電動汽車低速提示音系統(tǒng)的法規(guī)適應性研究

曹蘊濤，湯樂超，劉英杰

（1.中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院，長春 130013； 2.汽車振動噪聲與安全綜合控制技術國家重點實驗室，長春 130011）

前言

由于電動汽車取消了發(fā)動機，增加了驅動電機、逆變器和電動水泵等總成，且驅動電機噪聲遠低于發(fā)動機噪聲，使電動汽車車外輻射噪聲明顯低于傳統(tǒng)內燃機汽車，特別當電動汽車低速行駛時，其車外噪聲聲壓級明顯低于傳統(tǒng)汽車相同行駛工況下的車外噪聲水平［1］，不易被周圍行人察覺而可能發(fā)生碰撞事故，帶來了一定的安全隱患。為此，世界上主要國家和地區(qū)相繼研究并起草了相關標準，要求電動汽車在低速行駛時車外必須發(fā)出警示聲音，在某些車速下噪聲必須達到最低限值要求，BMW 公司的Vegt［2］詳細對比分析了主要國家和地區(qū)的低速提示音相關法規(guī)及草案提出的測試方法和車外噪聲最低限值要求。

從2014年開始，我國汽車標準化技術委員會先后數次組織國內主要主機廠和零部件供應商，進行相關標準的起草和修訂。目前已形成 GB/T 37153—2018《電動汽車低速提示音》［3］國家推薦標準，規(guī)定了以10和20 km/h車速勻速行駛時車外噪聲1/3倍頻程最低聲壓級和總值最低限值，如圖1所示；標準要求其中至少有兩個1/3倍頻程上不小于所規(guī)定的聲壓級，且滿足總聲壓級的限值要求；同時還對頻移提出了明確要求，即低速提示音要包含與傳統(tǒng)內燃機汽車車外噪聲中發(fā)動機階次聲音類似的、隨車速增加（或減小）頻率變大（或變?。┑穆曇粼兀@對于以聲音為主要反饋信息的盲人來說具有十分重要的意義，他們能據此判斷出汽車的行駛狀態(tài)（加速、減速和勻速）。

圖1 勻速行駛車外噪聲1/3倍頻程最低聲壓級和總值最低限值要求［3］

1 低速提示音設計研究進展

日產汽車公司的Konet等［1，4-5］對低速提示音設計進行了大量的研究，首先提出了低速提示音概念設計目標：（1）聲音的某些頻率隨車速線性變化；（2）對行人的警示作用要達到傳統(tǒng)內燃機汽車水平；（3）能在各種背景聲音下被行人（特別是兒童和老人）所辨識，同時能保持安靜的車內和車外噪聲環(huán)境；（4）聲音要有未來感，同時能被認可為汽車的聲音。

在此基礎上，考慮60歲以上老人在不同頻率范圍內的聽力損失［6］和聽力正常人群的聲音靈敏度［1］，結合實際道路環(huán)境下背景噪聲峰值頻率的試驗研究，總結出低速提示音設計指導原則［1］：（1）在600～800 Hz頻率范圍內設計噪聲峰值，使在2 000～4 000 Hz高頻范圍內有聽力損失的老人更容易察覺到警示聲音；（2）在2 000～5 000 Hz頻率范圍內設計噪聲峰值，以保證有正常聽力的行人能夠察覺到警示聲音；（3）減少1 000 Hz附近噪聲值，以減少對周圍環(huán)境和車內噪聲的貢獻。根據以上設計原則，形成了圖2所示的“雙峰（twin peaks）”形狀的低速提示音頻譜曲線［1］。

圖2 日產電動汽車低速提示音“雙峰”設計方案

為讓低速提示音被認可為汽車的聲音，同時滿足聲音頻率隨車速線性變化的要求，日產公司的工程師和范德比爾特大學醫(yī)學中心心理聲學領域專家、好萊塢聲音設計師成立了專門聲音設計團隊［1］，在上述設計原則的框架下，合成出100多個聲音樣本，通過典型背景環(huán)境下警示效果測試和消聲室環(huán)境車內噪聲性能評價，確定了日產Leaf電動汽車前進行駛時低速提示音的最終方案。該方案低速提示音不僅能夠保證與傳統(tǒng)汽車相當的警示效果，同時還能獲得比傳統(tǒng)汽車更加安靜的車內噪聲水平，主要的突出特點是［5］：（1）在800 Hz以下的頻率范圍內增加了“調制”聲音；（2）在2 000～3 000 Hz高頻范圍內設計了虛擬階次聲音。

