La próxima vez que viaje en su coche, apague la radio y escuche. Si viaja en un modelo de gama media, es posible que experimente un notable nivel de ruido en el habitáculo. Ya sea del motor, los neumáticos o el viento, estos sonidos irritantes pueden causar fatiga al conductor en largas distancias y afectar a la seguridad.
En el pasado, la mayoría de los fabricantes de automóviles utilizaban material de amortiguación acústica pasiva para ayudar a amortiguar el sonido. Pero ese peso añadido del vehículo aumentaba el consumo de combustible.

Así que se adoptó la tecnología de cancelación activa del ruido (ANC) empleada en los auriculares de cancelación de ruido de audio de gama alta y se implantó en millones de vehículos. Aunque la ANC es eficaz para cancelar el ruido de banda estrecha del motor de un vehículo, tiene poca influencia en la supresión del ruido de banda ancha generado por los neumáticos (ruido de la carretera).
En un taller tecnológico conjunto con los líderes del sector Analog Devices, Inc. (ADI) y Hyundai Motors (HKMC), se debatió sobre la cancelación del ruido de la carretera. ADI es una empresa de tecnología de soluciones completas conocida por resolver los retos de ingeniería más difíciles. Hyundai Motors, pionera en la industria del automóvil, deseaba distinguir su marca y desarrollar una tecnología que redujera drásticamente el ruido en sus vehículos.
Los dos equipos colaboraron para implantar el primer sistema de control activo del ruido de rodadura (RANC) totalmente digital del sector. El reto consistía en implantar el RANC de forma práctica y fácilmente fabricable. A principios de 2020, el innovador sistema RANC se aceleró hasta la producción en serie y se incorporó a los coches insignia GV80 de Hyundai.

Y eso es solo el principio. Hyundai tiene la visión de construir un camino hacia el futuro, yendo mucho más allá de la tecnología de cancelación de ruido para ofrecer una experiencia de sonido más envolvente, entretenida y de alta calidad, tanto para los conductores como para los pasajeros, en toda su flota de automóviles.

Descripción del caso

Empresa
El objetivo de Hyundai Motor Company es ofrecer tecnologías y servicios centrados en el ser humano y respetuosos con el medio ambiente que sienten las bases para que la conducción de los vehículos sea más cómodo, confortable y seguro.

Reto
Introducir en el mercado el primer sistema de cancelación del ruido de la carretera totalmente digital del sector, hacerlo asequible, menos complejo y más ligero, y acelerar su implantación en la producción en serie.

Aplicación
Aprovechar la tecnología Automotive Audio Bus (A2B®) de ADI para su conectividad de audio fundamental y su capacidad de aplicación de infoentretenimiento.

Objetivo
Desarrollar aplicaciones de conectividad de audio e infoentretenimiento en todo el parque automovilístico. Desarrollar una experiencia de automoción más dinámica.

Reducir el ruido

En el pasado, los fabricantes de automóviles que deseaban reducir el ruido del habitáculo y hacer que sus vehículos parecieran más lujosos añadían barreras insonorizantes -en el piso, capós- en todos los lugares que podían. Incluso con la llegada de los materiales ligeros, sólo podían añadir una cantidad limitada de amortiguación antes de que el peso adicional afectara a la eficiencia del combustible. Así que recurrieron a una sencilla tecnología analógica, la cancelación activa del ruido, utilizada por primera vez en los años 50 para reducir el ensordecedor sonido de los motores en las cabinas de helicópteros y aviones, y popularizada más tarde por la industria de los auriculares.
ANC es una solución sencilla y elegante para cancelar el ruido de banda estrecha en lugar de amortiguarlo. Como una ondulación en un lago que se combina con una depresión, el ANC actúa para aplanar o cancelar una onda sonora.
La eliminación del ruido de la carretera no tiene tanto que ver con el silencio, sino con la eliminación de la fatiga que el ruido genera en el conductor y los pasajeros.

¿Cómo funciona la cancelación active del ruido?

La tecnología ANC funciona según el mismo principio que los auriculares con cancelación de ruido, empleando software y componentes como DSP y micrófonos para medir y reducir el ruido. Los micrófonos del habitáculo del vehículo captan el ruido del motor y lo transmiten al procesador digital de señales (DSP), donde el algoritmo ANC lo procesa y envía una señal de audio inversa a través de los altavoces. Conocido como interferencia destructiva, el sonido generado es imperceptible para el conductor y los pasajeros, pero suficiente para anular el ruido del motor.

