日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

電動汽車車內(nèi)主動聲音系統(tǒng)研究

2020-11-16 21:40:56·  來源：AUTO行家  
　
摘要針對電動汽車在行駛過程中，車內(nèi)聲壓級較低而引起的駕駛體驗感降低和駕駛疲勞問題，文章提出了一種車內(nèi)主動聲音系統(tǒng)。首先，根據(jù)發(fā)動機聲音特定的諧波結(jié)構(gòu)和
摘要
針對電動汽車在行駛過程中，車內(nèi)聲壓級較低而引起的駕駛體驗感降低和駕駛疲勞問題，文章提出了一種車內(nèi)主動聲音系統(tǒng)。首先，根據(jù)發(fā)動機聲音特定的諧波結(jié)構(gòu)和主階次準周期特性，對原始聲音信號進行分解，并搭建聲音樣本數(shù)據(jù)庫。隨后，根據(jù)油門踏板開度信號對數(shù)據(jù)庫中的聲音樣本實時讀取，同時利用時域同步疊加方法對讀取的聲音樣本進行合成。最后，在Matlab 仿真平臺對本文的時域同步疊加方法進行仿真，并與傳統(tǒng)直接疊加方法進行對比。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：電動汽車；發(fā)動機聲音；聲音合成；主動聲音；時域同步疊加
 
作者：張賢1，史晨路2，鄭明軍1，蘇新2
單位：1.石家莊鐵道大學 2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司
來源：汽車實用技術(shù)
 
隨著電動汽車的快速發(fā)展及日益普及，人們對于車內(nèi)聲音提出了更高的要求。與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車在行駛過程中車內(nèi)有著較低聲壓級的聲場環(huán)境，往往會增加駕駛員對于車內(nèi)聲場舒適性的感知程度，導致駕駛體驗感降低，由于車內(nèi)過于安靜還可以造成的駕駛疲勞，所以在電動汽車上安裝主動式聲浪系統(tǒng)對駕駛?cè)说鸟{駛樂趣、提高安全性、交互式體驗方面尤為重要[1]。針對傳統(tǒng)發(fā)動機聲音合成技術(shù)，國內(nèi)外許多專家、學者進行了廣泛的研究。Amman 和Das [2]提出了一種基于確定性信號和隨機信號分解原理的發(fā)動機聲音合成方法，根據(jù)追蹤發(fā)動機轉(zhuǎn)速的離散傅里葉變換和次優(yōu)多脈沖激勵方法來產(chǎn)生逼真的發(fā)動機聲音。Van Rensburg等人[3]提出了相位編碼器的發(fā)動機聲音合成方法，先將時域聲音信號變換到頻域進行處理，再反變換到頻域，這種方法最大特點是以犧牲算法實時性來使其失真度最小，但是很難應用到實時性高的領域中。Pascal[4]設計了電子激振器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過算法合成一定頻率寬度的噪聲帶及發(fā)動機階次聲音，可用于發(fā)動機聲音階次的增強和車外行人警示聲的合成。Jagla等人[5]提出了一種改進時域基音同步疊加方法，根據(jù)原始聲音信號建立聲音樣本數(shù)據(jù)庫，通過識別發(fā)動機激勵頻率來實時讀取數(shù)據(jù)庫中的短時聲音信號進行發(fā)動機聲音合成，并對該方法進行了實驗驗證。Park[6]提出一種主動發(fā)聲方法，使用此方法搭建的主動發(fā)聲系統(tǒng)可以在較少的占用硬件的條件，發(fā)出較為真實的發(fā)動機聲音。
綜上，本文借鑒國內(nèi)外聲音合成方法經(jīng)驗，制定了主動聲音系統(tǒng)的實現(xiàn)流程。以傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車車內(nèi)聲音為基礎進行聲音樣本數(shù)據(jù)庫建立。根據(jù)時域同步疊加方法對讀取的聲音樣本數(shù)據(jù)進行聲音合成。同時考慮了車輛行駛過程中三種工況情況對主動聲音方法的影響，在Matlab 下仿真完成方法驗證，并與直接疊加方法結(jié)果進行對比。驗證了該方法的聲音合成效果，因此研究結(jié)果對于實際工程應用具有一定的現(xiàn)實意義。
1
發(fā)動機聲音特性分析與采集
本文中研究的目標發(fā)動機為八缸四沖程汽油發(fā)動機。首先分析傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車聲音特性，搭建車內(nèi)階次聲音數(shù)學模型，然后對發(fā)動機聲音信號進行階次分析與數(shù)據(jù)采集，作為主動聲音系統(tǒng)的原始發(fā)動機聲音樣本。
1.1 階次聲音數(shù)學模型
對于傳統(tǒng)發(fā)動機來說，發(fā)動機的一次完整做功有四個沖程，每個氣缸經(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，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為ne時，對應的發(fā)動機聲音的基頻f1為：
 
