电动汽车低速提示音系统的法规适应性研究

［摘要］本文首先阐述了国家标准规定的电动汽车低速提示音调试方法和过程，并重点论述了低速提示音频谱能量分布对车外噪声最低限值和车内声音品质的影响，提出了一种低速提示音声品质评价方法。测试评价结果表明，通过改进低速提示音在车速变化过程中频谱能量的分布，实现了法规最低限值和车内声品质的兼顾，能更全面地考察低速提示音对整车NVH性能的影响。

前  言

由于电动汽车取消了发动机，增加了驱动电机、逆变器和电动水泵等总成，且驱动电机噪声远低于发动机噪声，使电动汽车车外辐射噪声明显低于传统内燃机汽车，特别当电动汽车低速行驶时，其车外噪声声压级明显低于传统汽车相同行驶工况下的车外噪声水平，不易被周围行人察觉而可能发生碰撞事故，带来了一定的安全隐患。为此，世界上主要国家和地区相继研究并起草了相关标准，要求电动汽车在低速行驶时车外必须发出警示声音，在某些车速下噪声必须达到最低限值要求，BMW 公司的Vegt详细对比分析了主要国家和地区的低速提示音相关法规及草案提出的测试方法和车外噪声最低限值要求。

从2014年开始，我国汽车标准化技术委员会先后数次组织国内主要主机厂和零部件供应商，进行相关标准的起草和修订。目前已形成 GB/T 37153—2018《电动汽车低速提示音》国家推荐标准，规定了以10和20 km/h车速匀速行驶时车外噪声1/3倍频程最低声压级和总值最低限值，如图1所示；标准要求其中至少有两个1/3倍频程上不小于所规定的声压级，且满足总声压级的限值要求；同时还对频移提出了明确要求，即低速提示音要包含与传统内燃机汽车车外噪声中发动机阶次声音类似的、随车速增加（或减小）频率变大（或变小）的声音元素，这对于以声音为主要反馈信息的盲人来说具有十分重要的意义，他们能据此判断出汽车的行驶状态（加速、减速和匀速）。


图1 匀速行驶车外噪声1/3倍频程最低声压级和总值最低限值要求

1  低速提示音设计研究进展

日产汽车公司的Konet等对低速提示音设计进行了大量的研究，首先提出了低速提示音概念设计目标：（1）声音的某些频率随车速线性变化；（2）对行人的警示作用要达到传统内燃机汽车水平；（3）能在各种背景声音下被行人（特别是儿童和老人）所辨识，同时能保持安静的车内和车外噪声环境；（4）声音要有未来感，同时能被认可为汽车的声音。

在此基础上，考虑60岁以上老人在不同频率范围内的听力损失和听力正常人群的声音灵敏度，结合实际道路环境下背景噪声峰值频率的试验研究，总结出低速提示音设计指导原则：（1）在600～800 Hz频率范围内设计噪声峰值，使在2 000～4 000 Hz高频范围内有听力损失的老人更容易察觉到警示声音；（2）在2 000～5 000 Hz频率范围内设计噪声峰值，以保证有正常听力的行人能够察觉到警示声音；（3）减少1 000 Hz附近噪声值，以减少对周围环境和车内噪声的贡献。根据以上设计原则，形成了图2所示的“双峰（twin peaks）”形状的低速提示音频谱曲线。


图2 日产电动汽车低速提示音“双峰”设计方案

为让低速提示音被认可为汽车的声音，同时满足声音频率随车速线性变化的要求，日产公司的工程师和范德比尔特大学医学中心心理声学领域专家、好莱坞声音设计师成立了专门声音设计团队，在上述设计原则的框架下，合成出100多个声音样本，通过典型背景环境下警示效果测试和消声室环境车内噪声性能评价，确定了日产Leaf电动汽车前进行驶时低速提示音的最终方案。该方案低速提示音不仅能够保证与传统汽车相当的警示效果，同时还能获得比传统汽车更加安静的车内噪声水平，主要的突出特点是：（1）在800 Hz以下的频率范围内增加了“调制”声音；（2）在2 000～3 000 Hz高频范围内设计了虚拟阶次声音。

