電動汽車行人警示音系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)

徐逸誠，嚴 榮，王小剛，沈安業(yè)

（1.同濟大學，上海 201804；2.零束科技有限公司，上海 201804）

1 前言

近幾年來隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車已不再是僅僅用來滿足消費者上下班通勤使用的交通工具，人們越來越關(guān)注汽車的各種新鮮功能給駕駛者帶來的新奇的駕駛樂趣，而發(fā)動機的轟鳴聲也備受年輕人的關(guān)注。與此同時，由于石油燃料的飛速消耗和國內(nèi)油價的持續(xù)上漲外加中國對汽車尾氣排放要求的愈加嚴苛，加速了汽車行業(yè)想節(jié)能減排方向的發(fā)展，小排量和電動車勢必是未來汽車發(fā)展的方向。為了同時達到以上提到的兩個要求，汽車主動聲音管理系統(tǒng)應(yīng)運而生，而本文主要研究的是車外聲音系統(tǒng)。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2008年Stefan Kerber和Hugo Fastl提出了一種計算背景噪聲下車外聲音感知距離的算法。這種算法可用來設(shè)計車外噪聲源，實現(xiàn)在不過大增加總聲壓值的前提下提供汽車被行人察覺的可能性。2010年，日產(chǎn)為自家的行人警示音系統(tǒng)取名為Approaching Vehicles Sound for Pedestrian（VSP）system，日產(chǎn)的Heather Konet、ManabuSato在論文[2-3]中以混合動力汽車為例子，對該系統(tǒng)在內(nèi)燃機模式下和純電機模式下的噪聲進行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)不同低速下新能源汽車噪聲遠低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車。Jay Pliskow、Koorosh Naghshineh、Robert Wall Emerson、Dae Kim和Kyle Myers在論文[4]發(fā)現(xiàn)1000Hz和2000Hz范圍內(nèi)聲音對汽車接近可探測性影響更為顯著。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

反觀國內(nèi)相關(guān)研究雖然起步較晚，但是也取得了一定的成果。比如：2012年，鄭四發(fā)、連小珉等人申請一種多模式行人警示音系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)車速信號和加速度信號調(diào)節(jié)音量大小，同時也可以根據(jù)周遭的環(huán)境噪聲調(diào)節(jié)音量。利用行人檢測信號、倒車和行車信號，調(diào)用波形存儲器內(nèi)的聲音文件。2015年，陳紅、馮雨霖等人申請了一種行人警示裝置，該裝置包括距離監(jiān)測傳感器（用于檢測與行人的距離）、噪聲檢測裝置（用于檢測背景噪聲以獲得相應(yīng)的背景噪聲信號，控制其用于計算相應(yīng)的采集信號輸出提示音，揚聲器用于發(fā)聲）。該系統(tǒng)當檢測到車與行人小于設(shè)定安全值后，產(chǎn)生嘯叫。在產(chǎn)品化后，有些公司已經(jīng)開始嘗試。長春啟明信息技術(shù)股份有限公司于2014年就給一汽大眾、一汽豐田等多家公司提供了此套系統(tǒng)。

3 法規(guī)要求

中國國家標準委員會于2013年也開始著手對電動汽車低速提示音的標準制定計劃，于2016年12月完成了征求意見稿。該標準規(guī)定了提示音的聲級限值、頻率要求、聲音種類等，并在2018年12月發(fā)布了初版的GB/T 37153—2018《電動汽車低速提示音》，要求2019年7月后上市的純電動汽車必須配備AVAS系統(tǒng)，且對相關(guān)指標有了一個全面的定義，主要的技術(shù)指標如下。

1）速度范圍：在0～20km/h有效（但是實車有效車速定義為0～30km/h，保證20～30km/h這段期間，聲音有個逐漸滅的過程）。

2）1/3倍頻程至少有兩個頻帶滿足如表1的要求，且一個小于1600Hz。

表1 聲壓級法規(guī)要求

3）聲源應(yīng)隨車速變化，頻移分辨率要在0.8km/h以下。

4）整體聲壓級小于75dB。

4 行人警示音系統(tǒng)設(shè)計

行人警示系統(tǒng)設(shè)計路線如下：包含微處理器MCU、聲音播放電路、存儲電路、背景噪聲測量電路、CAN總線接口電路及電源電路。①電源電路為整個控制系統(tǒng)供電，存儲電路、聲音播放電路、背景噪聲測量電路、CAN總線接口電路分別與微處理器MCU連接；②微處理器MCU通過CAN總線獲得車輛車速、行駛狀況，以及通過背景噪聲測量電路獲取行駛環(huán)境中的背景噪聲，依據(jù)背景噪聲的大小智能地控制放大電路的增益倍數(shù)，然后選擇存儲電路中的聲音樣本并通過聲音播放電路進行播放；③聲音播放電路包括依次連接的AD轉(zhuǎn)換器、放大電路、揚聲器，其負責播放微處理器MCU篩選的聲音樣本；④存儲電路包括Flash存儲芯片及RAM存儲芯片，F(xiàn)lash存儲芯片負責存儲篩選出的評分最高的聲音數(shù)據(jù)，RAM存儲芯片負責微處理器MCU所選取的聲音數(shù)據(jù)的暫存以及播放聲音數(shù)據(jù)的存儲；⑤CAN總線接口與車輛CAN總線接口實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，由微處理器MCU讀取車速或電機轉(zhuǎn)速以及混合動力汽車驅(qū)動方式信息，來判斷是否需要開啟警示控制系統(tǒng)，當系統(tǒng)啟動時，將根據(jù)車輛運行狀況選擇所要播放的聲音；⑥背景噪聲測量電路采用噪聲測量傳感器對車輛所處的環(huán)境噪聲進行測量，并將測量結(jié)果提供給微處理器MCU，以控制聲音播放電路中放大電路的增益幅度；⑦電源電路采用DC/DC直流電源芯片，為系統(tǒng)各電路提供不同電壓。

