電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)主動(dòng)聲音系統(tǒng)探討

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)主動(dòng)聲音系統(tǒng)探討 摘要：針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，車(chē)內(nèi)聲壓級(jí)較低而引起的駕駛體驗(yàn)感降低和駕駛疲勞問(wèn)題，文章提出了一種車(chē)內(nèi)主動(dòng)聲音系統(tǒng)。首先，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音特定的諧波結(jié)構(gòu)和主階次準(zhǔn)周期特性，對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行分解，并搭建聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。隨后，根據(jù)油門(mén)踏板開(kāi)度信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的聲音樣本實(shí)時(shí)讀取，同時(shí)利用時(shí)域同步疊加方法對(duì)讀取的聲音樣本進(jìn)行合成。最后，在Matlab仿真平臺(tái)對(duì)本文的時(shí)域同步疊加方法進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)直接疊加方法進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明，雖然兩種方法在勻減速和勻速的階次分析結(jié)果相差不大，但與時(shí)域同步疊加方法相比，直接疊加方法合成的聲音幅值存在一定程度不連續(xù)現(xiàn)象；在勻加速工況下，時(shí)域同步疊加方法合成的聲音幅值和階次成分精度方面都要優(yōu)于直接疊加方法。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)聲音；聲音合成；主動(dòng)聲音；時(shí)域同步疊加前言隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展及日益普及，人們對(duì)于車(chē)內(nèi)聲音提出了更高的要求。與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中車(chē)內(nèi)有著較低聲壓級(jí)的聲場(chǎng)環(huán)境，往往會(huì)增加駕駛員對(duì)于車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)舒適性的感知程度，導(dǎo)致駕駛體驗(yàn)感降低，由于車(chē)內(nèi)過(guò)于安靜還可以造成的駕駛疲勞，所以在電動(dòng)汽車(chē)上安裝主動(dòng)式聲浪系統(tǒng)對(duì)駕駛?cè)说鸟{駛樂(lè)趣、提高安全性、交互式體驗(yàn)方面尤為重要1。針對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音合成技術(shù)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家、學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。Amman和Das2提出了一種基于確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)分解原理的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音合成方法，根據(jù)追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的離散傅里葉變換和次優(yōu)多脈沖激勵(lì)方法來(lái)產(chǎn)生逼真的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音。VanRensburg等人3提出了相位編碼器的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音合成方法，先將時(shí)域聲音信號(hào)變換到頻域進(jìn)行處理，再反變換到頻域，這種方法最大特點(diǎn)是以犧牲算法實(shí)時(shí)性來(lái)使其失真度最小，但是很難應(yīng)用到實(shí)時(shí)性高的領(lǐng)域中。Pascal4設(shè)計(jì)了電子激振器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)算法合成一定頻率寬度的噪聲帶及發(fā)動(dòng)機(jī)階次聲音，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)聲音階次的增強(qiáng)和車(chē)外行人警示聲的合成。Jagla等人5提出了一種改進(jìn)時(shí)域基音同步疊加方法，根據(jù)原始聲音信號(hào)建立聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率來(lái)實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的短時(shí)聲音信號(hào)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)聲音合成，并對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Park6提出一種主動(dòng)發(fā)聲方法，使用此方法搭建的主動(dòng)發(fā)聲系統(tǒng)可以在較少的占用硬件的條件，發(fā)出較為真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音。綜上，本文借鑒國(guó)內(nèi)外聲音合成方法經(jīng)驗(yàn)，制定了主動(dòng)聲音系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程。以傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)車(chē)內(nèi)聲音為基礎(chǔ)進(jìn)行聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)建立。根據(jù)時(shí)域同步疊加方法對(duì)讀取的聲音樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聲音合成。