淺析車載音頻系統(tǒng)設(shè)計與評價標(biāo)準(zhǔn)

劉碧波，陶首佳，秦 漢，閆 凱，曾俊偉，程長春

（1.湖北億咖通科技有限公司，湖北 武漢 430056；2.上海汽車集團股份有限公司零束軟件分公司，上海 201800）

車輛作為現(xiàn)代生活中的“第三”空間，使用環(huán)境相對枯燥、封閉，讓用戶對于娛樂出行提出了更高的期望，在AI、5G等行業(yè)因素的影響下，智能座艙概念的悄然興起，車載視聽內(nèi)容不斷豐富，伴隨式音頻使用成為主流，有調(diào)查結(jié)果顯示，96%智能車機用戶在過去一月內(nèi)使用過車載音樂或音頻服務(wù)，遠(yuǎn)超智能車機提供的其它娛樂功能。車載音頻也成為了行業(yè)關(guān)注的熱點，建立一套高效的音頻系統(tǒng)設(shè)計方案及合理的評價標(biāo)準(zhǔn)，能給音頻開發(fā)工程師提供設(shè)計參考，提升用戶體驗。

1 系統(tǒng)架構(gòu)組成

圖1為車載音頻系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡圖。車載音頻系統(tǒng)主要包含：MPU、Tuner、DSP、AMP、揚聲器、低音炮等幾個模塊，MPU作為中央處理器，在音頻處理時主要用來解碼，通常采用軟解方式對在線或本地的音頻文件進行解析，并通過I2S總線輸出音頻流。DSP是音效處理核心模塊，接收MPU端輸入的音頻流（二進制數(shù)字信號），并通過一定的算法對二進制信號進行修正、刪除、強化，此外DSP具有可編程性，可以通過延時、相位差等方式動態(tài)地補償聲場，營造不同的音效效果。通常經(jīng)DSP處理后的音頻由4常規(guī)聲道輸出到功放，功放通過高通、低通濾波處理后分左右聲道音源及重低音分別給低音炮和揚聲器進行發(fā)聲。根據(jù)市場調(diào)研，當(dāng)前最常見一些主流中低端車型均為6揚聲器配置，本篇也圍繞此配置切入展開音頻系統(tǒng)的設(shè)計分析與評價。

圖1 車載音頻系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡圖

2 音場布置方案

音效影響因素有很多，常見中低端車型大都內(nèi)置4通道DSP，從圖1硬件框架分析，揚聲器的選型、數(shù)量及布置方案對音效設(shè)計影響較大。

2.1 揚聲器的種類選擇

音源文件從MPU解碼到人耳收聽的整個過程中，揚聲器主要將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號，對音效體驗影響非常重要，常見的揚聲器分為：電動式揚聲器、電磁式揚聲器、靜電式揚聲器、壓電式揚聲器。車載系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是電動式錐形紙盆揚聲器，主要由3部分組成。

1）振動系統(tǒng)，包括錐形紙盆、音圈、定心片等。

2）磁路系統(tǒng)、包括磁體、導(dǎo)磁板等。

3）輔助系統(tǒng)，包括盆架、防塵蓋等。

從音頻頻率上，揚聲器又分為：低音揚聲器、中音揚聲器、高音揚聲器、全頻帶揚聲器。低音揚聲器（20～200Hz）通?？趶捷^大，承受的輸入功率較大，在重放低頻信號時，下限可以盡量向下延伸，低頻音質(zhì)更好。中頻揚聲器（200Hz～2.5kHz）主要銜接低頻和高頻，另外由于人耳的收聽頻率主要集中在中頻頻段，中頻揚聲器要求有較高的品質(zhì)。高頻揚聲器（2.5～20kHz）的性能基本和中頻一致，但上限頻率要求達(dá)到人耳聽覺的上限20kHz，口徑一般較小，重放時獲取上限頻段更高。全頻揚聲器幾乎可以覆蓋低、中、高頻段，頻率響應(yīng)的帶寬和平直性劣于低、中、高揚聲器組合效果，成本也較高，但相位準(zhǔn)確，音場比較好。

2.2 揚聲器的數(shù)量及布置方案

在音效設(shè)計時，需結(jié)合實際需求，選擇不同的揚聲器組合。當(dāng)前市場最常見的6揚聲器車型配置中前門各兩路高低音或兩路高音+全頻揚聲器，后門兩個全頻揚聲器，根據(jù)實際聽音調(diào)試效果，推薦方案如圖2所示。前門高低音+后門全頻揚聲器，不同音頻通道搭配，有利于后期DSP聲學(xué)算法的設(shè)計。

圖2 推薦方案

3 聲學(xué)效果設(shè)計

音效調(diào)節(jié)主要依賴于DSP軟件實現(xiàn)，當(dāng)調(diào)試樣車就緒后，首先會先用高精度麥克掃描整車的頻響，然后根據(jù)曲線調(diào)整DSP參數(shù)及相位并控制不同揚聲器通道音源輸出等營造不同的聲學(xué)效果。

3.1 EQ音效調(diào)節(jié)

在中控多媒體系統(tǒng)中，EQ均衡器設(shè)置主要是開放給用戶用以自定義音效調(diào)節(jié)，大多數(shù)OEM也會提供一些調(diào)校好的基本音效（流行/古典/爵士/舞臺等）。基本音效的調(diào)校主要是調(diào)節(jié)不同頻率對應(yīng)的響度，可參考圖3。

