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(tuán)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(jī)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(jī)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。
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(yáng)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(jìn)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(jìn)制數(shù)字信號),并通過一定的算法對二進(jìn)制信號進(jìn)行修正、刪除、強(qiáng)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(bǔ)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(yáng)聲器進(jìn)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(yáng)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
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(yáng)聲器的選型、數(shù)量及布置方案對音效設(shè)計影響較大。
音源文件從MPU解碼到人耳收聽的整個過程中,揚(yáng)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(yáng)聲器分為:電動式揚(yáng)聲器、電磁式揚(yáng)聲器、靜電式揚(yáng)聲器、壓電式揚(yáng)聲器。車載系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是電動式錐形紙盆揚(yáng)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(yáng)聲器又分為: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。低音揚(yáng)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(yáng)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(yáng)聲器要求有較高的品質(zhì)。高頻揚(yáng)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(yáng)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(yáng)聲器組合效果,成本也較高,但相位準(zhǔn)確,音場比較好。
在音效設(shè)計時,需結(jié)合實際需求,選擇不同的揚(yáng)聲器組合。當(dāng)前市場最常見的6揚(yáng)聲器車型配置中前門各兩路高低音或兩路高音+全頻揚(yáng)聲器,后門兩個全頻揚(yáng)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(yáng)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
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(yáng)聲器通道音源輸出等營造不同的聲學(xué)效果。
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)?;疽粜У恼{(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(qiáng)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(qiáng)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。
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(qiáng)音效,如:環(huán)繞立體聲、乘客側(cè)音效增強(qiáng)、駕駛側(cè)音效增加、影院模式等,增強(qiáng)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(jìn)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(yáng)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(qiáng)型音效設(shè)計時,以駕駛側(cè)音效增強(qiáng)為例,通過控制車門左右側(cè)揚(yáng)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(qiáng)的效果。
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。
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(jī)、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
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(jìn)方案提供商優(yōu)化音頻方案,帶來更好的音頻體驗。
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。