科学家研发具备ANC的小型电动汽车,具有极高的乘坐舒适度!

   电工小二        

在这项研究中,研究人员使用脑波出现率对电动汽车(EV)内部舒适度进行了定量评估,脑波出现率是被提出的超紧凑电动汽车主动噪声控制(ANC)系统初始阶段所揭示的人体生物信息的一部分。电动车已经成为易于使用的移动解决方案,并已被研究和积极开发的重点使用音乐的特点。在驾驶模拟器上,研究人员以受试者的心率与音乐节奏的关系为基础,对音乐进行基本测试,包括1/f波动,以评估驾驶舒适度。结果表明,如果乘客听了有1/f波动的音乐,他/她可以放松。因此,如果研究人员能预先掌握乘客的心率和每分钟心跳的生物信息来进行掩蔽,那么即使在使用驾驶模拟器的情况下,车内的舒适度也能得到改善。


相关论文以题为“A Basic Study on Sound Control System for Ultra-Compact Electric Vehicle by Using Masking”发表在《Applied Sciences》上。




超小型电动汽车(ev)的短宽度和轴距,可容纳一个或两个座位,正变得越来越受欢迎。这些车辆可以通过狭窄的街道,有望成为城市中的一种新的个人交通方式。此外,由于该车使用电动机作为动力源,而不是汽油发动机或柴油发动机,不仅环境影响小,而且发动机不产生噪音。因此,输入车辆的噪声主要包括来自轮胎的路面噪声和风噪声。这种噪音会恶化客舱的舒适度。传统车辆通常在车内安装吸声材料或扬声器,用于主动噪声控制(ANC)。但是,由于超小型车的紧凑性,这些设备的安装非常困难。这导致了车辆舒适度的恶化。因此,研究人员以体积小、输出高的巨磁致伸缩致动器(GMA)为研究对象,提出了利用巨磁致伸缩致动器产生的壁面振动的ANC系统,从而证实了其消声效应。此外,研究人员的研究不仅是为了“减少噪音”,而且是为了“悦耳的声音”来控制一个舒适的空间。


在这项研究中,研究人员使用音乐来掩盖超紧凑型电动车的内部噪音,以提高驾驶员的舒适性。为了给驾驶员提供舒适感,研究人员着重研究了音乐中1/f的波动以及音乐中心率和节拍的关系。此外,虽然驾驶员在实际驾驶中使用了方向盘掩蔽,但在驾驶工况下掩蔽的作用尚未得到研究。利用脑电图(EEG)获取生物信息,定量评价掩蔽室内噪声后的舒适度。


用脑电波评估舒适度


一些关于室内空间和游乐设施舒适度评价的研究采用了对人体生物信息的定量评价。脑电波是大脑产生的电信号,伴随着神经的呼叫活动,是生物信息的一种。


研究人员诊断了人的心理状态对心理状态、感官刺激和意识水平的依赖性。在本实验中,研究人员使用脑电图研究实验室公司支持的Alphatec IV脑电波仪测量不同声音条件下的脑电波进行定量评估,如图1所示。这个装置可以测量脑电波并在每一秒钟转换成频谱。翻译谱可分为5个波段:横波(4-6 Hz)、S型横波(7-8 Hz)、M型横波(9-11 Hz)、F型横波(12-14 Hz)和纵波(15-23 Hz)。一些研究者通过舒适度评价指标对包括S束、M束和F束的纵波进行了研究,发现当人体感到放松时,纵波就会出现。在本研究中,研究人员将F波、M波和S波视为单一的纵波。


这项研究的参与者佩戴了脑电波测量仪。图2显示了一秒钟内获得的脑电波频谱样本。从图中可以看出,脑电波频谱中电压最大的频率为20hz,属于波的波形。因此,研究人员判断波在秒出现最多,并计算测量时间内每个脑电波出现的次数。



图1.脑波仪。




图2.一秒脑电波测量的样本结果。


屏蔽技术


利用掩蔽效应改善噪声舒适性的研究正受到各领域的关注。掩蔽是听觉现象之一。如果A信号存在B信号,A信号就很难听到,因为最小可听范围增加了。当信号A很难被听到时,掩蔽就很难实现完全的掩蔽。


降低车内噪音对驾驶员的舒适驾驶非常重要。有相关的研究使用BGM作为一种掩蔽技术来降低室内空间的噪音。然而,在确定超紧凑型电动汽车驾驶员舒适度方面,研究主要集中在问卷调查和感官评价两方面。在这种情况下,对人体敏感性的科学和工程研究还不够。