發(fā)動機點火頻率fe為：
 
式中：ne為發(fā)動機每分鐘轉(zhuǎn)速，Nc為發(fā)動機氣缸數(shù)量。發(fā)動機聲音是由發(fā)動機艙內(nèi)多個聲源產(chǎn)生的相當復雜的信號，可將汽車發(fā)動機聲音分為確定性信號的階次聲音以及隨機信號的發(fā)動機寬頻帶聲音[7]。在時域范圍內(nèi)，發(fā)動機階次聲音在連續(xù)時間信號xk(t)的表達式為：
 
式中：Ak(t)和φk(t)為諧波幅值和初相位，ωk(n)為隨機信號成分。
1.2 原始聲音樣本采集
為減小外界環(huán)境噪聲對實驗結(jié)果的影響，提高實驗的效率和數(shù)據(jù)精度，聲音采集在汽車整車半消聲實驗室中進行。車輛預熱完畢后，緩慢踩下加速油門踏板，通過在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)緩慢變化，同步采集并記錄車內(nèi)麥克風聲音數(shù)據(jù)，整個加速時間不少于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。
 
圖1 原始聲音時域信號和時譜圖
圖1 為通過上述步驟采集緩慢加速工況下，車內(nèi)聲音時域信號和時譜圖。根據(jù)時域信號圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間和轉(zhuǎn)速不斷增加，聲音信號的幅值也在平穩(wěn)緩慢不斷變大。車內(nèi)聲音的動態(tài)變化由隨轉(zhuǎn)速變化而變化的發(fā)動機階次聲音表征。通過時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)動機整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)有明顯貢獻，其中4 階次成分對車內(nèi)聲音的貢獻量最大，同時隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的不斷增加，其他階次成分對車內(nèi)聲音的貢獻量也在不斷增大，但是其他各階次聲音成分量級始終要低于4階次。
2
主動聲音系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 主動聲音系統(tǒng)總體方案設計
為了保留原始信號數(shù)據(jù)的有效信息，保證采樣信號的重、建不失真。設計發(fā)動機主動聲音系統(tǒng)總體方案流程圖如圖2所示。
 
圖2 主動聲音系統(tǒng)總體方案流程圖
2.2 聲音樣本數(shù)據(jù)庫建立
通過原始聲音信號階次頻譜特征發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機主階次對發(fā)動機聲音總量級的貢獻最大，所以對采集的發(fā)動機聲音信號進行主階次標記。以主階次準周期特性為標尺，統(tǒng)計每一個過零點，且主階次中第一個過零點位置是由負到正的一個相位區(qū)間中選取的，利用發(fā)動機聲音信號具有明顯周期性特點，每隔8n 個過零點加Δ個采樣點對整個原始聲音信號進行加窗處理，使得形成的一系列聲音信號片段具有相同的初始相位，即每個聲音信號片段都是從同一氣缸點火開始，最后建立原始發(fā)動機聲音樣本數(shù)據(jù)庫。
依據(jù)上述操作步驟，取n=1，Δ=512。對照每個聲音片段所在的轉(zhuǎn)速區(qū)間，為每個聲音片段添加轉(zhuǎn)速區(qū)間的起始與終止值，建立聲音樣本數(shù)據(jù)庫。為方便后續(xù)處理，需要對每個聲音片段做進一步的完善，因此每個聲音樣本片段主要包含以下內(nèi)容：
（1）聲音片段對應的索引號；
（2）整零點截取的采樣點個數(shù)；
（3）聲音合成所需的實際波形數(shù)據(jù)；
（4）聲音片段實際對應的轉(zhuǎn)速區(qū)間。
2.3.1 頻率特性分析
采用變采樣率方法，根據(jù)目標特性實現(xiàn)對主頻頻率的分析調(diào)整[8]。通過待合成輸入信號Δ位置處，相鄰兩個采樣點中線性插入新的采樣點來達到增采樣目的，線性插值方法可以保證重構(gòu)數(shù)據(jù)不失真，也可以通過每隔幾個采樣點抽取一個點來達到降采樣目的。從頻域角度分析，采樣率增加可以實現(xiàn)頻譜的壓縮，有頻率降低的作用；采樣率降低可以實現(xiàn)頻譜的拉伸，有頻率升高的作用[9]。若將線性插值與抽取相結(jié)合的變速率重采樣原理，則可以實現(xiàn)任意有理數(shù)倍頻率的變化。
假設起始頻率為f0，變化后頻率為f1，頻率變化因子為a，則
 
