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        車載獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)設(shè)計與評價

        2022-10-29 02:51:08李洪亮楊海艷
        客車技術(shù)與研究 2022年5期
        關(guān)鍵詞:失真度揚聲器時域

        嚴(yán) 格,張 喆,李洪亮,楊海艷

        (1.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司, 廣西 柳州 545000;2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司, 天津 300300)

        車載獨立聲學(xué)空間是指利用聲音分區(qū)控制優(yōu)化算法對車內(nèi)不同音頻流進行區(qū)域化管理,使特定音頻流只在車內(nèi)指定區(qū)域(亮區(qū))可聽,而在其他區(qū)域(暗區(qū))不可聽。近年來,針對車載獨立聲學(xué)空間系統(tǒng)的研究,相繼提出的聲音分區(qū)控制優(yōu)化算法有對比度控制法(ACC)、聲場重構(gòu)法(SFR)、對比度控制-聲壓匹配法(ACC-PM)等。英國南安普頓大學(xué)是這一領(lǐng)域的先驅(qū),其采用基于SFR算法的最小平方法為不同車型設(shè)計了獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng),可以滿足車內(nèi)駕乘人員不同的聽覺需求;哈曼等揚聲器供應(yīng)商也開展了廣泛研究。相比之下,國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域尚處于起步階段。

        本文以某小型電動車為應(yīng)用對象,設(shè)計了一套車載獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng),可以讓駕駛員與后排右側(cè)乘客分別享有獨立的聲學(xué)環(huán)境。該原型系統(tǒng)的核心是在傳統(tǒng)ACC-PM算法基礎(chǔ)上,提出一種聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法,以進一步減小亮區(qū)失真度。為了檢驗該原型系統(tǒng)的聲音分區(qū)控制效果,本文還開展了一系列主客觀測評。結(jié)果顯示,該原型系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)聲音分區(qū)控制。

        1 聲音分區(qū)控制評價指標(biāo)與優(yōu)化算法

        1.1 評價指標(biāo)

        目前,常用的聲音分區(qū)控制效果評價指標(biāo)包括亮暗區(qū)對比度、亮區(qū)失真度、能耗指數(shù)等。本文只介紹前兩個評價指標(biāo),并以這兩個指標(biāo)為優(yōu)化參數(shù)進行相應(yīng)的算法開發(fā)。

        1)亮暗區(qū)對比度(AC)。是指亮、暗區(qū)內(nèi)平均聲勢能之比,其定義為

        (1)

        式中:分別代表亮、暗區(qū)內(nèi)控制點處聲壓;、分別代表亮、暗區(qū)內(nèi)控制點數(shù)量;上標(biāo)H代表復(fù)數(shù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣。亮暗區(qū)對比度越大,聲音分區(qū)控制效果越好。

        2)亮區(qū)失真度(Err)。反映了亮區(qū)內(nèi)聲音的失真程度,其定義為

        (2)

        式中:代表亮區(qū)目標(biāo)聲壓。亮區(qū)失真度越小,聲音失真程度就越低,聲音分區(qū)控制效果也就越理想。

        1.2 聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法

        本文在ACC-PM算法的基礎(chǔ)上提出了一種聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法,可以對任意音頻信號進行離線或?qū)崟r的聲音分區(qū)控制處理。相比ACC-PM算法,該算法可以減小亮區(qū)失真度,從而獲得更好的聲音分區(qū)控制效果。該算法可以大致分為求解揚聲器驅(qū)動信號頻域濾波系數(shù)最優(yōu)解以及將最優(yōu)解由頻域轉(zhuǎn)換到時域并進行時域濾波兩步。

        1.2.1 求解揚聲器驅(qū)動信號頻域濾波系數(shù)最優(yōu)解

        (3)

        那么,ACC-PM算法就可以表示為

        (4)

        式中:為權(quán)重系數(shù),其取值范圍在0到1之間(通常取接近1);取單位向量。

        對式(4)中的求導(dǎo),并令求導(dǎo)后的表達(dá)式為零,求解可得

        (5)

        式中:修正項λ(為拉格朗日乘子,為單位矩陣)用來改善待求逆矩陣的病態(tài)程度,以提高算法的魯棒性。

        將式(5)所得的代入式(3),得到聲勢能分布重構(gòu)后的、,再進一步代入式(1)、式(2),可以得到亮暗區(qū)對比度AC和亮區(qū)失真度Err。仿真計算規(guī)律顯示,通常情況下AC和Err均較大,即雖然亮暗區(qū)內(nèi)聲勢能分布差異明顯,但亮區(qū)內(nèi)聲音失真較為嚴(yán)重,難以滿足聲音分區(qū)控制的要求。

        為了改變這一狀況,本文對式(5)所得的進行幅值與相位變換

        =ei

        (6)