研究人员提出了一种用于超紧凑电动汽车的ANC系统,如图3所示。此外,研究人员还研究了基于驾驶员生物信息的车内声音控制。研究人员的目的是对驾乘舒适度进行定量评价,以确保驾驶员在驾驶过程中感到放松和集中注意力。



图3.应用于超紧凑型电动汽车(EV)的超磁致伸缩执行器(GMA)噪声主动控制系统。


包含1/f波动的音乐的弛豫效应的实验


研究人员选取了340首乐曲进行了一项实验,以确定对一名参与者的放松效果。在本实验中,研究人员通过测量在驾驶模拟器中被音乐掩盖的道路噪声输出时的脑电波来定量评价驾驶员的舒适度。


图5描绘了参与者连接到一个脑电图仪,坐在驾驶模拟器和扬声器前休息,扬声器输出假设的道路噪音和音乐来掩盖。通过观察车内噪声掩蔽率与驾驶员舒适度之间的关系,研究了音乐对车内噪声掩蔽率的影响。当参与者使用一个简单的驾驶模拟器来模拟真实的驾驶条件时,利用从他/她那里获得的生物信息来评估驾驶员的舒适度。当参与者听三首音乐,每首3分钟时,他们的脑电波被测量。实验中考虑的三种声音条件为:(1)道路噪声,(2)道路噪声+音乐不含1/f波动,(3)道路噪声+音乐含1/f波动。



图5.驾驶模拟器的实验情况。


测量开始前,参与者在简易驾驶模拟器上练习2分钟,练习结束后测量参与者的脑电波3分钟,同时听路面噪音音乐,同时操作模拟器。在第一次脑电波测量之后,参与者坐在椅子上休息了一分钟。休息后,参与者被要求从1527首掩蔽音乐作品中选择他/她最喜欢的一首。在接下来的实验中,测量被试3分钟的脑电波,同时听不含1/f波动的道路噪音+音乐,同时操作模拟器。实验结束后,参与者像之前一样休息。休息之后,被试被要求从340首曲子中选择一首掩蔽音乐,这340首曲子被证实与之前的分析相比存在1/f的波动。最后测量被试3分钟的脑电波,同时听包括1/f波动的道路噪音+音乐,同时操作模拟器。平均声压级为70分贝,这是由位于参与者耳朵附近的噪音计测量的。实验流程如图6所示。



图6.实验流程的松弛效应的音乐包括一个1/f波动。


结论


本研究利用不同驾车者的人体生物信息,定量评价超紧凑型电动汽车的车内舒适性。


首先,研究人员着重于使用音乐的1/f波动来掩盖内部噪音。结果显示了驾驶员放松的效果。研究人员对用于掩蔽的音乐片段进行频谱分析,其中研究人员选择了包含1/f波动的音乐片段。第二,实验参与者在简单的驾驶条件下听各种音乐。参与者使用的一些音乐包含了1/f波动,而另一些则排除了1/f波动。在所有的场景中,研究人员通过脑波测量计算出的纵波出现率来评估参与者的乘坐舒适性。此外,研究人员还研究了驾驶员的心率与音乐节奏之间的关系。


根据这些实验结果,下面对本研究的实验结果进行总结:


(1)可以观察到,当包含1/f波动的音乐用于掩盖道路噪音时,驾驶员的舒适度有了改善。舒适度的提高可以通过参与者脑电波中出现纵波的频率的增加来衡量。当听包含1/f波动的音乐时,参与者感到很放松。结果表明,使用含有1/f波动的音乐来掩盖超小型车的车内噪声,可以提高驾驶员的舒适度;


(2)可以通过关注司机的心率与掩蔽音乐节奏之间的关系来评估参与者的乘车舒适度。研究人员观察了参与者在听节奏为1次、1次半和2倍心率的音乐时的波出现率。结果显示,参与者表现出两种不同的舒适趋势。此外,研究人员还观察到,驾驶员的舒适度随着音乐的节奏而提高;


(3)包含1/f波动的音乐作品约占本次研究分析的全部音乐作品的20%。如果研究人员预先掌握驾驶人的心跳和每分钟的音乐节拍等生物信息来掩盖,室内空间的舒适度就会提高。


从这些考虑,如果研究人员能预先掌握驾驶员喜欢的车内声音环境,那么根据图案使用音乐掩蔽可以提高车内空间的舒适度。在未来的研究中,研究人员的目标是利用驾驶员的生物信息与驾驶条件、时间和环境一起自动改变车内噪声条件,即使驾驶员驾驶时间较长。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3412/htm



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