CN104937659A - 车辆引擎声音提取以及再现 - Google Patents

Abstract

一种方法包括在目标引擎声音上执行谐波分解，从而提取目标引擎声音在一个RPM范围上的N个谐波的每一个谐波；从所提取的N个谐波，提取在RPM范围上的N个谐波中的每一个谐波的相位和形状信息，用于再现目标引擎声音。该方法还包括配置引擎谐波增强(EHE)系统以利用所提取的相位和形状信息来产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)。

Description

车辆引擎声音提取以及再现

背景技术

本公开涉及经由引擎谐波增强来再现车辆中引擎声音的特征。该方法可提供用于需要高水平增强的应用中的自然声音。

一些已知的引擎谐波增强方法使用仅基于幅度的谐波生成。在一些情况下，引入谐波之间的初相位差。然而，这类方法可能不足以产生自然声音、高水平的增强，或不能够再现特定的引擎声音特征。

发明内容

本公开部分地基于这样的认识，即在引擎谐波增强(EHE)过程中谐波生成期间可以考虑在RPM范围(例如，600RPM至7500RPM)上的多个谐波(例如，0.5谐波次数直至第40谐波次数)的每一个谐波的相应相位。同时，通过在生成过程中引入失真信号可以保留赋予所产生的引擎声音以自然性的相位和幅度的微小变化。该失真信号与原始引擎声音的分析中识别的变化具有相同的标准偏差。

在一个方面，一种方法包括在目标引擎声音上执行谐波分解，从而提取目标引擎声音在RPM范围上的N个谐波的每一个谐波；以及从所提取的谐波，提取在RPM范围上的N个谐波中的每一个谐波的相位和形状信息，用于再现目标引擎声音。该方法还包括配置引擎谐波增强(EHE)系统以利用所提取的相位和形状信息来产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)。

实施方式可包括以下特征的一个或其任意组合。

在一些实施方式中，执行谐波分解包括获得在RPM范围上N个谐波中的每一个谐波的一组频率加权系数a_k(t)和b_k(t)。据认为，随着时间的经过，RPM会增加，诸如在时间t＝0时，引擎处于最低RPM，以及时间上的最后时刻对应于最高RPM。

在某些实施方式中，执行谐波分解包括利用自适应算法以获得谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)。

在一些实施方式中，自适应算法是最小均方(LMS)算法。

在某些实施方式中，提取针对N个谐波的每一个谐波的相位和形状信息包括实时地平滑谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)，从而获得在RPM范围上的N个谐波中的每一个谐波平滑的谐波频率加权系数和

在一些实施方式中，通过低通滤波谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)来执行平滑化。

在某些实施方式中，用有限脉冲响应(FIR)滤波器来执行低通滤波。

在一些实施方式中，有限脉冲响应(FIR)滤波器基于窗口(例如Hamming，Hanning，Blackman，Blackman-Harris，Kaiser，Chebyshev等)，其中该窗口的长度决定该谐波频率系数将被平滑的程度。

在某些实施方式中，用无限脉冲响应(IIR)滤波器来执行低通滤波。

在一些实施方式中，相位和形状信息的提取包括：从平滑的谐波频率加权系数和计算N个谐波的每一个谐波的形状和相位假定N个谐波的每一个谐波在RPM范围上的RPM相关形状和RPM相关相位是由实时计算的形状和相位来表示，则使得 ${\tilde{c}}_k\left(t\right)={\tilde{c}}_k\left(RPM\right)$ 和 ${\tilde{p}}_k\left(t\right)={\tilde{p}}_k\left(RPM\right);$ 以及将N个谐波的每一个谐波限定为一对矢量[C_k]和[P_k]，该对矢量分别包含在RPM值的子集上该RPM相关形状和RPM相关相位的样本。

在某些实施方式中，N个谐波的每一个谐波的形状计算为：且N个谐波的每一个谐波的相位计算为： ${\tilde{p}}_k\left(t\right)=unwrap\left\{a\tan (\frac{{\tilde{b}}_k\left(t\right)}{{\tilde{a}}_k\left(t\right)}-\mathrm{\π}\·\max \{sign\left({\tilde{a}}_k\right(t)\right),0\left\}\right)\}.$

