0 引言

    隨著國內(nèi)汽車市場的快速穩(wěn)定增長和電聲學(xué)的不斷發(fā)展，消費者對車內(nèi)音頻系統(tǒng)的音質(zhì)要求越來越高，不斷追求更優(yōu)質(zhì)的收聽效果。目前，高水平的音效已成為評價轎車舒適性的重要依據(jù)之一。

    車內(nèi)噪聲來源主要有發(fā)動機噪聲、空調(diào)噪聲、輪胎噪聲、空氣噪聲、外境傳入噪音和車身結(jié)構(gòu)噪聲等。目前，雖然已有靜音、減震、吸音、反音和密封等隔音措施，但仍然無法徹底隔離所有車內(nèi)噪聲，車速變化和空調(diào)風(fēng)速變化時，噪聲增益變化較大。而且，車輛使用過程中，傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)沒有對車內(nèi)噪聲進行有效的自動增益補償，嚴重影響了車內(nèi)人員的收聽效果，尤其在播放音量較小，而車速較快和空調(diào)風(fēng)速較大的極端情況下。

    本文針對該缺陷設(shè)計自動增益補償，首先提取影響車內(nèi)收聽的關(guān)鍵因數(shù)（行駛速度、空調(diào)風(fēng)速、播放音量等），按照對收聽效果的影響程度，動態(tài)調(diào)整音量增益和響度補償曲線，減少車內(nèi)噪聲對高音質(zhì)享受的影響，滿足車內(nèi)收聽頻響特性。

1 車內(nèi)聲音測試分析^[1]

    為了得到行駛速度、空調(diào)風(fēng)速、播放音量等關(guān)鍵因素對車內(nèi)收聽效果的影響，現(xiàn)對某款轎車車內(nèi)的聲音進行測試取樣。

1.1 行駛速度對車內(nèi)聲音的影響

    選取實際常見路況，分別在怠速泊車、市內(nèi)路段、一般路段、高速路段等行駛車速情形下，保持勻速行駛，測得車內(nèi)主駕、副駕、后排位置噪聲隨車速變化情況，如表1所示。隨著車速的不斷增加，車內(nèi)噪聲明顯加大，對車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性的影響也更嚴重。

1.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對車內(nèi)聲音的影響

    空調(diào)風(fēng)速一般有高中低三檔，保持其中一檔，發(fā)動機怠速泊車下測得車內(nèi)噪聲隨空調(diào)風(fēng)速的變化情況，如表2所示。隨著空調(diào)風(fēng)速的不斷提高，車內(nèi)噪聲也明顯加大，嚴重了影響車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性。

1.3 播放音量對車內(nèi)聲音的影響

    車內(nèi)多媒體音頻系統(tǒng)具有音量調(diào)節(jié)功能，常見的有63步進音量細調(diào)曲線，其中最大音量作為0 dB參考點(1 kHz，0 dBFS輸入，4 Ω負載，20 W輸出)。如圖1所示。隨著音量的不斷增加，對車內(nèi)噪聲的掩蓋程度不斷加強，人耳對聲音的響度要求下降，車內(nèi)噪聲的影響程度也明顯下降，有助于改善車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性。

1.4 車內(nèi)主要噪聲頻率特性

    為確定車內(nèi)噪聲的頻率特性，分別對30~60 km/h車速和空調(diào)中檔風(fēng)速（發(fā)動機怠速）時，選取主駕位置所錄取的噪聲進行頻譜分析，如圖2和圖3所示。通過頻譜發(fā)現(xiàn)，車速和空調(diào)風(fēng)速產(chǎn)生的噪聲特性呈窄頻帶、多頻點、低頻率分布，尖峰點分別在60 Hz、250 Hz、500 Hz和600 Hz。由于低頻噪聲對人體的危害更大，必須對以低頻噪聲為主的車內(nèi)噪聲進行有效的處理^[2]。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

    車載音頻系統(tǒng)的自動增益補償框圖主要由車身信息所屬區(qū)域分類和響度補償兩大部分組成，在音頻DSP中并行處理，控制音效補償程度的選擇，如圖4所示。車身信息所屬區(qū)域分類模塊中，通過車身CAN總線實時監(jiān)測車身信息，獲取音量、車速、空調(diào)風(fēng)速等影響車內(nèi)收聽效果的關(guān)鍵因子，分類歸入到模型所設(shè)置的某一區(qū)域范圍，基于所歸入的區(qū)域范圍自動選擇增益補償程度。響度補償模塊中，根據(jù)車內(nèi)多媒體播放音量大小，滿足人耳對車內(nèi)收聽的頻率響應(yīng)特性，自動選擇高低音增益補償程度。最終，通過這兩模塊所決定的增益補償程度，與原多媒體音頻信號一起進行聲音重構(gòu)，輸出音效增強后的新聲音。

