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如何對電動汽車進(jìn)行音效設(shè)計

2020-10-09 10:43:20·  來源：汽車NVH充電寶  
　
關(guān)鍵詞：電動汽車、聲音設(shè)計、音效、合成、算法、多場景在汽車新四化（電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化）的發(fā)展驅(qū)動下，電動車技術(shù)發(fā)展越來越成熟。就以電動車的
 
關(guān)鍵詞：電動汽車、聲音設(shè)計、音效、合成、算法、多場景
 
在汽車“新四化”（電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化）的發(fā)展驅(qū)動下，電動車技術(shù)發(fā)展越來越成熟。就以電動車的NVH控制來說，開始了從被動降噪到主動聲音設(shè)計的躍遷，因為聲音不僅能給用戶情感和信息上的傳遞，更能塑造品牌價值。所以國際知名汽車公司都已經(jīng)開始了這方面的研究和應(yīng)用。
 
比如寶馬汽車聘請著名的作曲家漢斯季默（Hans Zimmer）來為全新電動汽車BMW i4 打造頂級音效，Hans曾為電影《敦刻爾克》、《星際穿越》和《黑暗騎士蝙蝠俠》等影片中擔(dān)任音效設(shè)計師；大眾則請了作曲家萊斯利·曼多奇（ Leslie Mándoki,）為MEB平臺下的電動車ID.3 設(shè)計音效；日產(chǎn)Leaf 的提示音由首席音樂制作人兼創(chuàng)意總監(jiān)丹尼·范尼（Danni Venne）設(shè)計。林肯則更加豪氣，直接請底特律交響樂團(tuán)為豪華車型飛行家（AVIATOR）進(jìn)行提示音和音效的設(shè)計。
 
有句話叫“你和中年危機(jī)之間，就差一個泡著枸杞的保溫杯“。借鑒上面這句話“中年危機(jī)和你我之間，就差一個從被動到主動的距離“。中年不止是油膩的，也有危機(jī)的。面對未來的電動車普及趨勢，搞發(fā)動機(jī)的是最早進(jìn)入行業(yè)焦慮的一撥人，沒想到搞NVH得也來的這么快。不懂點(diǎn)音樂，以后都不好意思說自己是NVH工程師，飯碗都快被玩音樂的搶走了。
 
言歸正傳，以上幾個知名的品牌不惜重金打造電動車主動音效設(shè)計，可以窺探出未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，EV車的NVH控制驅(qū)使被動降噪到主動發(fā)聲的更高層級的方向發(fā)展，職業(yè)定位從noise engineer 到 sound design的轉(zhuǎn)變。關(guān)于這兩個職業(yè)的區(qū)別出門右拐可以查閱下前同事王博士公眾號里面的解釋。
 
下面就從4個方面來談一談如何設(shè)計電動車的音效
  • 電動車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的噪聲特征的對比
  • 電動車合成音效設(shè)計的必要性
  • 電動車的音效目標(biāo)的設(shè)定
  • 分層級的程序結(jié)構(gòu)化算法設(shè)計
1、電動車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的噪聲特征的對比
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的有明顯的階次特征，主要分布在以發(fā)動機(jī)缸體次序點(diǎn)火為主的中低頻段，電動汽車電驅(qū)動組件的噪聲主要是電動機(jī)的電磁力矩和減速器的齒輪嚙合所產(chǎn)生的高頻嘯叫聲，同時也包含DC / AC脈調(diào)制產(chǎn)生的高頻傘狀噪聲。盡管這些高頻噪聲的輻射聲功率遠(yuǎn)小于內(nèi)燃機(jī)的輻射聲功率，但是電動機(jī)和減速器的高頻噪聲在主觀上更讓人煩躁。
 