同時(shí)考慮了車(chē)輛行駛過(guò)程中三種工況情況對(duì)主動(dòng)聲音方法的影響，在Matlab下仿真完成方法驗(yàn)證，并與直接疊加方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。驗(yàn)證了該方法的聲音合成效果，因此研究結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1發(fā)動(dòng)機(jī)聲音特性分析與采集本文中研究的目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)為八缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。首先分析傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)聲音特性，搭建車(chē)內(nèi)階次聲音數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音信號(hào)進(jìn)行階次分析與數(shù)據(jù)采集，作為主動(dòng)聲音系統(tǒng)的原始發(fā)動(dòng)機(jī)聲音樣本。1.1階次聲音數(shù)學(xué)模型對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)的一次完整做功有四個(gè)沖程，每個(gè)氣缸經(jīng)歷"吸氣、壓縮、做功、排氣"完成一次做功循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈。1.2原始聲音樣本采集為減小外界環(huán)境噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高實(shí)驗(yàn)的效率和數(shù)據(jù)精度，聲音采集在汽車(chē)整車(chē)半消聲實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。車(chē)輛預(yù)熱完畢后，緩慢踩下加速油門(mén)踏板，通過(guò)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)緩慢變化，同步采集并記錄車(chē)內(nèi)麥克風(fēng)聲音數(shù)據(jù)，整個(gè)加速時(shí)間不少于100s，使得具有較高精度頻率分辨率，保證了各階次聲音諧波成分頻率、幅值、相位信息的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集頻率為32000Hz，量化位數(shù)為16位，將采集好的聲音數(shù)據(jù)以WAV文件格式存儲(chǔ)。圖1為通過(guò)上述步驟采集緩慢加速工況下，車(chē)內(nèi)聲音時(shí)域信號(hào)和時(shí)譜圖。根據(jù)時(shí)域信號(hào)圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間和轉(zhuǎn)速不斷增加，聲音信號(hào)的幅值也在平穩(wěn)緩慢不斷變大。車(chē)內(nèi)聲音的動(dòng)態(tài)變化由隨轉(zhuǎn)速變化而變化的發(fā)動(dòng)機(jī)階次聲音表征。通過(guò)時(shí)譜圖可以清晰的看出，聲音階次成分清晰，存在非常明顯的主階次即4階次聲音成分。不同階次下的能量分布區(qū)別明顯，低頻率階次聲音在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)有明顯貢獻(xiàn)，其中4階次成分對(duì)車(chē)內(nèi)聲音的貢獻(xiàn)量最大，同時(shí)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增加，其他階次成分對(duì)車(chē)內(nèi)聲音的貢獻(xiàn)量也在不斷增大，但是其他各階次聲音成分量級(jí)始終要低于4階次。2主動(dòng)聲音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.1主動(dòng)聲音系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)為了保留原始信號(hào)數(shù)據(jù)的有效信息，保證采樣信號(hào)的重建不失真。設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)聲音系統(tǒng)總體方案流程圖如圖2所示。2.2聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)建立通過(guò)原始聲音信號(hào)階次頻譜特征發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)主階次對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音總量級(jí)的貢獻(xiàn)最大，所以對(duì)采集的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音信號(hào)進(jìn)行主階次標(biāo)記。以主階次準(zhǔn)周期特性為標(biāo)尺，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，且主階次中第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)位置是由負(fù)到正的一個(gè)相位區(qū)間中選取的，利用發(fā)動(dòng)機(jī)聲音信號(hào)具有明顯周期性特點(diǎn)，每隔8n個(gè)過(guò)零點(diǎn)加個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)整個(gè)原始聲音信號(hào)進(jìn)行加窗處理，使得形成的一系列聲音信號(hào)片段具有相同的初始相位，即每個(gè)聲音信號(hào)片段都是從同一氣缸點(diǎn)火開(kāi)始，最后建立原始發(fā)動(dòng)機(jī)聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。依據(jù)上述操作步驟，取n=1，=512。對(duì)照每個(gè)聲音片段所在的轉(zhuǎn)速區(qū)間，為每個(gè)聲音片段添加轉(zhuǎn)速區(qū)間的起始與終止值，建立聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。