2.1 車身信息所屬區(qū)域分類

    通過車身CAN總線可以方便地獲取娛樂系統(tǒng)（播放音量步進數(shù)）、儀表盤（行駛速度）、空調(diào)（空調(diào)風(fēng)速檔位）等車內(nèi)電子控制單元的相關(guān)信息。首先，不斷讀取車身信息值，如果無法確認有效，則放棄調(diào)整DSP參數(shù)，保持原狀態(tài)不變；然后對有效信息所屬的區(qū)域范圍進行分類，并標記記錄當(dāng)前所屬狀態(tài)；再根據(jù)確定的區(qū)域范圍計算增益補償程度，如果補償后的總增益超過系統(tǒng)最大增益，則限定為系統(tǒng)最大增益，隨后轉(zhuǎn)換為音頻DSP參數(shù)并寫入相應(yīng)的寄存器中；最終輸出重建后的多媒體聲音，實現(xiàn)增益補償增強后的聽覺效果。詳細流程圖如圖5所示。

    區(qū)域范圍分類基于實際測得的不同狀態(tài)下的車內(nèi)聲音頻譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)各個影響因子（播放音量、行駛速度、空調(diào)風(fēng)速）之間近乎相互獨立，并且增益在各區(qū)域范圍內(nèi)準線性變化，故定義增益補償表達式如下：

其中，G_c(Gain Compensation)為補償增益(dB)，VCF(Volume Compensation Factor)為音量補償因子，SCF(Speed Compensation Factor)為速度補償因子，F(xiàn)CF(Fan Compensation Factor)為空調(diào)風(fēng)速補償因子，RCF(Reserved Compensation Factor)為預(yù)留影響因子或偏差因子。

    VCF、SCF、FCF的邊界點和分段線性變化曲線如表3所示。VCF按照實際音量曲線的增益增長和人耳對音量增益的感受劃分，變化曲線為梯形；SCF按照常見路況行駛速度劃分，變化曲線為臺階式逐級上升；FCF按照固定的空調(diào)風(fēng)速檔位劃分，為離散4個點遞增；RCF用于不同車之間微小差異的偏差校準或其他影響因子。

2.2 響度補償

    為了更全面地滿足車內(nèi)聽覺頻響特性，需要設(shè)置等響曲線，等響曲線是反映人耳對不同聲壓的主觀感受曲線，在不同的多媒體播放音量下，通過自動響度補償來滿足車內(nèi)的高音質(zhì)聽覺享受。在車內(nèi)建立類似于1 kHz純音等響度曲線，通過分別調(diào)節(jié)音頻DSP內(nèi)的高低音濾波器的中心頻率、增益、Q值成分，從而補償揚聲器和車內(nèi)聲場環(huán)境的缺陷或不足，實現(xiàn)補償、修飾、調(diào)整各種聲源及其他一些特殊效果^[3]。

    車內(nèi)多媒體音頻輸入到音頻DSP，首先，通過FFT（Fast Fourier Transform）轉(zhuǎn)為頻域信號，提取音頻信號的頻譜特性并計算高/低音響度等級；然后根據(jù)當(dāng)前播放音量配置相應(yīng)的響度增益補償程度，內(nèi)插到相應(yīng)的頻段；隨后，通過IFFT（Inverse Fast Fourier Transform)轉(zhuǎn)換回時域信號進行時域濾波；最后，把自動響度補償后的多媒體音頻信號輸出到揚聲器^[4]。詳細工作原理如圖6所示。

    本文使用恩智浦半導(dǎo)體的車載級專用音頻DSP芯片TEF6638HW^[5]，通過使用其中的IIR雙線性濾波器設(shè)置等響度曲線的高低音濾波器，傳遞函數(shù)定義如下：

    通過中間變量(G_max為最大增益，g為增益，f_s為采樣頻率，f_c為中心頻率，Q為品質(zhì)因子)，可求得濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)。

    由于人耳對高低頻聲，特別是低頻聲的聽覺靈敏度差，為了在車內(nèi)獲得高質(zhì)量的聽覺享受，有必要在低音量時對高頻和低頻進行聽覺補償，即要求對低頻有較大提升，對高頻也有一定量的提升。在車內(nèi)標定隨播放音量變化的等響曲線增益設(shè)計如表4所示，音量逐漸變小時，低頻音量加強明顯，高頻音量也有稍許抬升。音頻DSP等響度曲線參數(shù)即，低音峰值濾波器：f_s=48 kHz，f_c=60 Hz，Q=0.4；高音峰值濾波器：f_s=48 kHz，f_c=10 kHz，Q=0.9。

3 實車效果測試

    選取主駕頭部位置作為優(yōu)選位置，分別在不同車速、不同音量步進數(shù)、不同空調(diào)風(fēng)速檔位下，選擇常見行駛路況，測取20 Hz~20 kHz全頻段實際音量補償曲線如圖7所示, 理論增益補償值與實際值的比較如表5所示。

    以音量最大作為0 dB基準曲線，測試20 Hz~20 kHz全頻段隨音量增益10 dB遞減的等響度曲線，如圖8所示。

4 結(jié)論

    通過實車測試所得的音量補償曲線和等響度補償曲線表明，所設(shè)計的自動增益補償，尤其是音量和響度的動態(tài)補償，與理論模型設(shè)計的數(shù)據(jù)值保持一致。在不斷變化的車內(nèi)聲音環(huán)境中，可以成功地實現(xiàn)車載音頻系統(tǒng)的自動增益補償，有效地減少車內(nèi)噪聲對收聽的影響，并滿足不同音量下的車內(nèi)聽覺頻響特性，最終確保在不同車內(nèi)環(huán)境中高音質(zhì)的聽覺享受。

參考文獻

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