2、電動車合成音效設(shè)計的必要性
電動車最大的問題就是難以給用戶情感上的駕駛反饋，就比如說有這樣的一個場景，當(dāng)你駕駛汽車在道路上平穩(wěn)行駛，當(dāng)你要變道時，從后方傳入逐漸靠近的轟鳴聲，你趕緊看下后視鏡，原來是一輛蘭博基尼閃電一般從你后方刷刷而過，你趕緊握緊方向盤繼續(xù)向前行駛，這就是聲音給人的反饋作用控制你的大腦，但是如果是一輛純電動跑車，假如沒有加入合成的音效，那么有可能就是一起交通事故。再比如，發(fā)動機(jī)加速時的轟鳴音自汽車發(fā)明以來就深深植入人們的腦海里，有的四缸機(jī)汽車還特意制造V6或者V8的聲浪來增強(qiáng)駕駛動力感。對于電動汽車而言，安靜的加速感是否被用戶所接受？
 
文獻(xiàn)2專門對電動車是否有必要進(jìn)行了抽樣調(diào)查，共計37個人，67%的人對電動車的合成音效持有積極的態(tài)度，有57% 的人不支持設(shè)置合成音效的開關(guān)。有一點(diǎn)大家基本都認(rèn)可的就是“加量加不價”，不愿意為這種合成的音效買單。
 
文中利用駕駛模擬器，對30個被調(diào)查者進(jìn)行測試和評價，調(diào)查者使用駕駛模擬器，分別在城市工況、鄉(xiāng)村道路和高速道路上行駛10分鐘，然后對四種音效進(jìn)行了對比，P/R noise利用音頻處理將電動總成的噪聲過濾掉，只剩下純風(fēng)噪和輪胎噪聲.genunie noise 是原始的電動車噪聲。前者足夠安靜，雖然沒有給駕駛者動力總成的反饋，但是依然給用戶以愉悅感，令人意外的是后者竟然給用戶一種合成音效的錯覺，認(rèn)為這個聲音是虛假人造的，所以得分很低。另外兩個聲音是合成的，Design1 是基于正弦波合成的中低頻諧波聲音，Design2是利用采用方法合成的更加復(fù)雜的擴(kuò)散聲場。前者用戶認(rèn)為跟內(nèi)燃機(jī)的聲音很相似，能夠給以反饋。后者由于把電動總成和駕駛預(yù)期的情感連接被打破，所以相比前者得分要低。
 
3、電動車的音效目標(biāo)的設(shè)定
根據(jù)上部分的介紹，大部分用戶還是對電動車的合成音效持有積極樂觀的態(tài)度，對于較為安靜的電動車，人們對它的聲音還未有一個統(tǒng)一的認(rèn)知，這就給聲音設(shè)計師很大的發(fā)揮空間，如何設(shè)計一個滿足不同客戶群體期望的音效，目標(biāo)設(shè)定至關(guān)重要。
 
主觀上的采用語義細(xì)分法描述人們期望理想聲音的特征。比如和諧的、安靜的、動力的、輕快的、柔和的。
 
雖然主觀上對未來電動車的聲音的設(shè)計有很大的發(fā)揮空間，但是也有一些基本的邊界。
  •  內(nèi)燃機(jī)特征：聲音基于轉(zhuǎn)速產(chǎn)生諧波，低頻特性；聲音響度、聲強(qiáng)和調(diào)制基于負(fù)載的變化而變化。
  • 車內(nèi)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)：聲音的智能策略、與駕駛者的交互設(shè)計、不令人煩躁
  • 客戶期望：安靜、高品質(zhì)、運(yùn)動感、簡單純凈
  • 未來科幻感：靈感元素來自于自然、電影、音樂；聲音要有真實感，能夠體現(xiàn)品牌價值
 
4、分層級的程序結(jié)構(gòu)化算法設(shè)計
在如何打造汽車NVH精品中，我們談到了汽車的NVH精品化需要多場景設(shè)計，駕駛者獲得動力總成反饋不單是考慮單一駕駛場景，與整車的狀況是一個實時動態(tài)的交互過程。各種起步、加速、減速、巡航、Tip in/out，還有多種路況，城市、鄉(xiāng)村、高速。
 