在一些实施方式中，该方法还包括操作EHE系统以将引擎谐波增强信号he(t)转换为声能。

在某些实施方式中，配置引擎谐波增强系统以利用所提取的相位和形状信息来产生引擎谐波增强信号he(t)，包括配置引擎谐波增强系统以：接收表示车辆引擎的当前RPM的RPM信号；基于该RPM信号，从幅度表[C_k]通过插值瞬时幅度来确定针对N个谐波的每一个谐波的瞬时幅度其中该幅度表[C_k]包括针对在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的RPM相关形状的样本；基于该RPM信号，从相位表[P_k]通过插值瞬时相位来确定针对N个谐波的每一个谐波的瞬时相位其中该相位表[P_k]包括针对在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的RPM相关相位的样本；平滑瞬时幅度以产生针对N个谐波的每一个谐波的平滑的谐波幅度平滑瞬时相位以产生针对N个谐波的每一个谐波的平滑的谐波相位产生针对N个谐波的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)；产生针对N个谐波的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)；以及根据 $h_k\left(t\right)=\left({\hat{c}}_k\right(t)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·sin(2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k(t)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right))$ 产生针对N个谐波的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)；对单独的谐波信号h_k(t)进行求和，且由此产生引擎谐波增强信号he(t)。

在一些实施方式中，N是40至80的整数。

在某些实施方式中，RPM范围是600RPM至7500RPM。

在另一个方面，非暂态计算机可读介质承载指令以使处理器对目标引擎声音执行谐波分解，从而提取目标引擎声音在一个RPM范围上的N个谐波的每一个谐波；并且从所提取的谐波，提取针对在该RPM范围上的N个谐波的每一个谐波的相位和形状信息，用于再现目标引擎声音。

实施方式可包括以上和/或以下特征的一个或其任意组合。

在又一方面，该方法包括：在车辆引擎谐波增强系统中，接收表示车辆引擎的当前RPM的RPM信号；基于该RPM信号，从矢量[C_k]通过插值瞬时幅度来确定针对目标引擎声音的N个谐波的每一个谐波的瞬时幅度其中该矢量[C_k]包括针对在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的RPM相关形状的样本；基于该RPM信号，从矢量[P_k]通过插值瞬时相位来确定针对N个谐波的每一个谐波的瞬时相位其中该矢量[P_k]包括针对在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的RPM相关相位的样本；平滑瞬时幅度以产生针对N个谐波的每一个谐波的平滑的谐波幅度平滑瞬时相位以产生针对N个谐波的每一个谐波的平滑的谐波相位产生针对N个谐波的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)；产生针对N个谐波的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)；根据 $h_k\left(t\right)=\left({\hat{c}}_k\right(t)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·\sin (2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k(t)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right))$ 产生针对N个谐波的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)；对单独的谐波信号h_k(t)进行求和，且由此产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)；以及将引擎谐波增强信号he(t)转换为声能。

实施方式可包括以上和/或以下特征的一个或其任意组合。

在一些实施方式中，产生幅度扰动信号包括根据产生针对N个谐波的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)，其中是目标引擎声音的N个谐波的每一个谐波的谐波幅度中波动的标准偏差；ncf_k(t)是用于产生幅度扰动信号的经滤波的随机噪声；且是用于产生幅度扰动信号的经滤波的随机噪声的标准偏差。

在某些实施方式中，产生相位扰动信号包括根据产生针对N个谐波的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)，其中是目标引擎声音的N个谐波的每一个谐波的谐波相位中波动的标准偏差；npf_k(t)是用于产生相位扰动信号的经滤波的随机噪声；且是用于产生相位扰动信号的经滤波的随机噪声的标准偏差。