Leaf电动汽车的VSP（vehicle sound for pedestrians）系统发声策略如图3所示：（1）当车辆静止时，VSP不发声；（2）变速器置于D挡，释放制动踏板启车瞬间，VSP发出幅值较大的“启车”声音；（3）0～30 km/h车速范围内，VSP发出前进挡低速提示音；（4）当车速超过30 km/h时，VSP进行淡出处理，声音幅值逐渐变小并消失，当车速减至25 km/h时，进行淡入处理，声音幅值渐渐变大至正常；（5）当车速为0时，VSP不发声；（6）变速器由D挡切换至R挡并释放制动踏板，车辆倒车行驶，VSP发出倒车警示声音。

为提高低速提示音的警示效果，Leaf电动汽车VSP系统在启车瞬间发出较大的“启车”声音，从而产生车外声音幅值陡增现象，与传统汽车相比，这种突如其来的声音虽然可能会吓到行人，但能加强声音的警示效果，行人在通过十字路口过程中可据此有效判断车辆行驶路线（直行或转弯），减少撞车事故发生，如图4所示。


图3 日产电动汽车低速提示音发声策略


图4 启车瞬间发出较大的“启车”声音对行人警示作用示意图

Zeitler［7］结合BMW 公司低速提示音的开发经验和美国国家公路交通安全管理局对不同类型声音的分析结果，详细探讨了低速提示音的设计方向：一方面，人工合成的警示声音具有很好的警示作用，但同时会对周围环境产生负面影响；另一方面，在人们的认知中，发动机声音代表着汽车的声音，因此人们更愿意接受发动机声音，但受限于布置空间而采用的小体积扬声器难以保证100 Hz以下低频成分声音的播放效果。因此，Zeitler认为如何平衡声音的警示效果和可辨认性是低速提示音设计的关键，据此提出电动汽车低速提示音要包含两种成分：（1）一组具有突出幅值的随车速变化的频移成分（与发动机阶次声音类似），以警示行人车辆当前的行驶状态；（2）具有一定幅值的宽频带的基础声音成分，以帮助行人定位车辆，同时还能表征品牌特征，如图5所示。


图5 BMW 公司电动汽车低速提示音设计理念

亚琛工业大学的Fortino等认为低速提示音设计必须遵循以下基本原则：（1）被认可为汽车的声音；（2）具有非常好的警示效果；（3）能被广泛接受和认可。他们采用的低速提示音方案为：在传统汽车动力系统声音的基础上添加其他声音成分，既能与传统汽车声音类似，又能与之不同；当处于启车准备状态时，车辆会发出平静的心跳声，以告知周围的行人这辆车是“活着的”，可能会随时启车。该低速提示音系统包括1个功放和3个扬声器，扬声器布置方案如下：车前侧布置1个中高频扬声器，用于发声警示车辆前方行人，同时每个后轮的前侧各布置1个中低频扬声器，用于改善前进挡行驶低速提示音品质，以及倒车行驶时警示行人。这种多扬声器的布置方案可有效改善声音来源的单一性，使整个低速提示音更加真实。

西班牙阿利坎特大学Pedro等分析认为背景声音环境对行人警示声音的警示效果和行人的判断存在较大影响，增加行人警示声音的谐频成分可缩短行人的反应时间，同时也会增加对周围行人和环境的声音干扰。此外，他们认为在传统发动机声音的基础上适当增加一些高频的纯音成分是最佳的行人警示声音方案，能同时兼顾警示效果和对周围环境的影响。

Rosplesch等系统性地介绍了电动汽车车外行人警示声音系统，指出了行人警示声音的开发目标：（1）以最小的噪声水平满足法规最低幅值限值和频移要求；（2）车外能带来愉悦感的声音感受，同时还要保证对车内声音无干扰。最终通过综合控制影响整车行人警示声音性能的主要敏感变量（扬声器布置位置、声音传递路径与传递函数和行人警示声音设计等）实现上述开发目标。