Leaf電動汽車的VSP（vehicle sound for pedestrians）系統(tǒng)發(fā)聲策略［1，4］如圖3所示：（1）當車輛靜止時，VSP不發(fā)聲；（2）變速器置于D擋，釋放制動踏板啟車瞬間，VSP發(fā)出幅值較大的“啟車”聲音；（3）0～30 km/h車速范圍內，VSP發(fā)出前進擋低速提示音；（4）當車速超過30 km/h時，VSP進行淡出處理，聲音幅值逐漸變小并消失，當車速減至25 km/h時，進行淡入處理，聲音幅值漸漸變大至正常；（5）當車速為0時，VSP不發(fā)聲；（6）變速器由D擋切換至R擋并釋放制動踏板，車輛倒車行駛，VSP發(fā)出倒車警示聲音。

為提高低速提示音的警示效果，Leaf電動汽車VSP系統(tǒng)在啟車瞬間發(fā)出較大的“啟車”聲音［4］，從而產生車外聲音幅值陡增現(xiàn)象，與傳統(tǒng)汽車相比，這種突如其來的聲音雖然可能會嚇到行人，但能加強聲音的警示效果，行人在通過十字路口過程中可據此有效判斷車輛行駛路線（直行或轉彎），減少撞車事故發(fā)生，如圖4所示。

圖3 日產電動汽車低速提示音發(fā)聲策略

圖4 啟車瞬間發(fā)出較大的“啟車”聲音對行人警示作用示意圖

Zeitler［7］結合BMW 公司低速提示音的開發(fā)經驗和美國國家公路交通安全管理局對不同類型聲音的分析結果，詳細探討了低速提示音的設計方向：一方面，人工合成的警示聲音具有很好的警示作用，但同時會對周圍環(huán)境產生負面影響；另一方面，在人們的認知中，發(fā)動機聲音代表著汽車的聲音，因此人們更愿意接受發(fā)動機聲音，但受限于布置空間而采用的小體積揚聲器難以保證100 Hz以下低頻成分聲音的播放效果。因此，Zeitler認為如何平衡聲音的警示效果和可辨認性是低速提示音設計的關鍵，據此提出電動汽車低速提示音要包含兩種成分：（1）一組具有突出幅值的隨車速變化的頻移成分（與發(fā)動機階次聲音類似），以警示行人車輛當前的行駛狀態(tài)；（2）具有一定幅值的寬頻帶的基礎聲音成分，以幫助行人定位車輛，同時還能表征品牌特征，如圖5所示。

圖5 BMW 公司電動汽車低速提示音設計理念

亞琛工業(yè)大學的Fortino等［8］認為低速提示音設計必須遵循以下基本原則：（1）被認可為汽車的聲音；（2）具有非常好的警示效果；（3）能被廣泛接受和認可。他們采用的低速提示音方案為：在傳統(tǒng)汽車動力系統(tǒng)聲音的基礎上添加其他聲音成分，既能與傳統(tǒng)汽車聲音類似，又能與之不同；當處于啟車準備狀態(tài)時，車輛會發(fā)出平靜的心跳聲，以告知周圍的行人這輛車是“活著的”，可能會隨時啟車。該低速提示音系統(tǒng)包括1個功放和3個揚聲器，揚聲器布置方案如下：車前側布置1個中高頻揚聲器，用于發(fā)聲警示車輛前方行人，同時每個后輪的前側各布置1個中低頻揚聲器，用于改善前進擋行駛低速提示音品質，以及倒車行駛時警示行人。這種多揚聲器的布置方案可有效改善聲音來源的單一性，使整個低速提示音更加真實。

西班牙阿利坎特大學Pedro等［9］分析認為背景聲音環(huán)境對行人警示聲音的警示效果和行人的判斷存在較大影響，增加行人警示聲音的諧頻成分可縮短行人的反應時間，同時也會增加對周圍行人和環(huán)境的聲音干擾。此外，他們認為在傳統(tǒng)發(fā)動機聲音的基礎上適當增加一些高頻的純音成分是最佳的行人警示聲音方案，能同時兼顧警示效果和對周圍環(huán)境的影響。