在另一方面，一种引擎谐波增强系统包括：数字信号处理器；以及与数字信号处理器耦合并包含指令的存储器，当执行指令时会使得该数字信号处理器：接收表示车辆引擎的当前RPM的RPM信号；基于该RPM信号，从矢量[C_k]通过插值瞬时幅度来确定针对目标引擎声音的N个谐波的每一个谐波的瞬时幅度其中该矢量[C_k]包括针对在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的RPM相关形状的样本；基于该RPM信号，从矢量[P_k]通过插值瞬时相位来确定针对N个谐波的每一个谐波的瞬时相位其中该矢量[P_k]包括针对在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的RPM相关相位的样本；平滑瞬时幅度以产生针对N个谐波的每一个谐波的平滑的谐波幅度平滑瞬时相位以产生针对N个谐波的每一个谐波的平滑的谐波相位产生针对N个谐波的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)；产生针对N个谐波的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)；根据 $h_k\left(t\right)=\left({\hat{c}}_k\right(t)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·sin(2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k(t)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right))$ 产生针对N个谐波的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)；对单独的谐波信号h_k(t)进行求和，且由此产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)；以及将引擎谐波增强信号he(t)转换为声能。

实施方式可包括以上特征的一个或其任意组合。

附图说明

图1为用于提取限定目标引擎声音的特征且可用于再现目标引擎声音的特征的参数的示例性过程的流程图。

图2为自适应线性组合器的框图。

图3为提取用于保存目标引擎声音的特征的相位和形状信息的示例性过程的流程图。

图4为包括车辆引擎声音增强系统的车辆的框图。

图5为示例性过程的流程图，其可被图4的车辆引擎声音增强系统所采用，用于在受试汽车(subject automobile)中再现希望的目标引擎声音。

具体实施方式

虽然数个图中的元件在框图中可以被显示和描述为离散元件并且可以被称为“电路”，除非另外指出，元件可以以模拟电路、数字电路或执行软件指令的一个或多个微处理器之一或组合来实现。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。操作可以通过模拟电路或通过执行软件的微处理器来执行，该软件执行等同于模拟操作的数学或逻辑。除非另外指出，信号线可以被实现为离散的模拟或数字信号线、实施为有适当的信号处理以处理分离的音频信号流的单个离散的数字信号线、或者实施为无线通信系统的元件。这些过程的一些可以以框图进行描述。在每一个框中执行的活动可以通过一个元件或多个元件来执行，并且可在时间上分开。执行框的活动的元件可被物理分开。一个元件可以执行一个框以上的活动。除非另外指出，音频信号或视频信号或者两者可以被编码并以数字或模拟形式传输；常规的数字-模拟或模拟-数字转换器可以从图中省略。

车辆中再现目标声音的特征的程度取决于车辆的引擎基线声音。图1示出可特别用于其中需要相对车辆基线大的增强的应用的示例性过程。限定目标引擎声音的特征的心理声学参数可以从目标引擎声音直接提取。

参照图1，再现特定的引擎声音(目标引擎声音)的特征的示例性过程100。过程100包括在目标引擎声音上执行谐波分解(120)，以提取目标引擎声音的谐波，以及从所提取的谐波，提取足够的相位和形状信息(例如对于所提取的谐波的每一个谐波)以再现目标引擎声音的特征(130)。然后，可以产生将会被添加在基线引擎声音之上的增强信号(140)，以再现目标引擎声音。

再现目标引擎声音的程度可取决于基线声音。如果基线声音谐波比所有的目标声音谐波更大声，则所获得的声音中将没有变化。然而，增强的水平可以被增加至支配(dominate)基线的程度，这种情况下所获得的声音会变得非常接近于目标引擎声音。

引擎声音谐波分解

如同车辆舱室中所感知到的，车辆的引擎声音可被认为是引擎转速谐波、宽带引擎噪声、风噪声、轮胎噪声和其它来源产生的噪声的总和。为了简化，引擎声音可以由引擎转速谐波加上宽带噪声的总和来表示。仅考虑引擎声音的谐波，每一个谐波幅度和相位可被认为是根据以下公式随时间而变化：

其中f₁是基本频率；l_k是通常为0.5的倍数的谐波次数，但通常可为正的非零实数；RPM是引擎转速；且f_k是谐波k的频率，单位为Hz。

目标引擎声音可以写为所有有贡献的谐波的总和：

图2显示了可用于提取谐波的自适应线性组合器200的实施方式。自适应线性组合器200可以用于识别引擎谐波以及它们随时间的演化。自适应线性组合器200可允许在任何引擎状态和引擎操作模式下进行连续识别。