其中M 和L 為頻率變化前后變周期幀個數(shù)。要實現(xiàn)任意有理數(shù)倍頻率的變化，采用以下公式：
 
式中，N 為幀長，[]表示取整運算，mod 表示取模運算。當M>L 時，頻率增大；當M
2.3.2 幅值特性分析
相鄰兩個短時聲音信號的疊加區(qū)會產(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幅值不失真，對重疊區(qū)進行變采樣率處理后，在變頻率的同時也會改變重疊區(qū)波形的幅值，需要對重疊區(qū)的信號幅值做銜接平滑連接處理。設疊加時輸出序列用y(n)表示，所用的窗用p 表示，那么：
 
式中，y1(n)為前一個短時信號中后Δ'個采樣點，y2(n)為后一個短時信號中的前Δ'個采樣點，Δ'為平滑長度。
3
仿真與驗證
車輛在道路上的行駛狀況可分為加速、減速以及勻速三種運動狀態(tài)，為驗證本文中設計的時域同步疊加方法在三種工況下的有效性，基于MATLAB 平臺對所設計的主動聲音系統(tǒng)進行了編程實現(xiàn)，選擇傳統(tǒng)的直接疊加合成方法作為對比方法。進行仿真測試，勻加速和勻減速工況下得到時域信號圖和時譜圖，仿真結(jié)果如圖3～圖4 所示。勻速工況下得到時域信號圖、頻譜圖和時譜圖，仿真結(jié)果如圖5 所示。
 
圖3 勻加速工況下時域同步疊加與直接疊加方法對比
圖3 為勻加速工況下時域同步疊加方法與直接疊加方法的對比圖，時域信號（a）與時域信號（b）的幅值隨時間變化趨勢基本相同，但時域信號（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。為進一步對比時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譜圖（a）、（b）。兩種合成方法在勻加速過程中，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；而時域同步疊加方法合成的聲音保留了原始發(fā)動機聲音豐富的發(fā)動機階次成分，存在明顯的發(fā)動機主階次成分聲音，沒有明顯增加新的階次成分。
 
圖4 勻減速工況下時域同步疊加與直接疊加方法對比
 
圖5 勻速工況下時域同步疊加與直接疊加方法對比
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，通過在時域信號圖（a）、（b）的對比發(fā)現(xiàn)，直接疊加 合成的聲音幅值出現(xiàn)較大的波動，但對其時譜圖（a）、（b） 的對比分析發(fā)現(xiàn)，時域同步疊加方法比直接疊加方法對合成 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 率不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)信號，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域同步疊加方法的主動聲音系統(tǒng)，它基于發(fā)動機聲音主階次準周期特性對原始發(fā)動機聲音信號進行分解并建立聲音樣本數(shù)據(jù)庫，再利用時域同步疊加固定方法對聲音信號進行合成。最后在MATLAB 仿真平臺下仿真驗證，并與傳統(tǒng)的直接疊加合成方法的仿真結(jié)果進行對比，得出如下結(jié)論。
（1）基于主階次準周期特性建立的聲音樣本數(shù)據(jù)庫，通過時域同步疊加方法與直接疊加方法均能實現(xiàn)對發(fā)動機聲音的合成。
（2）仿真實驗表明，時域同步疊加方法較直接疊加方法合成的聲音質(zhì)量更高，滿足發(fā)動機階次聲音的合成精度要求，所以主動聲音系統(tǒng)可用于電動汽車車內(nèi)主動聲音的合成。

參考文獻
[1] Sarrazin M, Janssens K, Van der Auweraer H. Virtual Car SoundSynthesis Technique for Brand Sound Design of Hybrid and Electric Vehicles[J]. SAE Technical Paper 2012-36-0614, 2012.
[2] Amman S A, Das M. An efficient technique for modeling and synthesis of automotive engine sounds[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001, 48(1): 225-234.
[3] Van Rensburg T J, Van Wyk M A, Potgieter A T, et al. Phase Vocoder Technology for the Simulation of Engine Sound[J]. International Journal of Modern Physics C, 2006, 17(05): 721-731.
[4] Pascal A. Active Sound Design[J]. SAE Technical Paper 2011-01-0927, 2011.
[5] Jagla J, Maillard J, Martin N, et al. Sample-based engine noise synthesis using an enhanced pitch-synchronous overlap-and-add method[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 132(5): 3098-3108.
[6] Park H W, Bae M J. Virtual engine sound synthesis of eco-friendly vehicle[J]. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2018,13(2):513-517.
[7] Min D, Park B, Park J, et al. Artificial Engine Sound Synthesis Method for Modification of the Acoustic Characteristics of Electric Vehicles[J]. Shock and Vibration, 2018:1-8.
[8] 田海津.一種改進的實時變調(diào)算法實現(xiàn)[J].電聲技術(shù),2009,33(09):73-76.
[9] 王艷芬,王剛,張曉光,等.數(shù)字信號處理原理及實現(xiàn)[M].北京:清華大學出版社,2007:102-107.
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25