Rosplesch等［10］系統(tǒng)性地介紹了電動汽車車外行人警示聲音系統(tǒng)，指出了行人警示聲音的開發(fā)目標：（1）以最小的噪聲水平滿足法規(guī)最低幅值限值和頻移要求；（2）車外能帶來愉悅感的聲音感受，同時還要保證對車內聲音無干擾。最終通過綜合控制影響整車行人警示聲音性能的主要敏感變量（揚聲器布置位置、聲音傳遞路徑與傳遞函數和行人警示聲音設計等）實現(xiàn)上述開發(fā)目標。

Bodden等［11］認為電動汽車行人警示聲音具有品牌辨識度非常重要，指出在行人警示聲音開發(fā)過程中要關注法規(guī)適應性和聲音品牌特征的設計。

2 低速提示音設計方法探討

從當前研究現(xiàn)狀和進展總結出設計低速提示音應至少遵循以下原則：（1）必須包含隨車速線性變化的階次聲音成分；（2）警示效果與傳統(tǒng)汽車水平相當；（3）能被行人和駕乘人員接受并認可為汽車的聲音。上述聲音設計邊界條件下，在傳統(tǒng)內燃機汽車車外聲音基礎上進行低速提示音設計是一種切實有效的設計方法。

搭建低速提示音系統(tǒng)，其工作原理為：當汽車行駛速度進入5～25 km/h范圍內時，CAN信息讀取模塊將從CAN總線讀取到的車況信息輸送給低速提示音系統(tǒng)控制模塊，該模塊根據車況信息從聲音文件存儲單元讀取對應的低速提示音文件，并將聲音文件輸出實現(xiàn)低速提示音播放，其原理框圖如圖6所示。為保證此方案低速提示音的實際播放效果，必須滿足以下兩個基本條件：（1）在不同車速變化過程中，聲音文件切換響應時間要足夠短，必須短于人的反應時間；（2）相鄰車速的聲音文件要進行完美的平滑過渡處理，避免突兀的聲音變化。

圖6 低速提示音控制原理框圖

3 低速提示音標準限值適應性研究

3.1 測試評價方案

以國產某純電動汽車為研究對象，其車外低速提示音系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)可發(fā)出低速提示音，依據GB/T 37153—2018《電動汽車低速提示音》國家推薦標準的整車半消聲室底盤測功機方法，在某企業(yè)內部整車半消聲室內進行試驗，具體過程為：將轉鼓調整至“車帶鼓”模式，變速器置于D擋，進行0～30 km/h加速行駛以及10和20 km/h勻速行駛的車外低速提示音測試。

在噪聲測點布置方面，車外噪聲測點按照GB/T 37153—2018《電動汽車低速提示音》的要求進行布置，如圖7所示，具體位置為車輛前端兩側距離車輛縱對稱面2 m的位置，鉛垂方向上距離地面1.2 m，這樣能夠根據低速提示音D擋工況下測試結果完成系統(tǒng)的實車調試，從而滿足國家標準法規(guī)限值的要求。與此同時，為評價電動汽車低速提示音對車內聲音品質的影響，在車內駕駛員座椅位置右耳附近布置一個傳聲器，具體位置在距離座椅縱對稱面右側0.2 m處，高度方向上距離座椅表面和靠背相交線0.7 m左右，在滿足低速提示音法規(guī)限值的系統(tǒng)調試過程中，獲取車內測點的噪聲數據信息。

3.2 車外低速提示音測點的測試結果分析

該電動汽車在0～30 km/h加速行駛過程中，車外測點測得的低速提示音頻譜如圖8所示，低速提示音在加速過程中所形成的階次成分如圖中的亮線所示。

圖7 電動汽車低速提示音車內與車外噪聲測點示意圖

圖8 車外測點低速提示音頻譜圖

10和20 km/h勻速行駛時車外測點位置的低速提示音的測試結果分別如圖9和圖10所示。由圖可見，聲壓級總值分別為54.6和63.9 dB（A），同時在每種車速下，均有兩個1 600 Hz以下的1/3倍頻程頻帶的聲音幅值不低于限值要求，具體為：10 km/h勻速行駛時，中心頻率為315和400 Hz的1/3倍頻程頻帶的聲音幅值分別為47.2 和52.4 dB（A）；20 km/h勻速行駛時，中心頻率為500和1 000 Hz的1/3倍頻程頻帶的聲音幅值分別為62.3和53.0 dB（A）。