La aplicación ANC "escucha" el ruido externo no deseado del motor y luego (A) reproduce un sonido que está 180 grados desfasado (B), de modo que el ruido se "elimina" (C) en el momento en que llega al oído. Para lograrlo, el procesamiento digital debe ser muy rápido.

Límites del ANC

La tecnología ANC sólo es eficaz cuando el ruido es constante, predecible y de baja frecuencia, como el estruendo de banda estrecha de un motor.* Los ruidos aleatorios de banda ancha, como los baches, se filtran porque la señal y la velocidad de cálculo del ANC no pueden reaccionar con la rapidez suficiente para generar una onda contraria. Su software y hardware luchan por procesar la cancelación en los 4 ms (4 milisegundos) que tarda el ruido de la carretera en llegar a los oídos del pasajero. Hyundai buscaba una solución mejor para sus vehículos.

*Esa desventaja, a veces, puede actuar como una ventaja. Al conducir, es esencial oír sonidos críticos: el claxon de un coche o la sirena de un camión de bomberos o una ambulancia. Como el ANC sólo anula los sonidos graves y continuos, estas señales acústicas críticas de tono más alto e irregular se oyen alto y claro.

Equipo técnico de Hyundai realizando mediciones en las pruebas RANC.

El compromiso
Hyundai y Analog Devices, Inc. (ADI) mantienen una larga relación desde hace más de una década. A partir de 2012, ADI proporcionó a Hyundai tecnología de procesamiento digital de señales (DSP) para sus amplificadores de audio premium. En los años siguientes, la relación evolucionó rápidamente para centrarse en el control activo del ruido de la carretera (RANC) de Hyundai.
La latencia y el procesamiento de la señal del RANC no sólo son rápidos, sino más de cuatro veces superiores a la velocidad del ruido que viaja de la carretera al habitáculo. En sólo 2 ms (2 milisegundos), el RANC analiza el ruido de la carretera y envía una onda sonora invertida a través de los altavoces estéreo del coche, aplanando el ruido antes de que nadie en el habitáculo lo oiga. En las pruebas, el RANC redujo el ruido del habitáculo a la mitad o 3 dB (tres decibelios).

Dos milisegundos es el tiempo que tarda el RANC en analizar e invertir la onda sonora

 
El sistema RANC propuesto por Hyundai constaba de cuatro componentes principales:

Acelerómetro
Los acelerómetros, situados cerca de cada neumático, captan las vibraciones de los neumáticos y la suspensión.

Procesador
El algoritmo patentado del controlador adaptativo (DSP) contrarresta el ruido de las vibraciones en milisegundos con una onda sonora igual y opuesta transmitida a través de los altavoces.

Micrófonos
Simultáneamente, los micrófonos miden el sonido en el habitáculo y garantizan que se genere una señal precisa de reducción del ruido.

Altavoces
Los altavoces del habitáculo cierran el bucle de la señal y reducen la onda sonora. El resultado es una zona interior más silenciosa alrededor de cada pasajero y una experiencia de conducción audiblemente más cómoda.
A principios de 2015, el Dr. Kang-Duck Ih, investigador del Laboratorio de Investigación NVH de Hyundai, y su equipo estaban llevando a cabo I+D sobre algoritmos para sus aplicaciones RANC. ADI se comprometió con el Dr. Ih y los miembros del equipo a presentar una nueva familia de DSP (procesadores de señales digitales) Griffin para implementar el algoritmo RANC. Al hablar de la arquitectura RANC, ADI se enteró de que la solución de Hyundai, basada en la conectividad analógica tradicional, era prohibitivamente cara y no podía implantarse. El despliegue de los sistemas de cancelación del ruido de rodadura en la industria del automóvil se ha visto limitado por la disponibilidad de una tecnología de red rentable y de baja latencia que conecte eficazmente los sensores de entrada necesarios con el DSP.