圖3 音效調(diào)節(jié)

頻響的音感特征分析如下。

1）40Hz能控制雷聲、低音鼓、管風(fēng)琴和貝司的聲音，適當(dāng)?shù)捻懚葧@得聲音強而有力，過度提升會使音樂變得混濁不清。

2）80Hz附近能產(chǎn)生極強的“重感”效果，響度很高也不會給人舒服的感覺，在調(diào)音時如需獲取重低音震撼效果，可以增加5dB。

3）500Hz左右主要體現(xiàn)中音，合適的響度會顯得人聲渾厚有力，提升2～4dB給人親切感和縱深感。

4）1kHz人耳較為敏感頻點，此頻點調(diào)節(jié)一般較少，過度提升則會使聲音具有金屬感并產(chǎn)生聽覺疲勞。

5）5kHz具有臨場感的頻段，提升此頻點，能使聽者感覺與聲源的距離拉近，反正衰減此頻點，則會營造出距離感。

6）16kHz主要控制聲音的明亮度、清晰度，過渡提升聲音顯得宏亮但不清晰，適當(dāng)衰減則可以增加音源的清晰度。

3.2 增強音效設(shè)計

除了EQ自定義音效調(diào)節(jié)，通常OEM還會提供一些高端增強音效，如：環(huán)繞立體聲、乘客側(cè)音效增強、駕駛側(cè)音效增加、影院模式等，增強型音效有以下幾個基本影響因素。

1）聲道延遲

將音頻信號延遲后釋放，對不同聲道進行不同的延遲，就可以控制音頻的焦點，營造一定的立體聲效果。

2）相位控制

將同一歌曲有差異的部分分配到不同的聲道L/R，車內(nèi)播放時就可以讓左右耳聽音效果不同。

3）聲像定位

提高低頻部分就能讓聲音聽起來灰暗而偏下方，提高高頻的音量可以讓聲音明亮而偏向上方，高低頻音量的改變可以讓聲像上下分層。

聲像的遠(yuǎn)近是通過混響效果實現(xiàn)的，通過調(diào)整直達(dá)原音和反射音和混響的音量比例來體現(xiàn)聲源的遠(yuǎn)近。在實際的音效設(shè)計中，也可以根據(jù)揚聲器的位置，控制音量大小，來模擬實現(xiàn)不同的發(fā)聲方向。

在增強型音效設(shè)計時，以駕駛側(cè)音效增強為例，通過控制車門左右側(cè)揚聲器發(fā)聲延遲，使以駕駛員為中心的位置左右聲源同時到達(dá)；另外若原始音頻左右聲道無差異，則可以控制左右兩側(cè)相位的疊加，最終達(dá)到音效增強的效果。

4 音效評價體系

音效評價是主觀行為，可以通過對聽音環(huán)境、音效效果設(shè)定一些量化標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到相對客觀的評價結(jié)果，給音頻系統(tǒng)設(shè)計帶來參考。

4.1 音效評價環(huán)境要求

音效評價環(huán)境有3要素：場地環(huán)境、試音人員、音源選擇。選擇標(biāo)準(zhǔn)的評價環(huán)境可以減少外部干擾，有助于評價結(jié)果的公正。

1）場地要求：可以選擇安靜的室內(nèi)停車場或無背景噪聲的開闊場地，要求環(huán)境噪聲小于40dB（相當(dāng)于人耳語聲音），試聽期間，關(guān)閉車窗，保證音場不受外界干擾。

2）人員要求：保持愉悅的情緒，聽覺靈敏，試聽期間乘坐位置保持正常坐姿。

3）音源要求：建議采用U盤無損音樂，推薦音樂格式有MP3/FLAC/WAV/AAC等格式，DJ調(diào)制版、音樂發(fā)燒友販制及IHU主機、APP自帶音源大多品質(zhì)參差不齊，大多均為有損音源，不做推薦。推薦音效評價音源列表詳見表1。

此外，試音音量推薦調(diào)至音量條1/3～2/3的狀態(tài)最佳，如中控多媒體系統(tǒng)音量最大為40，則試音音量調(diào)節(jié)至12～26。

表1 音效評價音源表

4.2 音效評價基準(zhǔn)

當(dāng)前一些知名音頻方案提供商Arkamys、DTS、杜比，包括一些DSP芯片提供方及網(wǎng)絡(luò)音樂APP端均能提供一些豐富的音頻效果，但是由于音頻體驗的主觀性，加之試音的專業(yè)性，導(dǎo)致在評價同一套音效效果時，經(jīng)常出現(xiàn)意見不一的情況，以下為參照表1曲目，綜合不同音頻特征制定的音效評價打分表，詳見表2。

表2 音效評價打分表

按上述表格制定統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范評價體系，有助于OEM相對客觀打分評價，提供依據(jù)促進方案提供商優(yōu)化音頻方案，帶來更好的音頻體驗。

5 結(jié)束語

音頻系統(tǒng)主要依賴于聽眾的主觀體驗，軟件算法、硬件選型、試音環(huán)境等眾多因素均會影響聽音效果，此外，各類方案提供商的評價標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，缺乏客觀統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。本篇從硬件框架、軟件聲學(xué)效果設(shè)計及聽音評價標(biāo)準(zhǔn)等3個維度展開論述，提供通用的車載音頻設(shè)計評價體系，給后繼其他設(shè)計人員提供參考借鑒。