关于汽车声学设计的初步总结

相信很多男生在青春期都看过《头文字D》这部电影，我也不例外。整个剧情虽然很模糊了，但其中一个场景让我难以忘记，一个反派头目打开引擎盖，听着发动机的咆哮犹如听交响乐般享受的表情。这个镜头给我整个高中时代留下非常深刻的映像，因为当时我特别不理解，为什么电影里面的这个角色会沉醉于在我当时看来就是噪声的声音中。这个镜头就像一个定时运行的程序，时不时地会在我的大脑里运行一遍。

兜兜转转，后来当上了汽车NVH工程师，经过多年对汽车的测试与调校，一直埋藏在心里的这个问题终于拨云见日。所谓汽车引擎“咆哮”，实际上只是声音达到人耳的最终响应。然而，为了让受众群体感受到愉悦，实质上是需要汽车工程师或者汽车调校员从汽车开发最底层机械设计与开发开始，到声音的产生机理研究，再到最终受众者的心理情感调查，并在这庞大的体系中整合各项性能，付诸大量的工作和心血。而汽车行业发展到今天为止，大多数汽车企业仍然还只是在探索各种办法把汽车引擎的噪声辐射减小，如果想进一步让引擎的声音让人听起来“享受”，实际上难度是非常大的，这对于一个汽车产品来说前期投入成本也是非常高的。至此，我才开始理解为什么电影里的这个人，在把他的车改装后，会在发动机的声音中感到莫名的快感。

不过电影终归还是电影，它虽然源于生活，但很多内容实际上是经不起推敲的。比如说，发动机声音是否“咆哮”实际上和汽车的动力性其实并不正相关。但尽管如此，我们在生活中仍然还是经常在路上看到把自己低排量汽车进行消声器改装，并且将出气口管改成管弦乐器的车主，而且，这些大胆的“民间艺术家”不乏大有人在。气人的是，有的时候还不得不承认，其中一些改装过的车的声音，还真的是好听。



我相信，曾经年少有过汽车梦想的男孩，多多少少都会对这样的优美地咆哮声着迷，各位之所以嗤之以鼻，我觉得还是因为碍于情面，或者腰包太瘪，不敢或无法尝试罢了。但无论怎样，这也进一步告诉我们，汽车发出的声音，确实是可以做为一类情感因素来影响到消费者的。

现代汽车工业也进入到了一个多元世界，竞争越来越大，汽车新势力也开始崛起，个性化的汽车产品开始成为现在年轻消费者的宠儿。特别是汽车电气化越来越普遍之后，汽车产品新的用户感知和体验会成为新的焦点，而汽车声音作为个性化情景之一，想必在未来几年汽车行业会得到高度重视。而对于汽车工程师来说，这部分工作也极具创造性。

最近尝试使用了西门子SimcenterTM Testlab针对汽车行业最新推出的声学设计平台Sound Designer，再加上曾经在主机厂从事过类似工作，总结下来，基于Testlab Sound Designer平台，其确实是有多个方面是值得思考和借鉴的。

本文基于过往经验及TesltabSound Designer的使用，先对汽车Sound Designer工作实施各个层面的主要内容先做总结概述，因为每一个层面涉及的内容均比较系统化，后续有时间再进一步介绍：

1.汽车SoundDesigner可实施的路线

车外声学辅助（AVAS）

该路线主要针对新能源汽车展开，这是因为新能源汽车在低速行驶时噪声太小，这会降低路上行人的警觉性进而存在交通安全隐患。基于上述原因，各国也制定相应的法规要求并陆续颁布（欧洲、日本UN/ECE R138，美国FMVSS 141，中国GB/T 37153）。将来新能源汽车行驶过程中的车外噪声确认，是其能否上市的强制性条件，因此新能源汽车工程师需要提前应对并做好相应技术储备。

其次，法规仅对低速行驶时的车外最小噪声以及变速时的声音移频做了较为宽泛的要求，对于有心的汽车企业来说是，这是一个契机，因为可以在满足法规的要求下创造一个极具个性的可识别的自有品牌专属声音，这在品牌情感建设上是非常有意义的。就像你现在脑海中突然听到一个男人咳嗽声，它可能并不是真正的咳嗽声，有可能是腾讯QQ有人加你好友的提示音。


来源：盖世汽车

车内声学设计增强

首先源于新能源汽车加速或高速工况过于安静，使得驾驶员的听觉感受与汽车真实状态相关性不高，存在安全隐患；其次，内燃机噪声掩盖作用的缺失，导致其他附件噪声及异响更容易凸显。声学增强技术的首要目的是有效解决以上两个问题。

进一步，新能源汽车车内声学设计有较大的自由度，即可以借鉴现有的燃油车的声学特性进行对标设计，也可以完全凭空创造性的设计一个独立的声音。当然，设计开发人员可以同时设计多个方案以满足消费者各种需求，比如：当车辆切换成运动模式之后，反馈的声音更加具备侵略性，而切换成舒适模式后，反馈的声音则相对温柔。

相比于新能源汽车，该技术在传统燃油车上的实施自由度则小得多，因为只能在现有车内噪声的基础上做相应的调整。但不论针对哪种类型的汽车，车内声学设计技术的导入，一方面可以引入掩蔽效应解决相关工程问题，同时还可以有效提升汽车个性化内容来面对未来的个性化市场。