自适应线性组合器200接受RPM信号210和麦克风信号212(即目标引擎声音信号s(t)，例如在产生目标引擎声音的车辆的乘客舱中通过一个或多个麦克风所测得的)，并且处理输入信号210、212以产生引擎无噪声信号224(即引擎谐波h_est(t))和宽带引擎噪声bn(t)214。

自适应线性组合器200包括N个谐波频率生成器216、N组谐波频率加权系数218、N个加法器219、谐波加法器220以及自适应控制模块222。

每一个谐波可表达为以下：

其中：和

因此，为了产生N个谐波的每一个谐波的未加权正弦和余弦分量，N个谐波频率发生器216的每一个谐波频率发生器都包括正弦分量发生器216a和余弦分量发生器216b。当谐波频率发生器216接收RPM信号210时，RPM信号210被转换为频率并被正弦分量发生器216a和余弦分量发生器216b所利用，以产生用于频率的正弦分量和余弦分量。例如，基于RPM信号210，第一谐波发生器216的正弦分量216a和余弦分量216b的频率被设定为目标引擎声音的基本角频率(即，ω₁＝2πf₁)，第二谐波频率发生器的正弦和余弦分量的频率被设定为两倍的目标引擎声音的基本角频率(即，2·ω₁＝ω₂＝4πf₁))，第三谐波频率发生器的正弦和余弦分量的频率被设定为3倍的目标引擎声音的基本角频率(即，3·ω₁＝ω₃＝6πf₁)，依此类推。该方案包括全阶、半阶且还可包括分数阶。在一些示例中，正弦分量发生器216a和余弦分量发生器216b包括用于产生正弦和余弦分量的查找表。

然后将由每一个谐波频率发生器216产生的N个正弦分量216a和N个余弦分量216b传递至N组谐波频率加权系数218。每组谐波频率加权系数218包括第一加权系数a_k(t)218a，用于加权所产生的谐波频率的正弦分量216a，和第二加权系数b_k(t)218b，用于加权所产生的谐波频率的余弦分量216b。

通过它们的对应的谐波频率加权系数218对用于每一个谐波频率发生器216的所产生的谐波频率分量216a和216b进行加权，通过相应的加法器219对该对加权的谐波频率分量进行求和以产生N个谐波h₁(t)-h_N(t)，然后在谐波加法器220处求和以产生引擎噪声224的估计值(即估计的谐波引擎噪声h_est(t))。将引擎噪声224的估计值与麦克风信号212结合，产生宽带噪声bn(t)。

在操作中，自适应线性组合器200自适应地确定引擎噪声224的估计值。即，自适应线性组合器200调整N组谐波频率加权系数218以聚合为引擎无噪声信号214(即宽带噪声bn(t))。因此，引擎无噪声信号214也可以被看作是自适应滤波器的误差信号。该误差信号被传递到自适应控制模块222，其使用该误差信号来确定针对该N组谐波频率加权系数218的系数更新。

在一些实施例中，自适应控制模块222使用最小均方(LMS)方法来确定系数更新。下面例举了LMS算法的使用。

使用以下注释：X(t)是t时刻的输入矢量；W(t)是系数矢量；h_est(t)是所估计的谐波引擎声音；s(t)是线性组合器的输出；麦克风信号是所希望的信号；估计误差是宽带噪声bn(t)。

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\sin \left({\mathrm{\ω}}_1\right(t)\·t)\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_1\right(t)\·t)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \sin \left({\mathrm{\ω}}_N\right(t)\·t)\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_N\right(t)\·t)\end{array}\right],W\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{a}_1\left(t\right)\\ b_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_N\left(t\right)\\ b_N\left(t\right)\end{array}\right]$

用于自适应线性组合器的更新等式为：

h_est(t)＝X(t)^T·W(t)，

bn(t)＝s(t)-y(t)，

W(t+1)＝W(t)+μ·bn(t)·X(t)。

所述自适应算法的步长μ可以被设定为仅提取谐波的值，以将这些与宽带噪声分开。可基于主观听力测试通过收听宽带噪声bn(t)＝s(t)-h_est(t)来选择步长μ。如果一个人不能听到任何谐波量，则谐波的识别被认为是成功的。声谱图的视觉识别可验证主观发现。