為了這種復(fù)雜工況的算法實現(xiàn)，文獻(xiàn)2采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計分為聲音特征、聲音動力學(xué)和聲音策略三個層次分別對應(yīng)聲音聲音部件、聲音子系統(tǒng)和整體音效。
 
聲音特征面向的是類似單個樂器的聲音部件，每個組塊跟隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速有一個基本的頻率輸入；通過謝潑德音調(diào)（Shepard tone）和音效疊加效果（doubling effect）來實現(xiàn)幅值校正。關(guān)于謝潑德音調(diào)可以聽一下鏈接Shepard tone 感受下。低沉的聲音獲得動力感、中頻的聲音獲得運(yùn)動感、高頻的聲音獲得輕快感和情感反饋。每個聲音部件通過音色或用過的案例進(jìn)行分類。
 
聲音動力學(xué)面向聲音子系統(tǒng)，根據(jù)用戶駕駛工況，基于動力傳遞的參數(shù)圖，類似傳統(tǒng)汽車的換擋map圖對每個聲音部件進(jìn)行混合，實現(xiàn)聲音的動力學(xué)設(shè)計。
 
聲音策略面向的是車內(nèi)的整體音效，這一層原文稱為Masterleve，可以叫大師級。通過調(diào)整音亮和傳遞函數(shù)實現(xiàn)座艙的整體效果，可能還會加入混合音效。
 
采用這種合成算法替換原有的采用算法基于以下理由：
  • 電動車沒有了齒輪箱，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍很寬，會產(chǎn)生頻率很寬的噪聲。這么高的音調(diào)，采樣算法在回放的時候會失真。
  • 信噪比高，而且和基礎(chǔ)采用頻率不關(guān)聯(lián)。
  • 座艙的整體感受很容易通過組塊進(jìn)行建模單獨(dú)修改。
  • 相比于采樣算法，抗干擾性強(qiáng)。
  • 具有很高的靈活性，可以調(diào)整每個聲音分量來適應(yīng)不同的駕駛條件，提高聲音的真實感。
  • 算法中對單個聲音組塊進(jìn)行重新建模經(jīng)常發(fā)生 ，能夠識別對音效重要但是對整體作用不大的聲音組塊，減少這些聲音的工程化工作量。
通過一些基本的聲音組塊可以合成一些復(fù)雜的音效出來，用于加法合成的基礎(chǔ)模塊包含隨機(jī)，方波，鋸齒，三角形，正弦等信號。用于減法合成的基礎(chǔ)模塊包含濾波器、幅值、頻率和脈沖調(diào)制等。算法最大的優(yōu)勢就是利用技術(shù)信號能夠連接電動總成和駕駛者，形成二者的互動。而且能夠保持聲音的真實感。
 
總結(jié)
1、電動車的NVH控制，開始從被動降噪到主動聲音設(shè)計的躍遷，因為聲音不僅能給用戶情感和信息上的傳遞，更能塑造品牌價值。
2、電動汽車噪聲控制最大的問題就是難以給駕駛者情感上的反饋，不形成連接，所以難以創(chuàng)造價值。
3、更多的用戶傾向于電動車制造一些聲音，獲得信息和情感反饋。
4、基于多層級結(jié)構(gòu)化的算法設(shè)計，能夠使聲音不失真，在多場景的運(yùn)行工況下給駕駛者實時動態(tài)反饋。
 
參考文獻(xiàn)：
【1】https://www.daimler.com/magazine/technology-innovation/mercedes-sound-electric-car-warning.html#anchor_1139445
【2】Erkenntnisse zur strukturierten Zielgeräuschgestaltung von Elektrofahrzeugen by T. Küppers
【3】公眾號《精進(jìn)學(xué)思行》
【4】https://en.wikipedia.org/wiki/Shepard_tone
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