La solución A2B

A2B se presentó como una solución de conectividad de par trenzado no apantallado, rentable y de baja latencia para sustituir a los costosos cables coaxiales punto a punto, que consumen mucho peso. Además de audio de hasta 32 canales, control y alimentación phantom a través del mismo cable, A2B también permitía optimizar la topología de red en cadena, reduciendo aún más el peso y la complejidad del mazo de cables.
Vlad Bulavsky, Director General de Conectividad en el Habitáculo del Automóvil, Analog Devices Inc. ha declarado: "Inicialmente nos pusimos en contacto con el equipo de Hyundai para presentar las tecnologías ADI DSP y A2B y las hojas de ruta. El reto de Hyundai era la implementación práctica de su sistema RANC. Como resultado de múltiples reuniones de intercambio de ideas, pudimos llegar a una solución RANC práctica y desplegable utilizando ADI A2B, acelerómetros y Griffin DSP para reemplazar el procesador de un competidor para la próxima generación de vehículos Hyundai."
Hyundai y ADI se reunieron continuamente de 2015 a 2016 para colaborar en la solución. Los dos equipos lograron desplegar la primera tecnología de cancelación del ruido de la carretera totalmente digital del sector en el GV80 de Hyundai, a principios de 2020.

Hyundai GV80 - Imagen cortesía de Hyundai

Ventaja A2B: Vehículos más ecológicos. Características superiores. Mejores diseños

A2B conecta múltiples sensores remotos para diferentes aplicaciones en una secuencia de cadena tipo margarita, reduciendo significativamente los recorridos redundantes de cableado. Como resultado, el peso del mazo de cables disminuye drásticamente, al tiempo que se reducen los costes generales de diseño y la complejidad (diseño, instalación y mantenimiento) como consecuencia del menor número de cables.

"Hemos colaborado estrechamente con Hyundai para diseñar su sistema RANC totalmente digital que aprovecha nuestra tecnología A2B para reducir el coste del equipo, el peso y la complejidad del diseño y, a su vez, mejorar la eficiencia global del combustible, ayudando a resolver varios retos del sistema electrónico RANC", afirma Andy McLean, Vicepresidente de la experiencia en habitáculo del automóvil, Analog Devices. "El trabajo de ADI con Hyundai demuestra la creciente viabilidad de A2B y distingue aún más a los vehículos de Hyundai en el mercado actual".

“RANC es un gran ejemplo de una aplicación en la que se necesitan diferentes tecnologías para formar una solución de sistema eficiente", afirma Vlad Bulavsky. "El DSP de ADI, la conectividad A2B, los acelerómetros y la IP de software se combinan a la perfección para ofrecer una solución rentable y de alto rendimiento a un problema acústico muy desafiante."

El futuro es muy prometedor para las tecnologías DSP, A2B y de acelerómetros de RANC y ADI aplicadas a los vehículos eléctricos (VE). En los sistemas de propulsión eléctricos no hay ruido de motor, por lo que el ruido de la carretera es más perceptible. Una tecnología robusta de cancelación del ruido se hace aún

Mejores sistemas de sonido: Un coche es algo más que un medio para ir del punto A al B. Es un reflejo del estilo de vida personal. Los consumidores pasan más tiempo escuchando música en su coche que en cualquier otro lugar. Aprovechando la ventaja de su nuevo habitáculo silencioso, Hyundai ha desarrollado un sonido de calidad de escenario, expertamente ajustado para la carretera, con su sistema de audio premium Lexicon® con Quantum Logic® Surround. Combinando 1.050 vatios de potencia amplificada con 21 altavoces y subwoofers estratégicamente situados en 17 puntos del habitáculo, el GV80 crea una experiencia de sonido envolvente perfectamente adaptada a cada pasajero. Aunque los trayectos al trabajo en el futuro sigan siendo arduamente largos, conductores y pasajeros podrán relajarse en un espacio personalizado más seguro, silencioso y entretenido como resultado de la colaboración entre ADI y Hyundai.

RANC y el tiempo de comercialización

Durante más de 20 años, los fabricantes de sistemas de audio han sido noticia por el éxito del desarrollo y la implantación del RANC, pero nunca por su producción en serie.
¿Cómo desarrollaron Hyundai Motors y ADI una solución para llegar al mercado con una producción escalable? Un factor clave del éxito de este programa es la rapidez y urgencia con que Hyundai Motors y ADI desarrollaron la tecnología RANC. La profunda colaboración ayudó a crear sinergias que abarcaron el diseño del vehículo, el ensamblaje, la producción y A/S para llegar rápidamente al mercado.

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