可替代地，可以通过针对不同步长将提取的谐波的响度谱图与残留宽带噪声的响度谱图进行比较来识别谐波的良好识别。对于残留宽带噪声，识别了在声音记录的持续时间上良好传播的响度而在频率域中无峰。显示这种属性的最小步长是可考虑用于分析的一个。当分析所提取的谐波时，识别针对最小步长的显示所有谐波细节的响度谱图。这可以通过以下事实来识别，即更高的步长并不添加更多的限定到响度谱图。这是可在分析中考虑的步长。最后，比较经由先前测试确定的步长，选择满足这两个测试的最小值。这是将在识别过程中使用的步长。较低阶谐波相对于较高阶谐波的变化率不同；因此，每一个谐波选择不同的步长是有利的。

其他复杂的阶次分析方法也可用于识别谐波。基于快速傅立叶变换(FFT)的方法构成一个很好的例子。在其它示例中，自适应线性组合器200使用递归最小二乘(RLS)方法确定系数更新。

相位和形状信息的提取

以记录希望被再现的引擎声音开始。优选地，在全开节气门(WOT)下进行记录，从可能的最小RPM直至红线，优选在第三齿轮。如前述部分所述，运行谐波分解，可获得针对N个谐波的每一个谐波在RPM范围内的谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)。

在经由前述部分描述的谐波分解方法获得谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)后，下一步是提取需要保存目标引擎声音的特征的最小相位和形状信息(130，图1)。参照图3，相位和形状信息提取的第一步骤(130)是实时地使谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)平滑化，获得在RPM范围上的N个谐波中的每一个谐波的和(310)。

通过低通滤波a_k(t)和b_k(t)执行平滑化。LP滤波器可以是基于Hamming窗的有限脉冲响应(FIR)滤波器，其中该窗口的长度决定该系数将被平滑的程度。随后N个谐波的每一个谐波的形状(幅度)可以计算(312)为：

${\tilde{c}}_k\left(t\right)=\sqrt{{\tilde{a}}_k^2\left(t\right)+{\tilde{b}}_k^2\left(t\right)},$

且相位计算(212)为：

${\tilde{p}}_k\left(t\right)=unwrap\left\{a\tan (\frac{{\tilde{b}}_k\left(t\right)}{{\tilde{a}}_k\left(t\right)}-\mathrm{\π}\·\max \{sign\left({\tilde{a}}_k\right(t)\right),0\left\}\right)\}.$

对于FIR滤波器，5ms至20ms之间的窗口长度适合于这种平滑。此外，虽然已经描述了具有汉明(Hamming)窗口的FIR LP滤波器，但是可以使用任何类型的窗口，例如汉宁(Hanning)、布莱克曼(Blackman)、布莱克曼-哈里斯(Blackman-Harris)、切比雪夫(Chebyshev)等。此外，可以使用任何类型的LP滤波器，包括例如，无限脉冲响应(IIR)滤波器。对于IIR滤波器，将不会使用窗口。

引擎声音可通过表达为以下的谐波总和来近似：

$h_k\left(t\right)={\tilde{c}}_k\left(t\right)\·sin(2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\tilde{p}}_k(t)).$

计算的相位也可以被看作与实际谐波频率的频率偏差。这个频率偏差是： ${\mathrm{\Δf}}_k\left(t\right)=\frac{{\tilde{p}}_k\left(t\right)}{2{\mathrm{\πl}}_{k}t}.$

然后，假定每一个谐波在RPM范围上的形状和相位由实时测量中所获得的形状和相位来表示(314)：

${\tilde{c}}_k\left(t\right)={\tilde{c}}_k\left(RPM\right)$

${\tilde{p}}_k\left(t\right)={\tilde{p}}_k\left(RPM\right).$

其中，RPM是扫掠上的引擎转速。以非常高的分辨率限定这两个信号，并以采样率进行采样。

这可以是待存储的太多信息；然而，可通过将每一个谐波限定为包含和的样本的两个矢量来减少信息量。首先，选择RPM值单调地增加的样本。然后，抽取那些信号，以获得矢量[C_k]和[P_k](也称为幅度和相位表)，其限定在RPM值的子集上的N个谐波的每一个谐波的幅度(形状)和相位(316)。该点可以在RPM范围上等距地隔开，或以这样的方式被选择以最大化保留的信息。