Bodden等认为电动汽车行人警示声音具有品牌辨识度非常重要，指出在行人警示声音开发过程中要关注法规适应性和声音品牌特征的设计。

2  低速提示音设计方法探讨

从当前研究现状和进展总结出设计低速提示音应至少遵循以下原则：（1）必须包含随车速线性变化的阶次声音成分；（2）警示效果与传统汽车水平相当；（3）能被行人和驾乘人员接受并认可为汽车的声音。上述声音设计边界条件下，在传统内燃机汽车车外声音基础上进行低速提示音设计是一种切实有效的设计方法。

搭建低速提示音系统，其工作原理为：当汽车行驶速度进入5～25 km/h范围内时，CAN信息读取模块将从CAN总线读取到的车况信息输送给低速提示音系统控制模块，该模块根据车况信息从声音文件存储单元读取对应的低速提示音文件，并将声音文件输出实现低速提示音播放，其原理框图如图6所示。为保证此方案低速提示音的实际播放效果，必须满足以下两个基本条件：（1）在不同车速变化过程中，声音文件切换响应时间要足够短，必须短于人的反应时间；（2）相邻车速的声音文件要进行完美的平滑过渡处理，避免突兀的声音变化。


图6 低速提示音控制原理框图

3  低速提示音标准限值适应性研究

3.1  测试评价方案

以国产某纯电动汽车为研究对象，其车外低速提示音系统处于正常工作状态可发出低速提示音，依据GB/T 37153—2018《电动汽车低速提示音》国家推荐标准的整车半消声室底盘测功机方法，在某企业内部整车半消声室内进行试验，具体过程为：将转鼓调整至“车带鼓”模式，变速器置于D挡，进行0～30 km/h加速行驶以及10和20 km/h匀速行驶的车外低速提示音测试。

在噪声测点布置方面，车外噪声测点按照GB/T 37153—2018《电动汽车低速提示音》的要求进行布置，如图7所示，具体位置为车辆前端两侧距离车辆纵对称面2 m的位置，铅垂方向上距离地面1.2 m，这样能够根据低速提示音D挡工况下测试结果完成系统的实车调试，从而满足国家标准法规限值的要求。与此同时，为评价电动汽车低速提示音对车内声音品质的影响，在车内驾驶员座椅位置右耳附近布置一个传声器，具体位置在距离座椅纵对称面右侧0.2 m处，高度方向上距离座椅表面和靠背相交线0.7 m左右，在满足低速提示音法规限值的系统调试过程中，获取车内测点的噪声数据信息。

3.2  车外低速提示音测点的测试结果分析

该电动汽车在0～30 km/h加速行驶过程中，车外测点测得的低速提示音频谱如图8所示，低速提示音在加速过程中所形成的阶次成分如图中的亮线所示。


图7 电动汽车低速提示音车内与车外噪声测点示意图


图8 车外测点低速提示音频谱图

10和20 km/h匀速行驶时车外测点位置的低速提示音的测试结果分别如图9和图10所示。由图可见，声压级总值分别为54.6和63.9 dB（A），同时在每种车速下，均有两个1 600 Hz以下的1/3倍频程频带的声音幅值不低于限值要求，具体为：10 km/h匀速行驶时，中心频率为315和400 Hz的1/3倍频程频带的声音幅值分别为47.2 和52.4 dB（A）；20 km/h匀速行驶时，中心频率为500和1 000 Hz的1/3倍频程频带的声音幅值分别为62.3和53.0 dB（A）。

3.3  低速提示音对车内声音品质的影响分析

在进行0～30 km/h加速行驶过程中，同步采集了低速提示音正常工作和关闭状态时的车内人耳位置附近声音信号，加速行驶车内声音频谱对比如图11和图12所示。可以看出，低速提示音在15～19 km/h车速范围内出现了450～500 Hz的高幅值阶次声音，在车速为16.1 km/h、频率为456 Hz时出现的最大值达到51.0 dB（A）。从主观听觉感知角度，由于该阶次声音幅值比车内背景声音突出，非常容易引起乘客的不舒适感和烦躁感，因此，须降低此频率成分的低速提示音。