3.3 低速提示音對車內聲音品質的影響分析

在進行0～30 km/h加速行駛過程中，同步采集了低速提示音正常工作和關閉狀態(tài)時的車內人耳位置附近聲音信號，加速行駛車內聲音頻譜對比如圖11和圖12所示?？梢钥闯觯退偬崾疽粼?5～19 km/h車速范圍內出現(xiàn)了450～500 Hz的高幅值階次聲音，在車速為16.1 km/h、頻率為456 Hz時出現(xiàn)的最大值達到51.0 dB（A）。從主觀聽覺感知角度，由于該階次聲音幅值比車內背景聲音突出，非常容易引起乘客的不舒適感和煩躁感，因此，須降低此頻率成分的低速提示音。

圖9 10 km/h勻速行駛低速提示音達標測試結果

圖10 20 km/h勻速行駛低速提示音達標測試結果

圖11 加速行駛低速提示音工作時車內測點頻譜

圖12 加速行駛低速提示音關閉時車內測點頻譜

3.4 低速提示音改進與車內聲音品質改善效果驗證

上面談到為改善低速提示音在15～19 km/h加速過程中引起的車內階次聲音，須進一步降低車外低速提示音的幅值。但根據圖10的測試結果，20 km/h勻速行駛時低速提示音剛好有兩個1/3倍頻程帶的聲音幅值不低于限值要求，且中心頻率為1 000 Hz的1/3倍頻程頻帶的聲音幅值恰好等于最低限值，因此，不能進一步降低低速提示音幅值，否則20 km/h勻速行駛時低速提示音將不能滿足GB/T 37153—2018《電動汽車低速提示音》的最低限值要求。

根據圖8的測試結果，20 km/h勻速行駛時低速提示音主要的峰值頻率為451和515 Hz，均分布在中心頻率為500 Hz的1/3倍頻程帶內（頻率范圍為447～562 Hz），同時其他倍頻程頻帶內則無明顯的低速提示音峰值頻率，這種低速提示音主要峰值能量在1/3倍頻程頻帶內分布不均勻的現(xiàn)象，導致該電動汽車在20 km/h勻速行駛時低速提示音須要以較大的聲音幅值滿足國標法規(guī)限值的要求。

因此，須更改低速提示音的控制程序，避免20 km/h車速下對應的低速提示音峰值頻率出現(xiàn)在一個1/3倍頻程頻帶內，也就是將低速提示音的頻率整體降低，在頻譜圖中體現(xiàn)為低速提示音所形成的階次成分向左移動，同時在此基礎上進一步降低車外低速提示音的幅值，得到的0～30 km/h加速行駛時車外低速提示音頻譜和車內聲音頻譜如圖13和圖14所示?？梢钥闯?，車外低速提示音在車內形成的階次成分最大幅值為：在車速為15.7 km/h、頻率為312 Hz時出現(xiàn)的最大值達到46.1 dB（A）。這比改進前降低了4.9 dB（A）。該低速提示音在車輛10和20 km/h勻速行駛時車外測點位置的低速提示音的測試結果分別如圖15和圖16所示，聲壓級總值為54.3和59.0 dB（A），同時也均存在兩個1 600 Hz以下的1/3倍頻程頻帶的聲音幅值不低于國家標準限值要求。

圖13 改進后加速行駛低速提示音車外測點頻譜

圖14 改進后加速行駛低速提示音車內測點頻譜

圖15 改進后10 km/h勻速行駛車外低速提示音測試結果

圖16 改進后20 km/h勻速行駛車外低速提示音測試結果

4 結論

首先回顧了電動汽車低速提示音的研究進展，然后探討了低速提示音國家標準法規(guī)的測試方法，主要得出如下結論。

（1）探討了低速提示音主要峰值頻率分布均勻性對車外最低限值要求和車內聲音品質的影響，通過主要峰值頻率的改進，實現(xiàn)了兼顧車外最低限值要求和車內聲音品質的低速提示音的設計。

（2）以國內某純電動汽車為研究對象，完成了車外低速提示音限值要求的達標情況測試與驗證，并分析了低速提示音對車內聲音品質的影響。結果表明，原方案低速提示音主要峰值頻率分布的不均勻，使車外低速提示音須以較高的聲壓級幅值水平才能滿足國標法規(guī)最低限值的要求，在相同的整車隔吸聲水平條件下，低速提示音會更容易傳遞至車內，進而影響車內聲音品質，引起車內駕乘人員的抱怨。

（3）通過低速提示音頻率的改進，改善了主要峰值頻率在1/3倍頻程頻帶內分布的均勻性，因而允許勻速行駛工況下車外低速提示音幅值的進一步降低，改善了低速行駛過程中車內的聲音品質，同時車外低速提示音幅值能滿足最低限值的要求。