汽車整車音效設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方法

詹德凱，劉鵬飛，楊濤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車整車音效設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方法

詹德凱，劉鵬飛，楊濤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

隨著人們生活水平的提高，對(duì)車載音響的品質(zhì)要求也越來越高，評(píng)價(jià)整車音響效果的方法也很多，該文主要介紹頻響曲線輔以主觀聽音來對(duì)整車音效進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過對(duì)結(jié)果的分析，可以對(duì)整車音效后期的改善起指導(dǎo)性作用。

頻響曲線；整車音效；音頻分析儀

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-64-04

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車除了作為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡慕煌üぞ咄猓捎谄嚩嗝襟w終端系統(tǒng)的影音娛樂功能正在以不可阻擋態(tài)勢(shì)不斷的升級(jí)，而聲音作為音響的最終表達(dá)形式，已經(jīng)得到人們尤其是音樂發(fā)燒友的高度關(guān)注，汽車多媒體音效的好壞也成為定位一款車型的重要指標(biāo)。由于人們對(duì)整車音響效果要求的提高，整車音效的設(shè)計(jì)及優(yōu)化也成為汽車設(shè)計(jì)、研發(fā)的重要課題。同時(shí)對(duì)車輛的音響改裝也成為音樂發(fā)燒友追求高品質(zhì)音效的又一主要途徑，促進(jìn)了后裝音響產(chǎn)品的快速、蓬勃發(fā)展。

本文將從汽車設(shè)計(jì)的角度分析設(shè)計(jì)方法，同時(shí)從測(cè)試的角度以實(shí)例為基礎(chǔ)，給汽車音響設(shè)計(jì)、測(cè)試及評(píng)估以參考性意見。

1、整車音效主要影響因素

整車音效是用來描述用戶對(duì)汽車音響聲音品質(zhì)評(píng)價(jià)的專業(yè)術(shù)語，音效性能的好壞主要取決于揚(yáng)聲器的特性、音響主機(jī)性能及整車布置方案三個(gè)主要方面。通過對(duì)這三方面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而形成良好的音效體驗(yàn)。

1.1 車載揚(yáng)聲器

揚(yáng)聲器作為整車聲音輸出的終端，在整個(gè)車載音響系統(tǒng)中起決定性作用，甚至能影響整個(gè)汽車音響的風(fēng)格。揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)一般由音圈、振動(dòng)板、盆架、上下導(dǎo)磁極片、磁鋼等部分組成，并且通過選擇不同的材質(zhì)及工藝將會(huì)很大的影響整車的音響效果。同時(shí)根據(jù)揚(yáng)聲器所表現(xiàn)的聲音頻率的不同，揚(yáng)聲器又可分為低音揚(yáng)聲器、中音揚(yáng)聲器、高音揚(yáng)聲器、全頻帶揚(yáng)聲器。一般來說，揚(yáng)聲器的口徑越大，低頻越好，音質(zhì)效果震撼，而口徑越小，高頻越好，音質(zhì)效果輕靈。目前車內(nèi)的中低音揚(yáng)聲器主要以，7寸、6寸為主流，高音以多芯內(nèi)磁產(chǎn)品為主。

評(píng)價(jià)揚(yáng)聲器性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要包括:額定功率、頻率響應(yīng)、額定阻抗、諧波失真、靈敏度等。頻率響應(yīng)是其中的重要指標(biāo)之一，這項(xiàng)指標(biāo)反映了揚(yáng)聲器工作的主要頻率范圍。高保真放音系統(tǒng)要求揚(yáng)聲器系統(tǒng)應(yīng)能重放20Hz-20000Hz的人耳可聽音域。由于用單只揚(yáng)聲器不易實(shí)現(xiàn)該音域，故需要采用高、中、低多個(gè)揚(yáng)聲器來實(shí)現(xiàn)重放覆蓋。因此了解單元揚(yáng)聲器的頻響特性曲線是非常重要的，圖1為某款中低音揚(yáng)聲器的頻響特性曲線。

此揚(yáng)聲器在低音、中音方面均有很好的表現(xiàn)，但在高音音域部分出現(xiàn)了很大的衰減，所以在整車設(shè)計(jì)時(shí)，一般選擇高音揚(yáng)聲器與低音揚(yáng)聲器配合的設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)高音音域的不足，從而提高用戶的聲音感受。

1.2 車載主機(jī)