图9 10 km/h匀速行驶低速提示音达标测试结果


图10 20 km/h匀速行驶低速提示音达标测试结果


图11 加速行驶低速提示音工作时车内测点频谱


图12 加速行驶低速提示音关闭时车内测点频谱

3.4  低速提示音改进与车内声音品质改善效果验证

上面谈到为改善低速提示音在15～19 km/h加速过程中引起的车内阶次声音，须进一步降低车外低速提示音的幅值。但根据图10的测试结果，20 km/h匀速行驶时低速提示音刚好有两个1/3倍频程带的声音幅值不低于限值要求，且中心频率为1 000 Hz的1/3倍频程频带的声音幅值恰好等于最低限值，因此，不能进一步降低低速提示音幅值，否则20 km/h匀速行驶时低速提示音将不能满足GB/T 37153—2018《电动汽车低速提示音》的最低限值要求。

根据图8的测试结果，20 km/h匀速行驶时低速提示音主要的峰值频率为451和515 Hz，均分布在中心频率为500 Hz的1/3倍频程带内（频率范围为447～562 Hz），同时其他倍频程频带内则无明显的低速提示音峰值频率，这种低速提示音主要峰值能量在1/3倍频程频带内分布不均匀的现象，导致该电动汽车在20 km/h匀速行驶时低速提示音须要以较大的声音幅值满足国标法规限值的要求。

因此，须更改低速提示音的控制程序，避免20 km/h车速下对应的低速提示音峰值频率出现在一个1/3倍频程频带内，也就是将低速提示音的频率整体降低，在频谱图中体现为低速提示音所形成的阶次成分向左移动，同时在此基础上进一步降低车外低速提示音的幅值，得到的0～30 km/h加速行驶时车外低速提示音频谱和车内声音频谱如图13和图14所示。可以看出，车外低速提示音在车内形成的阶次成分最大幅值为：在车速为15.7 km/h、频率为312 Hz时出现的最大值达到46.1 dB（A）。这比改进前降低了4.9 dB（A）。该低速提示音在车辆10和20 km/h匀速行驶时车外测点位置的低速提示音的测试结果分别如图15和图16所示，声压级总值为54.3和59.0 dB（A），同时也均存在两个1 600 Hz以下的1/3倍频程频带的声音幅值不低于国家标准限值要求。


图13 改进后加速行驶低速提示音车外测点频谱

图14 改进后加速行驶低速提示音车内测点频谱


图15 改进后10 km/h匀速行驶车外低速提示音测试结果


图16 改进后20 km/h匀速行驶车外低速提示音测试结果

4  结论

首先回顾了电动汽车低速提示音的研究进展，然后探讨了低速提示音国家标准法规的测试方法，主要得出如下结论。

（1）探讨了低速提示音主要峰值频率分布均匀性对车外最低限值要求和车内声音品质的影响，通过主要峰值频率的改进，实现了兼顾车外最低限值要求和车内声音品质的低速提示音的设计。

（2）以国内某纯电动汽车为研究对象，完成了车外低速提示音限值要求的达标情况测试与验证，并分析了低速提示音对车内声音品质的影响。结果表明，原方案低速提示音主要峰值频率分布的不均匀，使车外低速提示音须以较高的声压级幅值水平才能满足国标法规最低限值的要求，在相同的整车隔吸声水平条件下，低速提示音会更容易传递至车内，进而影响车内声音品质，引起车内驾乘人员的抱怨。

（3）通过低速提示音频率的改进，改善了主要峰值频率在1/3倍频程频带内分布的均匀性，因而允许匀速行驶工况下车外低速提示音幅值的进一步降低，改善了低速行驶过程中车内的声音品质，同时车外低速提示音幅值能满足最低限值的要求。


作者：曹蕴涛，汤乐超，刘英杰

1.中国第一汽车集团有限公司研发总院

2.汽车振动噪声与安全综合控制技术国家重点实验室