        式中:為變換后的揚聲器驅(qū)動信號濾波系數(shù);為幅值系數(shù)(取正實數(shù));為相角;為式(5)所得結(jié)果。

        分析式(1)和式(3)可知,采用形如式(6)的變換可以在保持AC不變的前提下,最大程度地改善亮區(qū)內(nèi)的聲音失真現(xiàn)象,即有

        (7)

        將式(6)代入式(7),得到

        (8)

        式中:Re[……]代表對括號中內(nèi)容取實部;i代表虛數(shù)單位。

        分別對式(8)中的和求偏導(dǎo),并令求導(dǎo)后的表達(dá)式為零,求解可得

        (9)

        將式(5)、式(9)代入式(6)得到的即為揚聲器驅(qū)動信號濾波系數(shù)的最優(yōu)解。使用此最優(yōu)解可以直接方便地開展數(shù)值仿真,從而預(yù)估獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)的聲音分區(qū)控制效果。

        然而,是在頻域內(nèi)求解得到的,直接使用只能對揚聲器驅(qū)動信號進行離線濾波,而無法實現(xiàn)實時處理。因此,為了能夠驅(qū)動獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)進行實時聲音分區(qū)控制,需要將由頻域轉(zhuǎn)換到時域,并在時域中對音頻信號進行實時濾波。

        1.2.2 濾波系數(shù)最優(yōu)解頻域時域轉(zhuǎn)換及時域濾波

        (10)

        (11)

        (12)

        其中

        (13)

        2 原型系統(tǒng)設(shè)計及控制策略開發(fā)

        2.1 揚聲器殼體

        使用1.2節(jié)得到的結(jié)果進行數(shù)值仿真(直接用對音頻信號進行離線濾波),結(jié)果顯示揚聲器距離人耳越近,聲音分區(qū)控制效果越佳。因而,為了更好地實現(xiàn)聲音分區(qū)控制,不宜使用原車自帶的揚聲器(車門及A柱內(nèi)),而應(yīng)將揚聲器布置在座椅頭枕的內(nèi)部或兩側(cè)。為了不破壞原車座椅頭枕,本文將揚聲器安裝在頭枕兩側(cè),因此專門為揚聲器設(shè)計了與頭枕適配的殼體(圖1)。該殼體本身的吸隔聲性能會產(chǎn)生一定的聲音分區(qū)控制效果,但由下文2.2節(jié)可知,這并不影響對1.2節(jié)所述的聲音分區(qū)控制效果進行有效評估。

        圖1 揚聲器殼體示意圖

        2.2 控制器及控制策略

        針對本文搭建的車載獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(主駕位與后排右側(cè)座位為兩個相互獨立的聲學(xué)空間,如圖2所示),本文開發(fā)了專用的控制器,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該控制器的核心是基于TMS320F2812型DSP芯片設(shè)計的一組濾波器(濾波器11、12、21、22),用于運行1.2節(jié)所述的聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法。除DSP芯片外,該控制器還包含2個輸入通道、存儲器、功率放大電路和4個輸出通道。

        圖2 獨立聲學(xué)空間布局形式

        圖3 控制器結(jié)構(gòu)框圖

        與普遍采用的全局控制策略不同,本文采用了局部控制策略。當(dāng)控制器關(guān)閉時,兩個原始音頻信號(分別對應(yīng)圖2中獨立空間的信號1、2)不經(jīng)過濾波器而直接由放大電路調(diào)節(jié)增益,之后由各自對應(yīng)的揚聲器播放。這種情況下,次級音頻信號11與12以及21與22分別相同。此時產(chǎn)生的聲音分區(qū)控制效果僅源于座椅頭枕本身及揚聲器殼體的吸隔聲性能。而當(dāng)控制器開啟后,以原始音頻信號1為例,其經(jīng)過濾波器11、12處理后生成次級音頻信號11、12,二者不再相同,經(jīng)放大電路調(diào)節(jié)增益后,分別由前排的兩個頭枕揚聲器播放。此時產(chǎn)生的聲音分區(qū)控制效果為頭枕及殼體與聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法二者貢獻(xiàn)之和。因此,通過比較控制器關(guān)閉與開啟時聲音分區(qū)控制效果的差異,就可以評估出聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法對于提升聲音分區(qū)控制效果所作的貢獻(xiàn)。

        3 聲音分區(qū)效果測試與評價

        3.1 客觀測試

        本文分別測量了100~8 000 Hz內(nèi)主駕位及后排右側(cè)座位為亮區(qū)時的亮暗區(qū)對比度和亮區(qū)失真度,結(jié)果如圖4和圖5所示。