另一种方法是进一步平滑和获得和其然后可用于计算幅度和相位表[C_k]和[P_k]。

增强信号的产生

然后可以利用前面部分中讨论的有关经分解(120，图1)和提取(130，图1)步骤而得到的目标引擎声音的相位和形状信息，以在受试车辆中再现所希望的目标引擎声音。如本文所用，术语“受试车辆”是指其中提供引擎谐波增强以再现目标引擎声音的车辆。受试汽车可以是例如特定的汽车模型，其不同于产生原始的记录的目标引擎声音的另一汽车模型。

图4是包括车辆声音增强系统400的受试车辆的框图。引擎谐波增强(EHE)处理器412(例如，数字信号处理器)被耦合至加法器414。娱乐音频信号源418通过娱乐音频均衡器和空间处理器416也耦合至加法器414。加法器414通过多通道放大器420耦合至若干扬声器422-1-422-4，其环绕车辆舱室定位，而在一些实施方式中，其可被定位为例如扬声器424以将声能辐射到车辆的外部。EHE处理器412、娱乐音频均衡器和空间处理器416、加法器414和放大器420之间的连接可以是多通道的，如由多条线所指示的。信号线可以被实施为离散的模拟或数字信号线、实施为有适当的信号处理以处理分离的音频信号流的单个离散的数字信号线、或者实施为无线通信系统的元件。

在操作中，娱乐音频源418和娱乐音频均衡器和空间处理器416常规地操作以为车辆舱室的占用者提供均衡和空间处理的音频娱乐。在一些实施方式中，娱乐音频信号源418可以包括用于导航、警告信号等的公告音频信号。该EHE处理器412接收代表受试车辆的引擎427每分钟若干转数的RPM信号426作为输入。EHE处理器412使用该输入信号426以形成引擎谐波增强信号he(t)，其被提供给扬声器422-1-422-4和424以便呈现给汽车操作者。引擎谐波增强信号he(t)和经处理的娱乐音频信号在加法器414中被加和、通过放大器420被放大、并通过扬声器422-1-422-4和424被转换为声能。

图5示出示例性过程500，其可被采用(例如，经由图4的EHE处理器412)以在受试汽车中再现所希望的目标引擎声音。由图4的EHE处理器412接收RPM信号426(510)。基于RPM信号426来计算针对N个谐波的每一个谐波的角频率 $({\mathrm{\ω}}_k=2{\mathrm{\πf}}_k=2{\mathrm{\πl}}_k{f}_1=2{\mathrm{\πl}}_k\frac{RPM}{60})$ (512)。

基于当前RPM，可通过插值来自矢量[C_k]的值来确定针对每一个谐波的瞬时幅度(514)，且可通过插值来自矢量[P_k]的值来确定针对每一个谐波的瞬时相位(516)；矢量[C_k]和[P_k]已经由提取过程预先确定(例如，由车辆和/或声音系统制造商)。

无论幅度和相位表中所用的点的数量如何，由于通常RPM每10至30ms仅更新一次，因此当RPM变化时插值的信号将显示突然的变化。出于这个原因，插值瞬时幅度(514)后跟随进行第一阶幅度平滑步骤(518)，以消除当RPM值被更新时瞬时幅度的突然变化。相似地，插值瞬时相位(516)后跟随进行第一阶相位平滑步骤(520)，以消除当RPM值被更新时瞬时相位的突然变化。对每一个谐波的相位和幅度平滑是有利的，但相位对所产生的信号的质量影响更多。将由表示经平滑的产生的谐波幅度，且由表示经平滑的产生的谐波相位。

由于在表计算步骤中(提取过程(130))完成平滑化，因此滤波掉在幅度和相位中的自然发生的变化。由于在谐波生成阶段并未获得每一个谐波的幅度中的实际波动，因此可创建具有与在提取阶段测得的相似的统计特性的波动。

为了估计接近每一个谐波幅度处失去的波动，比较和以根据下式计算Δc_k：

${\mathrm{\Δc}}_k\left(t\right)={\tilde{c}}_k\left(t\right)-{\widetilde{\stackrel{~}{c}}}_k\left(t\right).$

