de los vehículos. El énfasis de los ingenieros de automoción se centra en mucha mayor medida en mejorar la experiencia de la conducción y en hacer que el tiempo que pasamos al volante sea lo más agradable posible. Un objetivo que exige –entre otras iniciativas– reducir al mínimo absoluto el ruido de fondo de los habitáculos.

Son varias las fuentes capaces de generar niveles significativos de ruido, desde la mecánica interna del vehículo hasta el entorno exterior, y todas pueden suponer una molestia para los ocupantes. Entre las fuentes de ruido más destacadas están las condiciones meteorológicas adversas (como el viento y la lluvia), el contacto de los neumáticos con las irregularidades de la calzada, las vibraciones del chasis, los vaivenes de la suspensión del vehículo, el climatizador, etc. Sin embargo, la gestión del ruido del habitáculo no es solo cuestión de confort. Tampoco deben pasarse por alto las cuestiones de seguridad: distintos estudios demuestran que la presencia continua de sonidos de baja frecuencia puede contribuir a la fatiga de los conductores y a problemas de seguridad potenciales.

Inmersos como estamos en pleno auge de los vehículos eléctricos (los VE, por sus siglas), la necesidad de combatir el molesto ruido de la rodadura en los ultrasilenciosos VE es algo que nunca se consideró prioritario en los vehículos tradicionales, ya que los motores de combustión interna (los MCI) enmascaraban en gran medida el ruido de la calzada. Los modelos de VE son intrínsecamente más silenciosos que sus homólogos con MCI, ya que sus motores eléctricos no producen suficiente ruido como para ahogar el de los elementos.

Una solución es aislar el interior de los vehículos con materiales que absorban el sonido, lo que no solo consumiría un espacio valioso en un entorno de aplicación con enormes limitaciones de espacio, sino que supondría una instalación costosa y un sobrecoste que muchos fabricantes de automóviles verían innecesario. Además, este tipo de materiales pasivos de reducción del ruido pueden añadir entre 30 y 45 kg a la tara del vehículo, algo sin duda problemático. De ahí que los fabricantes de automóviles busquen con ahínco una solución alternativa basada en tecnologías de cancelación activa del ruido.

La cancelación activa del ruido llega a la industria automotriz

Poner en práctica los principios en los que se asienta la cancelación activa del ruido resulta relativamente sencillo. Mediante dispositivos sensores, se detecta el sonido no deseado. A continuación, se utilizan recursos de procesamiento para examinar la forma de onda y se genera una señal inversa y equivalente para contrarrestarla. Este tipo de mecanismos se utilizan desde hace tiempo en aplicaciones audiovisuales, tales como los auriculares de gama alta.

No obstante, a la hora de implantar esta solución en los vehículos, se deben considerar ciertas diferencias. El sector requiere una solución compacta, de bajo peso y rentable, una capaz de ofrecer un alto rendimiento. Como ocurre con cualquier componente o subsistema destinado a un entorno de automoción, es vital la capacidad de operar de forma fiable en condiciones difíciles. La tecnología de sensores que emplea debe ser lo suficientemente robusta como para soportar temperaturas extremas, vibraciones, impactos, penetración de líquidos…

Por su complejidad, la configuración del cableado que conecta el conjunto de sensores repartidos por el chasis del vehículo a las unidades de procesamiento correspondientes debe buscar la máxima eficiencia, evitando un sobrecoste excesivo para la lista de materiales (LDM). Además, los arneses de cables son responsables en gran parte del peso total de un vehículo. Mantener un peso reducido es especialmente importante en el diseño de los vehículos eléctricos si no se quiere recortar la autonomía entre una recarga y la siguiente. ¡A menor peso del vehículo, más autonomía!

Cómo maximizar el rendimiento de las implementaciones de cancelación de ruido

Existen dos parámetros de rendimiento clave a tener en cuenta al medir la eficacia de los sistemas de cancelación de ruido. El primero es la capacidad de respuesta. El sistema debe recibir y analizar en el mínimo intervalo posible la señal captada y generar a continuación la señal inversa que la compensa, logrando así unos resultados aceptables. Es por ello que, cuanto menor sea la latencia, más eficaz resulta el proceso de cancelación del ruido. En segundo lugar, es vital que los sensores sean capaces de detectar la mayor parte posible de las señales de ruido. Por debajo de un determinado umbral, los sensores no captan las señales y estas escapan al sistema de cancelación de ruido y, por tanto, los ingenieros de automoción necesitan especificar sensores que presenten un «suelo de ruido» muy bajo.