為方便后續(xù)處理，需要對(duì)每個(gè)聲音片段做進(jìn)一步的完善，因此每個(gè)聲音樣本片段主要包含以下內(nèi)容：（1）聲音片段對(duì)應(yīng)的索引號(hào)；（2）整零點(diǎn)截取的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；（3）聲音合成所需的實(shí)際波形數(shù)據(jù)；（4）聲音片段實(shí)際對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間。2.3時(shí)域同步疊加2.3.1頻率特性分析采用變采樣率方法，根據(jù)目標(biāo)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)主頻頻率的分析調(diào)整8。通過(guò)待合成輸入信號(hào)位置處，相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)中線(xiàn)性插入新的采樣點(diǎn)來(lái)達(dá)到增采樣目的，線(xiàn)性插值方法可以保證重構(gòu)數(shù)據(jù)不失真，也可以通過(guò)每隔幾個(gè)采樣點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn)來(lái)達(dá)到降采樣目的。從頻域角度分析，采樣率增加可以實(shí)現(xiàn)頻譜的壓縮，有頻率降低的作用；采樣率降低可以實(shí)現(xiàn)頻譜的拉伸，有頻率升高的作用9。若將線(xiàn)性插值與抽取相結(jié)合的變速率重采樣原理，則可以實(shí)現(xiàn)任意有理數(shù)倍頻率的變化。2.3.2幅值特性分析相鄰兩個(gè)短時(shí)聲音信號(hào)的疊加區(qū)會(huì)產(chǎn)生幅值的突變出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，引入高頻諧波。為保證疊加后的的聲音信號(hào)幅值不失真，對(duì)重疊區(qū)進(jìn)行變采樣率處理后，在變頻率的同時(shí)也會(huì)改變重疊區(qū)波形的幅值，需要對(duì)重疊區(qū)的信號(hào)幅值做銜接平滑連接處理。3仿真與驗(yàn)證車(chē)輛在道路上的行駛狀況可分為加速、減速以及勻速三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為驗(yàn)證本文中設(shè)計(jì)的時(shí)域同步疊加方法在三種工況下的有效性，基于MATLAB平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的主動(dòng)聲音系統(tǒng)進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，選擇傳統(tǒng)的直接疊加合成方法作為對(duì)比方法。進(jìn)行仿真測(cè)試，勻加速和勻減速工況下得到時(shí)域信號(hào)圖和時(shí)譜圖，仿真結(jié)果如圖3圖4所示。勻速工況下得到時(shí)域信號(hào)圖、頻譜圖和時(shí)譜圖。圖3為勻加速工況下時(shí)域同步疊加方法與直接疊加方法的對(duì)比圖，時(shí)域信號(hào)（a）與時(shí)域信號(hào)（b）的幅值隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本相同，但時(shí)域信號(hào)（b）中的幅值出現(xiàn)較多突變，某些階次成分幅值變化存在一定程度不連續(xù)現(xiàn)象。為進(jìn)一步對(duì)比時(shí)域同步疊加方法與直接疊加方法的合成效果，圖中列出了兩種方法的時(shí)譜圖（a）、（b）。兩種合成方法在勻加速過(guò)程中，主要階次成分構(gòu)成相同，且階次成分清晰，但是直接疊加方法合成的聲音引入了新的高頻階次；而時(shí)域同步疊加方法合成的聲音保留了原始發(fā)動(dòng)機(jī)聲音豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)階次成分，存在明顯的發(fā)動(dòng)機(jī)主階次成分聲音，沒(méi)有明顯增加新的階次成分。圖4和圖5為兩種合成方法在勻減速和勻速工況下合成情況，通過(guò)在時(shí)域信號(hào)圖（a）、（b）的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直接疊加合成的聲音幅值出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但對(duì)其時(shí)譜圖（a）、（b）的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，時(shí)域同步疊加方法比直接疊加方法對(duì)合成聲音的幅值有較好的處理效果，但兩種方法合成聲音的主要階次成分和主要能量區(qū)域區(qū)別微?。粍蛩俟r下的聲音為頻率不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)信號(hào)，傅里葉變換得到的頻譜圖（a）、（b），可以發(fā)現(xiàn)兩種方法的頻率成分與各頻率成分幅值基本相同。4結(jié)論本文提出了一種基于時(shí)域同步疊加方法的主動(dòng)聲音系統(tǒng)，它基于發(fā)動(dòng)機(jī)聲音主階次準(zhǔn)周期特性對(duì)原始發(fā)動(dòng)機(jī)聲音信號(hào)進(jìn)行分解并建立聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用時(shí)域同步疊加固定方法對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行合成。最后在MATLAB仿真平臺(tái)下仿真驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)的直接疊加合成方法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論。（1）基于主階次準(zhǔn)周期特性建立的聲音樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)時(shí)域同步疊加方法與直接疊加方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音的合成。（2）仿真實(shí)驗(yàn)表明，時(shí)域同步疊加方法較直接疊加方法合成的聲音質(zhì)量更高，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)階次聲音的合成精度要求，所以主動(dòng)聲音系統(tǒng)可用于電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)主動(dòng)聲音的合成。