市場上主流的AVAS實現(xiàn)方案有如下兩類：①控制器和揚聲器集成一體式（圖1）；②控制器和揚聲器分離式（圖2）。方案①的系統(tǒng)偏獨立適用于在現(xiàn)有架構(gòu)方案中進行集成的車型開發(fā)，售后維修簡單方便。方案②的系統(tǒng)更改符合現(xiàn)在中央域控的架構(gòu)方案，由核心的域控集成AVAS的算法和音源數(shù)據(jù)，將揚聲器布置于前艙進行警示音的播放。此方案方便后期的OTA升級，并在軟件迭代升級過程中實現(xiàn)更多的功能。本文主要以第②種方案為主進行研究。

圖1 集成式

圖2 分體式

4.1 揚聲器參數(shù)要求

1）靈敏度：86dBA+/-3dB SPL（1m自由場，結(jié)合安裝位置及音量需求進行調(diào)整）

2）有效頻率：F0～14kHz。

3）諧振頻率：F0：200±20Hz。

4）額定功率：10W。

5）阻抗：4±0.8Ω。

6）防塵防水：揚聲器殼體設(shè)計需要達到主機廠關(guān)于外部零部件的防塵防水要求。

7）口徑：僅AVAS功能時，口徑推薦2.5inch，為保證低頻的回放效果，建議大口徑、高功率。

4.2 布置要求

1）數(shù)量：考慮到行人警示音法規(guī)的最大聲壓級的要求，外部揚聲器需求2個。

2）布置位置：揚聲器建議裝配在車輛前部，左右對稱布置，揚聲器角度與車體結(jié)構(gòu)配合，揚聲器應(yīng)朝向正前方，前方無遮擋物（允許布置在進氣格柵后方），減少聲音大小的衰減。

5 系統(tǒng)法規(guī)試驗

可從法規(guī)要求從而得知系統(tǒng)的法規(guī)要求，本系統(tǒng)是通過半消聲室來進行系統(tǒng)的法規(guī)驗證。

5.1 試驗場地布置要求

傳聲器應(yīng)當放置在如圖3所示的P、P’位置，其到CC’線的距離為2.0m±0.05m，在地表面向上1.2m±0.02m，基準方向應(yīng)保持水平，并垂直指向車輛運行的CC。實車布置見圖4。

圖3 試驗場地布置要求

圖4 實車布置

5.2 聲壓級測試

測得的車外噪聲，需在其所包含的各個1/3倍頻程上，其中至少兩個1/3倍頻程上不小于所規(guī)定的聲級，且同時滿足對其總聲級的要求且不大于75dB。圖5中的測試數(shù)據(jù)滿足要求項。

圖5 1/3倍頻程測試數(shù)據(jù)

5.3 頻移測試

當車輛以5～20km/h范圍內(nèi)的某一速度前進時，提示音系統(tǒng)所發(fā)出的聲音中，至少有一個如圖5所規(guī)定的1/3倍頻程的頻率會隨車速的增加而變大，或隨著車速的減小而變小。該頻率的最小平均頻移速度應(yīng)滿足≥0.8%/（km/h），如同時存在多個如圖5所規(guī)定的1/3倍頻程頻率發(fā)生飄移，則只要有一個頻移符合要求即可。由圖6數(shù)據(jù)可知目前系統(tǒng)方案的頻移已經(jīng)滿足法規(guī)要求。

圖6 5km頻移采樣數(shù)據(jù)

5.4 實測數(shù)據(jù)

5km/h速度頻譜P點、P’點的實測數(shù)據(jù)分別見圖7、圖8。由圖上試驗數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論：此AVAS的系統(tǒng)方案滿足GB/T 37153的法規(guī)要求；按照法規(guī)頻移要求，此設(shè)計的系統(tǒng)方案也同樣滿足要求。

圖7 5km/h速度頻譜P點

圖8 5km/h速度頻譜P’點

6 總結(jié)

本文以研究低速行人警示音系統(tǒng)方案作為出發(fā)，以國內(nèi)外對于該系統(tǒng)研究發(fā)展和現(xiàn)狀作為依據(jù)，根據(jù)2018年新出臺的GB/T 37153法規(guī)要求設(shè)計試驗方法系統(tǒng)進行驗證，設(shè)計出一套滿足法規(guī)要求的行人警示音系統(tǒng)。