對(duì)于整車音效，主機(jī)的音效特性對(duì)音質(zhì)影響也很大。主機(jī)是整個(gè)音響的音源，同時(shí)也是一個(gè)控制中心，對(duì)音響的操作都要通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)。揚(yáng)聲器的性能固然重要，但沒有一個(gè)好的音源及聲音控制處理中心，是無法最大限度的發(fā)揮揚(yáng)聲器的固有性能，造成資源浪費(fèi)，而且通過主機(jī)的配置與調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)同款揚(yáng)聲器不同車型的不同音響效果的設(shè)計(jì)。所以如果想提高整車音質(zhì)，選擇一個(gè)好的中控系統(tǒng)主機(jī)是非常重要的。

車載主機(jī)內(nèi)的基本架構(gòu)一般以音源、聲音處理芯片、功率放大器三部分串聯(lián)組成。在音源部分，車載主機(jī)主要以CD、USB、AUX等信號(hào)為主，主機(jī)除了讀取信號(hào)和輸出信號(hào)以外，當(dāng)主機(jī)把音源取得后將音頻信號(hào)通過SPDIF等音頻通信格式發(fā)送給音頻信號(hào)處理器，在音頻信號(hào)處理器內(nèi)部將會(huì)針對(duì)音量調(diào)節(jié)、左右平衡、音場(chǎng)前后調(diào)節(jié)，大多還會(huì)有諸如高音調(diào)節(jié)、中音調(diào)節(jié)、低音調(diào)節(jié)等最基本的頻段均衡調(diào)節(jié)功能，目前中低端的主機(jī)均采用5段、7段式的EQ調(diào)節(jié)，但高端產(chǎn)品已經(jīng)可以內(nèi)置強(qiáng)大的音效處理芯片，實(shí)現(xiàn)多段式的音效調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行流行、古典、爵士等不同場(chǎng)景音效的調(diào)整，更加體現(xiàn)出整體音效的高品質(zhì)。

信號(hào)在主機(jī)內(nèi)部被處理結(jié)束后將會(huì)傳輸給功率放大模塊即功率放大器，功率放大器通過內(nèi)部的放大電路，并通過連接線束直接向揚(yáng)聲器提供一定的功率輸出，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行發(fā)聲。主機(jī)所提供的功率往往十分有限，常見的大概也就是每聲道峰值功率45W，額定功率折算下來也就是15W-20W左右；這樣大小的功率，推動(dòng)原車揚(yáng)聲器或者檔次較低的后裝揚(yáng)聲器還可勉為其難，但如果要使用較高品質(zhì)的專業(yè)級(jí)揚(yáng)聲器，并且希望發(fā)揮出理想的效果，那么還是應(yīng)該選用功率相匹配的獨(dú)立功放，讓主機(jī)專注于對(duì)音頻信號(hào)的讀取和輸出。

1.3 車載揚(yáng)聲器布局

優(yōu)質(zhì)的揚(yáng)聲器和高性能的主機(jī)是整車音效表現(xiàn)力的必要條件，但是揚(yáng)聲器系統(tǒng)的布局對(duì)音效也有著非常大的決定性作用。整車音效與家庭音響有很大的區(qū)別，主要是從空間、障礙物等方面有很大的差別，具有障礙物多、揚(yáng)聲器位置固定、距離近等特點(diǎn)，所以整車音效的設(shè)計(jì)中揚(yáng)聲器的位置設(shè)計(jì)就獨(dú)具一格，形成其獨(dú)有的設(shè)計(jì)思路，一般的車型主要配置4-8只揚(yáng)聲器，以高音搭配低音為主要設(shè)計(jì)手段，但高端車型將會(huì)設(shè)計(jì)10只以上的揚(yáng)聲器，并通過重低音、環(huán)繞、中置揚(yáng)聲器的搭配組合，形成立體、生動(dòng)的音場(chǎng)。除了揚(yáng)聲器數(shù)量及種類的增加會(huì)提高整體效果，如果合理的設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器的布置位置和組合方式也將會(huì)大幅提升整車的音效。

根據(jù)整車的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和揚(yáng)聲器的特定性能，就可以總結(jié)出一套實(shí)用的揚(yáng)聲器布置方案。偏中低音的揚(yáng)聲器是不具有指向性的，聲音向四周傳播并且口徑比較大，布置需要一定的空間，建議布置門上靠下位置，并在門板內(nèi)利用塑料材質(zhì)形成一定容積的回音腔體，通過發(fā)聲時(shí)腔體的回音效果達(dá)到更好的中低音體驗(yàn)。中置揚(yáng)聲器一般都設(shè)計(jì)在儀表板的中間，環(huán)繞則涉及在第二排或第三排座位上方，而重低音由于其強(qiáng)大的能量輸出會(huì)對(duì)人有一定的沖擊，所以一般設(shè)計(jì)在后備箱附近。高音揚(yáng)聲器由于有指向特性，按照高度應(yīng)該與人耳高度持平，建議優(yōu)選A柱，三角窗位置次之，門板上將會(huì)形成刺耳的高音效果，不做推薦。圖2為某款車型揚(yáng)聲器布置圖。通過合理的音場(chǎng)設(shè)計(jì)，使整車在音效效果、定位、立體聲感受等方面給人以優(yōu)美的感受。