2.汽车SoundDesigner方法逻辑

汽车声学设计面向的对象不同，可实施的方法亦有所不同。西门子SimcenterTM Testlab Sound Designer平台提供了两种声学设计方法：

a. 阶次合成法（Order Synthesis），该方法可实施于新能源汽车用于模拟传统燃油汽车的声音，也可以施加于普通传统燃油车上，使得车内声学特性更加丰富。



b. 粒子合成法（GranularSynthesis），该方法主要用于新能源汽车，用户可基于自然中任意存在的声音，基于乐理知识进行自主音效合成，因此该方法的自由度更大，需要声学设计工程师更富有创造性。



确定声学设计方法后，为保证人为设计的声音在汽车行驶中表现出来得足够自然，还要考虑油门开度的深浅，车速的快慢，扭矩的大小等因素的影响，因为实车环境中它们之间的相互作用瞬息万变，其表现出来的声音特性也会不尽相同。因此，声音设计时应该将这些变量作为输入条件。西门子SimcenterTM Testlab Sound Designer平台针对这个问题，主要从3个逻辑层面展开设计，各个层面逐渐推进并且层层叠加。

a. 车速：不仅是因为相关标准对相应车速下的主动发声特性做了相关限定，其次在没有发动机转速作为参考的情况下，车速快慢是对新能源汽车声学频移特性的一个非常重要的参考指标。

b. 扭矩：扭矩的大小与声音音量的强弱相关很强，而扭矩的大小又取决于油门开度，因此，扭矩与油门开度这两个指标也要作为声音设计的参考因素。值得注意的是，一般汽车在行驶的过程中，油门开度与扭矩输出是存在一定的时间迟滞的，这与车辆传统燃油车的特性和前期标定有关，因此，为了使声音反馈给驾驶员的感受更加符合汽车操控的预期，在进行声音设计，油门开度与扭矩输出之间的时间迟滞也需要考虑进去。

c. 细节增强：就像绘画一张图片，画完基底，还得用细节去润色。细节增强就是基于上述两个层面完成声音设计后，再额外添加一些声音以保证整个声音片段更加真实和自然。诸如，低频噪声的保留、声音频率随发动机转速或车速的变化速率、音量播放强弱是否需要随速度或油门开度的改变而呈线性增大或减小等等，这些因素会对不声音表现出来质感起到重要影响，因而，工程师需要针对特定听觉感受做更细节的调整。

3.汽车SoundDesigner调试软硬件配套方案

研发阶段

声学设计均需要包含以下几个模块：

a. 车辆信息采集单元：实时获取车辆车速，发动机转速，扭矩，油门开度等信息。一般都是通过汽车CAN bus总线中获取；

b. 声学设计调试系统：实时汇总并处理车辆信息采集单元过来的信号，并将设计完成的声音文件基于车辆信息推送至声音播放单元；

c. 声音播放单元：播放对应工况下已设计完成的声音。

由于前期设计创建的音频文件一般都是通过耳机或音响系统播放和评价的，这与在实车状态下听觉感受是有区别的。工程师还需要花大量的时间在实车上进行微调，以达到最优的效果。因此，一套合格的声学设计系统，除了可以完成音频文件的闭环推送播放，应该可以让研发工程师在进行实车评价时，实时调整声音设计内容的能力。

量产阶段

对于主机厂来说成本控制非常重要，设计出来的声音搭载应尽量减少额外支出，最好能够烧进现有汽车已经搭载的多媒体系统内。这就需要声学设计软件系统输出的声学文件能够与汽车多媒体系统供应商相兼容。



4、汽车Sound Designer声品质评价

汽车声音设计还需要开发工程师有一定的声品质的开发工程经验。



一方面是确认设计出来的声音是否满足消费者个性化需求。可靠的主观评价分析，一般通过评审团评价（JuryTesting）结果进行统计，该方案可以为各类声音针对不同人群的偏好以及对应的声音特质进行相关研究。

另一方面，工程师可进一步针对相关特质的声音进行客观分析并将其对应指标锁定下来，即可形成开发体系以降低产品开发成本，甚至可以将其进行专利申请形成只有品牌独有的声音。

5、汽车Sound Designer目标确定

针对车外声学辅助（AVAS）需要满足相应标准要求，为提高研发效率，声学设计软件最好能够集成目标确定模块。



其中，值得我们注意的是，法规标准要求的是在汽车搭载AVAS系统进行通过噪声测试时，对应车外麦克风所采集到的声音，而非汽车音响源头播放出来的声音。基于传递路径分析原理可知，汽车AVAS音响放置于车辆位任何一个位置，其音源到麦克风之间的传递函数均会有所不同。这就需要工程师在进行声学设计前期，基于各项性能数据对所设计的声音进行相关调整以满足相应法规需求。

以上，是在使用西门子SimcenterTM Testlab Sound Designer（TL SD）一段时间后，并结合我过往的工程经验，将我认为比较有意义的地方所做的初步总结。声学设计对大多数汽车企业来说都是比较新颖的领域，这是一片充满生机的蓝海市场，它也为一个声学工程师的想象力和创造力提供了一个极大的空间。

最后，附上我模仿经典科幻电《银翼杀手》，基于一个声音片段设计出来的声音，我认为这是我心目中的具有科幻感的电车声音，以下献丑：



作者简介
蒋忠翰，重庆大学硕士，现任西门子Simcenter Testlab应用支持高级工程师，曾在某主机厂从事汽车NVH及声品质开发多年，具有丰富的相关工程经验。