        3.1.1 亮暗區(qū)對比度測試

        由圖4可知,除極個別頻點外,當(dāng)控制器關(guān)閉時,座椅頭枕及揚聲器殼體可以提供約10~33 dB(主駕位為亮區(qū))和8~28 dB(后排右側(cè)座位為亮區(qū))的亮暗區(qū)對比度;而控制器開啟后,亮暗區(qū)對比度上升至約12~35 dB(主駕位為亮區(qū))和9~30 dB(后排右側(cè)座位為亮區(qū))。其中,1 500 Hz以下提升尤為明顯,兩種情形下增幅均達(dá)3~10 dB。針對后排右側(cè)座位為亮區(qū)的情形,雖然500~800 Hz及5 000 Hz以上的亮暗區(qū)對比度略小,但由于人耳的敏感頻率范圍大致在800~4 000 Hz之間,故車內(nèi)人員的實際聽覺感受應(yīng)與主駕位為亮區(qū)時基本一致。

        (a)主駕位為亮區(qū)

        以上結(jié)果表明:聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法主要在中低頻范圍內(nèi)起作用。對于語音等以中低頻為主的音頻,使用該算法將有效地提升分區(qū)效果;隨著頻率增加,座椅頭枕及揚聲器殼體的吸隔聲性能將逐漸起主導(dǎo)作用,而算法的作用則不明顯。

        3.1.2 亮區(qū)失真度測試

        由圖5可知,對于兩種亮暗區(qū)分區(qū)形式,亮區(qū)失真度都基本保持在-5~-15 dB之間;隨著頻率的增加,失真度逐漸減小。

        圖5 亮區(qū)失真度

        3.1.3 駕駛員耳部聲勢能變化分析

        以上客觀測試雖然能反映車內(nèi)聲勢能分布差異及聲音失真度,但對于實際評價車內(nèi)聲音分區(qū)效果仍顯不足。為了更加直觀地評估分區(qū)后車內(nèi)的聽覺效果,本文測量并計算了當(dāng)兩座位播放不同音樂(信號強度一致)時駕駛員左耳處的聲勢能(dB),結(jié)果見表1。表中各圖的具體含義如下:(1,1)/(1,2)為控制器關(guān)閉時/開啟后音樂1的聲勢能時頻分布;(1,3)/(2,3)為控制器開啟前后音樂1/音樂2的聲勢能變化;(2,1)/(2,2)為控制器關(guān)閉時/開啟后音樂2的聲勢能時頻分布;(3,1)/(3,2)為控制器關(guān)閉時/開啟后兩首音樂的聲勢能之差。

        表1 駕駛員左耳處聲勢能時頻分布

        由表1可知:對于音樂1,開啟或關(guān)閉控制器對其聲勢能時頻分布幾乎沒有影響(除約4 000 Hz處,見圖(1,3)),可見施加本文提出的聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法所帶來的亮區(qū)聲音失真現(xiàn)象幾乎可以忽略不計;對于音樂2,開啟控制器后,其聲勢能有所減弱,200~800 Hz內(nèi)尤為明顯(見圖(2,3)),降幅達(dá)5~10 dB,這與圖4所示的現(xiàn)象一致;由于上述變化,開啟控制器后,駕駛員左耳處音樂1與音樂2的聲勢能之差增大(比較圖(3,1)與(3,2)),即聲音分區(qū)效果有所提升。

        3.2 主觀評價

        作為對客觀測量的補充,本文邀請了10名不同年齡受試者參加了非正式主觀評價(評價方法見文獻(xiàn)[6])。評價中仍然使用音樂與語音兩種音頻組合,每名受試者均體驗了兩種不同音頻組合下兩個座位的分區(qū)效果。

        絕大部分受試者對分區(qū)效果較為滿意,試聽中本座位的聲音基本可以掩蓋從另一座位傳來的聲音;輕微轉(zhuǎn)頭不影響主觀感受,但上身大幅度移動會對主觀感受帶來負(fù)面影響。

        多數(shù)受試者反映,兩座位聲音品質(zhì)較好,無明顯失真。當(dāng)控制器開啟時,主觀感受更佳,主要體現(xiàn)在:分區(qū)效果更加明顯,頭部可活動的范圍變大,且聲音立體感增強。

        與音樂相比,語音提示音分區(qū)效果較差,原因在于語音提示音在時域上較為離散,頻譜成分也多集中在低頻,故其掩蔽能力不及音樂,導(dǎo)致分區(qū)效果較差。

        4 結(jié)束語

        本文實車設(shè)計了一套獨立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)以基于ACC-PM算法的聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法為基礎(chǔ),可以在車內(nèi)主駕位與后排右側(cè)座位形成兩個相互獨立的聲學(xué)空間??陀^測試顯示,聲音分區(qū)控制時域濾波優(yōu)化算法可以增大低頻的亮暗區(qū)對比度,且不會帶來明顯的聲音失真;主觀評價表明,兩座位的分區(qū)效果均較為明顯,且聲品質(zhì)不錯,但聲音分區(qū)控制空間范圍有限。

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