2、聲音音效的客觀測(cè)試

作為整車音效，以上三點(diǎn)是其主要影響方面，但其他方面如:人的座椅位置、高度、車內(nèi)空間的大小、密封度等指標(biāo)均會(huì)影響整車音效的最終效果。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用反饋、補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)可以作適當(dāng)?shù)膹浹a(bǔ)，那么整車的測(cè)試調(diào)整就成為設(shè)計(jì)整車音效的一個(gè)重要手段。其中頻響曲線的測(cè)試就成為客觀評(píng)價(jià)的一個(gè)重要方法。

頻響曲線指將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的全頻帶音頻信號(hào)輸出給音響系統(tǒng)時(shí)，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象，這種聲壓和相位與頻率的相關(guān)聯(lián)的變化關(guān)系(變化量)稱為頻率響應(yīng)，單位分貝(dB)。頻率響應(yīng)（簡(jiǎn)稱頻響）是音頻系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，通過此參數(shù)的的設(shè)計(jì)及優(yōu)化可以在整個(gè)音域內(nèi)盡可能的體現(xiàn)聲音的本來面貌。

2.1 頻響曲線測(cè)試實(shí)例

下面就對(duì)一款配置了6只揚(yáng)聲器的車型作為測(cè)試對(duì)象，以粉紅噪音（PinkNoise）作為測(cè)試數(shù)據(jù)，利用手持式精密音頻分析儀對(duì)主駕駛?cè)硕恢脺y(cè)得頻響曲線，見圖4。

圖中b為高音揚(yáng)聲器，c，d為中低音揚(yáng)聲器

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)以上曲線可分析出，在20Hz-20kHz范圍內(nèi)，如果把聲音的頻段按照以下頻段劃分，那么從結(jié)果可以看出此款車型的整車音效中低頻增益過強(qiáng)，并且20-500Hz范圍內(nèi)曲線提升和衰減幅度都比較大，500-5000Hz中高頻曲線較為平直聲音還原比較出色，而高頻曲線衰減明顯。

低頻段（20-150Hz）；

中低頻（150-500Hz）；

中高頻段（500-5000Hz）；

高頻段（5000-20kHz）。

根據(jù)此頻響曲線的結(jié)果結(jié)合揚(yáng)聲器的布置來分析，由于后排無高音揚(yáng)聲器，并且前排的高音揚(yáng)聲器安裝位置在車門處，而不是與人耳齊平的A柱上，介于高音揚(yáng)聲器的指向性特性，主駕駛位置聲場(chǎng)的高音較弱，所以導(dǎo)致高音表現(xiàn)力差。

如果要優(yōu)化此車型首先要增加后部揚(yáng)聲器的高音，使整個(gè)音場(chǎng)平衡，并調(diào)整高音的指向性，使高音更加明亮，低音部分做適當(dāng)?shù)乃p，使音場(chǎng)更加均衡，通過聲音測(cè)試及反饋系統(tǒng)不斷微調(diào)增益參數(shù)，最終形成立體聲的音場(chǎng)效果。

3、聲音音效的主觀評(píng)價(jià)

針對(duì)整車音效，只有客觀的頻響曲線測(cè)試僅能從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)產(chǎn)品的性能，并不完全，還應(yīng)該從整體效果方面通過有經(jīng)驗(yàn)的音響評(píng)價(jià)師進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，以達(dá)到一個(gè)全面評(píng)估的效果。如果頻響曲線陡升陡降，起伏太大，幾乎可以肯定音質(zhì)好不到哪兒去。如果頻響曲線漂亮極了，有相當(dāng)大的可能性，是個(gè)好東西，我們持期待的意見，還需要進(jìn)一步去看看其它對(duì)聲音的影響因素，最重要的，聽了才知道。在這里介紹一種主觀評(píng)價(jià)整車音效的方法。

3.1 主觀評(píng)價(jià)實(shí)例

測(cè)試位置仍然選擇主駕駛位置，選擇特定曲目來進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，測(cè)試人員為有專業(yè)音響評(píng)審經(jīng)驗(yàn)的工程師團(tuán)隊(duì)，一般為10人左右，大家根據(jù)不同座位、使用不同音樂的持續(xù)評(píng)測(cè)，得出評(píng)審數(shù)據(jù)，再根據(jù)大家的評(píng)審數(shù)據(jù)算出每項(xiàng)的平均值得出以下結(jié)果:

