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隨著當(dāng)今汽車行業(yè)“五大趨勢(shì)”，即“輕量化、電氣化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、共享”，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的數(shù)量不斷減少，甚至傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)直接被電動(dòng)機(jī)取代。因此，通過(guò)優(yōu)化包括進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)，開發(fā)品牌特有的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音更加困難。為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)聲音的獨(dú)特性，使用主動(dòng)發(fā)聲控制設(shè)計(jì)汽車引擎聲是最有效的方法之一。主動(dòng)發(fā)聲控制是一項(xiàng)復(fù)雜的跨學(xué)科技術(shù)，涉及汽車聲學(xué)、電子聲學(xué)、音樂聲學(xué)、聲音信號(hào)處理等不同學(xué)科的知識(shí)。
目前，主動(dòng)發(fā)聲控制的方法可以分為兩大類：基于樣本的方法和基于程序的方法。
基于樣本的方法需要對(duì)真實(shí)汽車的引擎聲樣本進(jìn)行錄制、處理、合成和重放。這類方法需要采集汽車在不同工況（例如不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）、油門負(fù)載和檔位）下的引擎聲樣本。在合成引擎聲時(shí)，首先取出當(dāng)前汽車的工況所對(duì)應(yīng)的樣本，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)音處理，最后使用重疊相加法 (Overlap-and-add) 進(jìn)行拼接。這種方法主要用于賽車游戲[1]和一些先進(jìn)的高保真駕駛模擬器[2]。這類方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)試以降低諧波不連續(xù)帶來(lái)的偽影，達(dá)到最優(yōu)的聽覺效果，文獻(xiàn)[3]中提出了一種諧波同步的重疊相加法，可以顯著降低聲音的不自然度，圖1展示了該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程?；跇颖镜姆椒ㄓ捎趯?duì)真實(shí)汽車進(jìn)行聲音錄制，可以模擬特定車型的引擎聲，因此可以模擬出超級(jí)跑車的引擎聲。然而，這類方法需要大量的汽車聲音樣本，而且聲音設(shè)計(jì)受到真實(shí)汽車樣本音色的限制。

基于程序的合成方法將研究重心放在了引擎聲的發(fā)聲機(jī)理上。這類方法模擬了引擎聲從發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，再經(jīng)過(guò)氣缸及排氣系統(tǒng)的整個(gè)物理過(guò)程。其中，用正弦波模擬激勵(lì)源信號(hào)，用各類濾波器模擬氣缸及排氣系統(tǒng)。這類方法對(duì)真實(shí)汽車的引擎聲進(jìn)行時(shí)頻分析以獲取發(fā)動(dòng)機(jī)聲音的工作狀態(tài)和諧波特性用以指導(dǎo)濾波器參數(shù)的設(shè)置?；诔绦虻暮铣煞椒ㄝ^為復(fù)雜，需要對(duì)汽車引擎聲的發(fā)聲機(jī)理有深入的理解。這類方法的優(yōu)勢(shì)在于不需要大量的實(shí)錄汽車聲音樣本，并且在音色的設(shè)計(jì)上更加靈活。文獻(xiàn)[4]中對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和活塞運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程進(jìn)行了建模，作為引擎聲的聲源。接著，使用兩條增益可調(diào)的延時(shí)器組成的數(shù)字波導(dǎo)模擬排氣系統(tǒng)的共振過(guò)程。圖2展示了一個(gè)基于程序的引擎聲合成方法示意圖。

在合成出想要的引擎聲音色之后，需要根據(jù)不同的工況實(shí)時(shí)改變引擎聲的參數(shù)。具體表現(xiàn)在根據(jù)不同的車速控制引擎聲的頻率，根據(jù)不同的油門負(fù)載控制引擎聲的聲壓級(jí)大小。文獻(xiàn)[5]中為了模擬動(dòng)態(tài)駕駛過(guò)程中的場(chǎng)景，計(jì)算了一個(gè)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，建立了車速與虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。$$RP{M}_V=43.75\times V+750$$
公式中車速的限制為0-120公里/時(shí)。主要出于以下兩點(diǎn)考慮（1）在車速超過(guò)120公里/時(shí)的情況下，風(fēng)聲將成為車內(nèi)聲音的主導(dǎo)因素。（2）大部分情況下車速都小于120公里/時(shí)。
為了模擬出加速的感覺，需要根據(jù)油門負(fù)載控制引擎聲的聲壓級(jí)大小，即油門負(fù)載越大，引擎聲的聲壓級(jí)也應(yīng)該響應(yīng)增大。文獻(xiàn)。。中的聲壓級(jí)的增益系數(shù)被設(shè)計(jì)為8.5 dB（A）/100%。在實(shí)際工程應(yīng)用中，增益系數(shù)和虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的公式系數(shù)需要根據(jù)不同的車型進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最理想的聽覺效果。
合成出汽車引擎之后，需要使用車內(nèi)揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行重放。由于汽車引擎聲存在大量的低頻成分，因此對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的低頻響應(yīng)要求非常高。文獻(xiàn)[5]中介紹了一個(gè)整車引擎聲合成系統(tǒng)的實(shí)例，研究發(fā)現(xiàn)車內(nèi)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性在引擎聲合成系統(tǒng)中起著重要作用。因此，需要對(duì)車內(nèi)揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得在聽眾的雙耳位置處獲得平坦和穩(wěn)定的頻響曲線。此外，一些揚(yáng)聲器均衡以及空間均衡的數(shù)字信號(hào)處理算法也可以用于補(bǔ)償車內(nèi)揚(yáng)聲器系統(tǒng)帶來(lái)的失真。具體的均衡算法將在以后的文章進(jìn)行介紹。
評(píng)價(jià)引擎聲的心理聲學(xué)指標(biāo)有響度(loudness)、銳度(sharpness)、粗糙程度(roughness)。當(dāng)然，最后必不可少的是進(jìn)行主觀測(cè)聽并且反復(fù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，達(dá)到最佳的聽覺效果。通過(guò)上面的介紹，希望大家能夠早日“調(diào)教”出自己喜歡的引擎聲。

關(guān)鍵詞：

汽車引擎聲合成、主動(dòng)發(fā)聲控制

參考文獻(xiàn)：

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[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.
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