汽车引擎声合成（主动声浪）综述-Toy模板网

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随着当今汽车行业“五大趋势”，即“轻量化、电气化、智能化、网络化、共享”，汽车发动机气缸的数量不断减少，甚至传统的内燃机直接被电动机取代。因此，通过优化包括进气和排气系统在内的机械系统，开发品牌特有的发动机声音更加困难。为了保持发动机声音的独特性，使用主动发声控制设计汽车引擎声是最有效的方法之一。主动发声控制是一项复杂的跨学科技术，涉及汽车声学、电子声学、音乐声学、声音信号处理等不同学科的知识。
目前，主动发声控制的方法可以分为两大类：基于样本的方法和基于程序的方法。
基于样本的方法需要对真实汽车的引擎声样本进行录制、处理、合成和重放。这类方法需要采集汽车在不同工况（例如不同发动机转数（RPM）、油门负载和档位）下的引擎声样本。在合成引擎声时，首先取出当前汽车的工况所对应的样本，再进行适当的调音处理，最后使用重叠相加法 (Overlap-and-add) 进行拼接。这种方法主要用于赛车游戏[1]和一些先进的高保真驾驶模拟器[2]。这类方法实现起来相对简单，需要进行参数调试以降低谐波不连续带来的伪影，达到最优的听觉效果，文献[3]中提出了一种谐波同步的重叠相加法，可以显著降低声音的不自然度，图1展示了该方法的实现过程。基于样本的方法由于对真实汽车进行声音录制，可以模拟特定车型的引擎声，因此可以模拟出超级跑车的引擎声。然而，这类方法需要大量的汽车声音样本，而且声音设计受到真实汽车样本音色的限制。
汽车引擎声合成（主动声浪）综述

图1 谐波同步的重叠相加法示意图

基于程序的合成方法将研究重心放在了引擎声的发声机理上。这类方法模拟了引擎声从发动机产生，再经过气缸及排气系统的整个物理过程。其中，用正弦波模拟激励源信号，用各类滤波器模拟气缸及排气系统。这类方法对真实汽车的引擎声进行时频分析以获取发动机声音的工作状态和谐波特性用以指导滤波器参数的设置。基于程序的合成方法较为复杂，需要对汽车引擎声的发声机理有深入的理解。这类方法的优势在于不需要大量的实录汽车声音样本，并且在音色的设计上更加灵活。文献[4]中对四冲程发动机的点火和活塞运动的物理过程进行了建模，作为引擎声的声源。接着，使用两条增益可调的延时器组成的数字波导模拟排气系统的共振过程。图2展示了一个基于程序的引擎声合成方法示意图。
汽车引擎声合成（主动声浪）综述

图2 基于程序的引擎声合成方法示意图

在合成出想要的引擎声音色之后，需要根据不同的工况实时改变引擎声的参数。具体表现在根据不同的车速控制引擎声的频率，根据不同的油门负载控制引擎声的声压级大小。文献[5]中为了模拟动态驾驶过程中的场景，计算了一个与传统发动机转速相对应的虚拟发动机转速，建立了车速与虚拟发动机转速之间的关系。 $RPM_V=43.75\times V+750$
公式中车速的限制为0-120公里/时。主要出于以下两点考虑（1）在车速超过120公里/时的情况下，风声将成为车内声音的主导因素。（2）大部分情况下车速都小于120公里/时。
为了模拟出加速的感觉，需要根据油门负载控制引擎声的声压级大小，即油门负载越大，引擎声的声压级也应该响应增大。文献。。中的声压级的增益系数被设计为8.5 dB（A）/100%。在实际工程应用中，增益系数和虚拟发动机转速的公式系数需要根据不同的车型进行微调，以达到最理想的听觉效果。
合成出汽车引擎之后，需要使用车内扬声器系统进行重放。由于汽车引擎声存在大量的低频成分，因此对扬声器系统的低频响应要求非常高。文献[5]中介绍了一个整车引擎声合成系统的实例，研究发现车内扬声器系统的频率响应特性在引擎声合成系统中起着重要作用。因此，需要对车内扬声器系统进行设计，使得在听众的双耳位置处获得平坦和稳定的频响曲线。此外，一些扬声器均衡以及空间均衡的数字信号处理算法也可以用于补偿车内扬声器系统带来的失真。具体的均衡算法将在以后的文章进行介绍。
评价引擎声的心理声学指标有响度(loudness)、锐度(sharpness)、粗糙程度(roughness)。当然，最后必不可少的是进行主观测听并且反复进行参数调试，达到最佳的听觉效果。通过上面的介绍，希望大家能够早日“调教”出自己喜欢的引擎声。

关键词：

汽车引擎声合成、主动发声控制

参考文献：

[1] COLLINS K. Game sound: an introduction to the history, theory, and practice of video game music and sound design[M]. Mit Press, 2008.
[2] HEITBRINK D A, CABLE S. Design of a driving simulation sound engine[C]//Driving Simulation Conference, North America 2007 (DSC-NA 2007) Ford Motor CompanyNational Highway Traffic Safety AdministrationUniversity of Iowa, Iowa CityTransportation Research Board. 2007.
[3] JAGLA J, MAILLARD J, MARTIN N. Sample-based engine noise synthesis using an enhanced pitch-synchronous overlap-and-add method[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 132(5): 3098-3108.
[4] BALDAN S, LACHAMBRE H, DELLE MONACHE S, 等. Physically informed car engine sound synthesis for virtual and augmented environments[C]//2015 IEEE 2nd VR Workshop on Sonic Interactions for Virtual Environments (SIVE). IEEE, 2015: 1-6.
[5] CAO Y, HOU H, LIU Y, 等. Engine Order Sound Simulation by Active Sound Generation for Electric Vehicles[J]. SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability, and NVH, 2020, 4(10-04-02-0011): 151-164.文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-414087.html

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