表1 整車音效主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過上述結(jié)果可以看出高音部分分值較低，而中音和低音可以勉強(qiáng)達(dá)到3分的標(biāo)準(zhǔn)，主觀評(píng)價(jià)從另一個(gè)角度來給出整車音效的好壞。結(jié)合頻響曲線分析法就可以對(duì)整車音效有一個(gè)概括性評(píng)價(jià)了。常用的評(píng)價(jià)方法有排序法、評(píng)分法、成對(duì)比較法和語義細(xì)分法等。但在實(shí)際應(yīng)用中主流做法是將這幾種方法結(jié)合起來使用。

主觀評(píng)價(jià)的目的除比較噪聲主觀指標(biāo)的優(yōu)劣和為噪聲的改善設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)外，更重要的是尋求主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀計(jì)算參量之間的關(guān)系，建立其回歸預(yù)測(cè)模型，為改進(jìn)噪聲的計(jì)算參量提供依據(jù)。并且通過預(yù)測(cè)模型對(duì)同類事件的偏好性進(jìn)行評(píng)估。但它們之間的線性關(guān)系并不很理想，建立主客觀關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，必須對(duì)數(shù)據(jù)做必要的處理。

下面就是根據(jù)上面例子的一個(gè)回歸算法模型，能更高的結(jié)合主觀與客觀的數(shù)據(jù)，最終建立一個(gè)完善統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方案。

通過加權(quán)及回歸算法，逐步逼近真實(shí)的用戶感受，并根據(jù)不同的新測(cè)試樣本，最終優(yōu)化此回歸算法的可用性。最終讓整車的音效評(píng)價(jià)更加真實(shí)、有效。

4、結(jié)論

根據(jù)主客觀兩種相結(jié)合的測(cè)試及評(píng)價(jià)方法，得出目標(biāo)車型的頻響曲線需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的目標(biāo)，以上章節(jié)為例就是要針對(duì)低頻和中低頻曲線需要做平直處理，高音部分表現(xiàn)不佳，可適當(dāng)調(diào)整高音揚(yáng)聲器的布置位置來看看可否達(dá)到預(yù)期效果。并持續(xù)的評(píng)價(jià)、優(yōu)化。最終提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

聲音是博大精深的一門學(xué)問，影響聲音的參數(shù)很多，頻響曲線是檢驗(yàn)聲音還原能力的一個(gè)重要方面，音質(zhì)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)實(shí)在太多以至于我們現(xiàn)在都無法用純客觀的指標(biāo)去衡量和判斷音質(zhì)到底好不好，好到哪兒，以及有多好。這是音頻工作者的無奈之處，也是音頻的迷人之處。

主觀聽音評(píng)價(jià)是輔助客觀評(píng)價(jià)的一種方法，可以把各種參數(shù)對(duì)聲音的影響以主觀的方式表現(xiàn)出來，單獨(dú)的主觀評(píng)價(jià)意義并不大，每個(gè)人的聽音能力以及對(duì)聲音風(fēng)格喜好不同，導(dǎo)致了主觀聽音評(píng)價(jià)存在個(gè)體上的差異，如何優(yōu)化主觀評(píng)價(jià)方案，以及提出完整的整車音效評(píng)價(jià)方案是音頻工作者需要更深入專研的課題。

[1] 孫巖君.掃頻法測(cè)量音頻系統(tǒng)頻率響應(yīng)的原理及實(shí)踐[J].電聲技術(shù)，2006（6）.

[2] 張濤，賀家琳，楊冬明.TI DSP在音頻處理中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3] JOHNSON R B.Cook formulae for audio EQ biquad filter coeffi -cients[M].2002.

The method of vehicle sound design and evaluation

Zhan Dekai, Liu Pengfei, Yang Tao
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Electronic Engineering Section, Liaoning Shenyang 110141）

With the improvement of people's living standard, therequirements for the vehiclesound qualityarebecoming more and more valuable, there are many kinds of method to evaluate the vehicle sound, in this paper it will mainly introduces the frequency response curve withsubjective listening to evaluate the vehicle sound, through the analysis of the results, it willplay an important role as the guiding for improving vehicle sound system inlater stage.

Frequency response curve; Vehicle sound; Sound analyzer

U463.6

A

1671-7988(2015)07-64-04

詹德凱，就職于華晨汽車工程研究院。