Una solución plenamente optimizada para la automoción

Gracias a la colaboración con el fabricante de semiconductores Analog Devices y los desarrolladores de software de control de sonido Silentium, Molex ha lanzado una solución que pone coto a los problemas de ruido de los vehículos. No solo es eficaz, sino que también satisface requisitos específicos establecidos por los fabricantes de automóviles (en términos de peso del cableado, costes en la LDM, fiabilidad operativa continuada, etc.). Los sensores de cancelación del ruido de la carretera (RNC, por sus siglas en inglés) de Molex incorporan una avanzada tecnología de acelerómetros basados en MEMS. Además, poseen tiempos de latencia inferiores a los 150 μs (típica), un atributo destacado no presente en las soluciones de la competencia.

Los sensores RNC utilizan una tecnología de interfaz propia de Analog Devices, Automotive Audio Bus (A²B), que hace posible un audio de alta fidelidad a la vez que minimiza el cableado para que el coste y el peso no sean prohibitivos.

En un sistema convencional, cada sensor se conectaría directamente a la unidad de procesamiento de señales mediante cables individuales, lo que resulta ineficiente desde el punto de vista tanto del peso como del aprovechamiento del espacio. Por su parte, la tecnología de interfaz A²B permite procesar un mayor número de señales en cada cadena y racionaliza el cableado necesario. Con las tasas de transferencia de datos que admite la red A²B, los sensores RNC tardan menos de 2 ms en transmitir las señales de ruido a su unidad de procesamiento asignada.

La tecnología de bus de audio A²B conecta todos los sensores en una disposición en cadena, con lo que se racionaliza la topología de la red y se reducen el peso, el espacio y los costes de material. Es posible conectar hasta nueve sensores a lo largo de un cable de 30 m, lo que resulta en una reducción del 30 % en el peso del cableado.

Para garantizar la eliminación de la mayor parte posible del ruido, los sensores RNC de Molex ofrecen una mayor sensibilidad. El resultado: un suelo de ruido ultrabajo que permite detectar una parte mayor de la forma de onda original y reaccionar a ella. La Figura 2 ilustra un dispositivo sensor con un suelo de ruido muy superior a los 100 µg/√Hz, comparado con un sensor RNC de Molex (con suelo de ruido inferior a 100 µg/√Hz) que asimila la señal de ruido capturada. El resultado es que el sensor RNC de Molex es capaz de eliminar el 90 % de los ruidos no deseados, algo que se logra en un amplio intervalo de frecuencias, desde los 20 Hz hasta 1 kHz. Incluso es posible mitigar el ruido circulando a velocidades más bajas.

Basados en la popular familia Mini50 de Molex, los conectores empleados en esta solución de cancelación activa del ruido permiten ahorrar un 50 % de espacio respecto a los conectores estándar USCAR de 0,64 mm. Los sensores están alojados en carcasas de alta resistencia (disponibles también con clasificación IP6K9K en caso necesario), lo que permite situarlos más cerca de la fuente del ruido (por ejemplo, la propia calzada) y acelerar así todo el proceso de cancelación del ruido.

Conclusión

La reducción del peso de los automóviles y su creciente electrificación hace que la reducción del ruido de la rodadura emerja como un condicionante clave.  Afortunadamente, los sensores RNC de Molex ofrecen ventajas a los fabricantes de automóviles actuales a la hora de diseñar e implementar una solución más ligera y potente, más flexible y más eficiente cuando se trata de reducir el ruido no deseado. Desde hace casi 30 años, Molex desempeña un papel clave en la industria de la automoción con productos electrónicos innovadores que ayudan a los fabricantes de automóviles a superar retos una y otra vez. La fatiga de los conductores provocada por el ruido de baja frecuencia de los automóviles eléctricos es un reto que afecta directamente a la seguridad de la circulación y convierte a nuestra nueva tecnología de sensores RNC en una de las soluciones más relevantes de todas las presentadas por Molex hasta la fecha.