可将Δc_k的标准偏差确定为提取过程的一部分或生成过程前的一些其它点。标准偏差在生成过程中将被用作针对N个谐波的每一个谐波的幅度波动的测量。

以具有正态分布的随机噪声nc_k(t)的生成开始，即用约25Hz的截止频率低通滤波以获得ncf_k(t)。噪声信号需要针对每一个谐波而不相同。可以基于生成方法来估计经滤波的噪声的标准偏差，并在此处表示为

通过产生针对N个谐波的每一个谐波的以下幅度扰动信号来获得幅度中的波动(522)：

${\mathrm{dc}}_k\left(t\right)={\mathrm{ncf}}_k\left(t\right)\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\Δc}}_k}}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{nef}}_k}},$

其中ncf_k(t)是幅度生成中所用的经滤波的噪声，且其中dc_k(t)是形成所生成的谐波幅度中的波动的失真(扰动)信号。

相似地，可以生成针对相位的波动信号(524)。为估计接近每一个谐波相位处丢失的波动，比较和以根据以下计算Δp_k(t)：

${\mathrm{\Δp}}_k\left(t\right)={\tilde{p}}_k\left(t\right)-{\widetilde{\stackrel{~}{p}}}_k\left(t\right).$

可将Δp_k的标准偏差确定为提取过程的一部分或生成过程前的一些其它点。标准偏差在生成过程中将被用作针对N个谐波的每一个谐波的幅度波动的测量。

以具有正态分布的随机噪声np_k(t)的生成开始，即用约25Hz的截止频率低通滤波以获得npf_k(t)。噪声信号需要针对每一个谐波而不相同。可以基于生成方法来估计经滤波的噪声的标准偏差，并将在此处表示为

通过产生针对N个谐波的每一个谐波的以下相位扰动信号来获得相位中的波动(524)：

${\mathrm{dp}}_k\left(t\right)={\mathrm{npf}}_k\left(t\right)\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\Δp}}_k}}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{npf}}_k}},$

其中npf_k(t)是相位生成中所用的经滤波的噪声，且其中dp_k(t)是形成所产生的谐波相位中的波动的失真(扰动)信号。

根据以下生成针对N个谐波的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)(526)：

$h_k\left(t\right)=\left({\hat{c}}_k\right(t)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·sin(2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k(t)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right)).$

显而易见的是，针对N个谐波的每一个谐波的相位信息被包括在单独的谐波信号的生成(526)中。将单独的谐波信号h_k(t)，加起来以生成引擎谐波增强信号其将经由受试车辆的声音系统播放以补偿受试车辆的原始引擎声音(528)。

在一些实施方式中，EHE处理器412可被配置为确定将用于引擎谐波增强信号he(t)的增益或延迟的量。例如，EHE处理器412可以包括EHE增益和延迟确定器，其通过EHE整体增强增益来确定将用于引擎谐波增强信号he(t)的增益或延迟的量。该EHE增益和延迟确定器可应用增益函数(也被称为“映射函数”或“映射”)，其包括作为变量的引擎载荷、引擎载荷变化、RPM和RPM的变化率以确定EHE增益(如美国专利申请序列号12/716,887所述)。此外，由EHE增益和延迟确定器应用的增益函数可用作其它参数的变量值，诸如其中车辆正在运行的齿轮，无级变速器(CVT)的传动比或传动比间隔，以及引擎的操作模式。EHE增益和延迟确定器可以平滑增益值，从而使得声音变化是自然的且不失真的，这与机械系统中随时间的声音变化类似。

可替代地或另外地，EHE处理器412可包括声音阶段处理器(如美国专利申请序列号13/004630所描述的)，其通过用于图4的每一个扬声器422-1-422-4和424的分离的均衡滤波器来处理引擎谐波增强信号he(t)。引擎谐波增强信号he(t)可以是单声道的，这表明相同的信号被提供给所有扬声器422-1-422-4和424(图4)，或者可以是多声道的，例如立体声。

