車載獨(dú)立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)設(shè)計與評價

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(dú)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(jìn)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(dú)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(dú)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(yáng)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(dú)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(dú)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?yàn)V波優(yōu)化算法，以進(jìn)一步減小亮區(qū)失真度。為了檢驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(diǎn)處聲壓；、分別代表亮、暗區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)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?yàn)V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?yàn)V波優(yōu)化算法，可以對任意音頻信號進(jìn)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(yáng)聲器驅(qū)動信號頻域?yàn)V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(jìn)行時域?yàn)V波兩步。

1.2.1 求解揚(yáng)聲器驅(qū)動信號頻域?yàn)V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(jìn)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(jìn)行幅值與相位變換

=ei

(6)

式中：為變換后的揚(yáng)聲器驅(qū)動信號濾波系數(shù)；為幅值系數(shù)(取正實(shí)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(shí)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(yáng)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(dú)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(yáng)聲器驅(qū)動信號進(jìn)行離線濾波，而無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理。因此，為了能夠驅(qū)動獨(dú)立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)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(jìn)行實(shí)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?yàn)V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(yáng)聲器殼體

使用1.2節(jié)得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)值仿真(直接用對音頻信號進(jìn)行離線濾波)，結(jié)果顯示揚(yáng)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(shí)現(xiàn)聲音分區(qū)控制，不宜使用原車自帶的揚(yáng)聲器(車門及A柱內(nèi))，而應(yīng)將揚(yáng)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(yáng)聲器安裝在頭枕兩側(cè)，因此專門為揚(yáng)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(jìn)行有效評估。

圖1 揚(yáng)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(dú)立聲學(xué)空間原型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(主駕位與后排右側(cè)座位為兩個相互獨(dú)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(yùn)行1.2節(jié)所述的聲音分區(qū)控制時域?yàn)V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(dú)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(dú)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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?yàn)V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?yàn)V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(diǎn)外，當(dāng)控制器關(guān)閉時，座椅頭枕及揚(yáng)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(shí)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?yàn)V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(yáng)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(shí)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(qiáng)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?yàn)V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(bǔ)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(yàn)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(qiáng)。

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(shí)車設(shè)計了一套獨(dú)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?yàn)V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(dú)立的聲學(xué)空間。客觀測試顯示，聲音分區(qū)控制時域?yàn)V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。