实施以上所描述的技术的系统可以被实施在软件、固件、数字电子电路或计算机硬件或它们的组合中。该系统可以包括有形地体现在机器可读存储设备中的计算机程序产品，用于通过可编程处理器来执行，并且方法步骤可以通过可编程处理器执行，该可编程处理器指令程序以通过运行输入数据并生成输出来执行功能。该系统可以被实施在一个或多个计算机程序中，可执行该一个或多个计算机程序的可编程系统包括至少一个可编程处理器，其被耦合以接收来自数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备的数据和指令，并将数据和指令传输至据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备。每一个计算机程序可以以高级程序或面向对象编程语言实现，或以组装或机器语言实现(如果需要)；并且在任何情况下，该语言可以是编译或解释性语言。适合的处理器包括，作为示例的通用和专用微处理器。通常，处理器将接收来自只读存储器和/或随机存取存储器的指令和数据。通常，计算机将包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储设备；这样的设备包括磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁-光盘；和光盘。适于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁-光盘；和CD-ROM盘。任何前述可被补充或并入ASIC(专用集成电路)中。

已经描述了若干个实施方式。然而，应理解在不背离本文描述的发明构思的精神和范围下可以作出其他修改，并且相应地，其他实施方式落入以下权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种方法，包括：

对目标引擎声音执行谐波分解，从而用于提取所述目标引擎声音在RPM范围上的N个谐波中的每一个谐波；

从所提取的谐波中提取在所述RPM范围上的所述N个谐波中的每一个谐波的相位和形状信息，用于再现所述目标引擎声音；以及

配置引擎谐波增强(EHE)系统以利用所提取的相位和形状信息来产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述谐波分解包括：

获得在所述RPM范围上的所述N个谐波中的每一个谐波的一组频率加权系数a_k(t)和b_k(t)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中执行所述谐波分解包括：

利用自适应算法以获得所述谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述自适应算法是最小均方(LMS)算法。

5.根据权利要求2所述的方法，其中提取所述N个谐波中的每一个谐波的所述相位和形状信息包括实时平滑所述谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)，从而获得在所述RPM范围上的所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波频率加权系数和

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过对所述谐波频率加权系数a_k(t)和b_k(t)进行低通滤波来执行所述平滑。

7.根据权利要求6所述的方法，其中用有限脉冲响应(FIR)滤波器来执行所述低通滤波。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述有限脉冲响应(FIR)滤波器基于窗口，其中所述窗口的长度决定所述谐波频率系数将被平滑的程度。

9.根据权利要求6所述的方法，其中用无限脉冲响应(IIR)滤波器来执行所述低通滤波。

10.根据权利要求2所述的方法，其中所述相位和形状信息的提取包括：

根据所述经平滑的谐波频率加权系数和计算所述N个谐波中的每一个谐波的形状和相位

假定在所述RPM范围上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关形状和RPM相关相位由经实时计算的形状和相位来表示，以使得并且以及

将所述N个谐波中的每一个谐波限定为一对矢量[C_k]和[P_k]，所述一对矢量分别包含在RPM值的子集上的所述RPM相关形状和所述RPM相关相位的样本。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述N个谐波中的每一个谐波的所述形状被计算为：并且所述N个谐波中的每一个谐波的所述相位被计算为： ${\tilde{p}}_k\left(t\right)=unwrap\left\{atan(\frac{{\tilde{b}}_k\left(t\right)}{{\tilde{a}}_k\left(t\right)}-\mathrm{\π}\·max\{sign\left({\tilde{a}}_k\left(t\right)\right),0\left\}\right)\right\}.$

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：操作所述EHE系统以将所述引擎谐波增强信号he(t)转换为声能。

13.根据权利要求1所述的方法，其中配置所述引擎谐波增强系统以利用所述提取的相位和形状信息来产生所述引擎谐波增强信号he(t)，包括配置所述引擎谐波增强系统以：

接收表示车辆引擎的当前RPM的RPM信号；

基于所述RPM信号，根据幅度表[C_k]通过对瞬时幅度进行插值来确定所述N个谐波中的每一个谐波的所述瞬时幅度其中所述幅度表[C_k]包括在RPM值的子集上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关形状的样本；

基于所述RPM信号，根据相位表[P_k]通过对瞬时相位进行插值来确定所述N个谐波中的每一个谐波的所述瞬时相位其中所述相位表[P_k]包括在RPM值的所述子集上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关相位的样本；

平滑所述瞬时幅度以产生所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波幅度

平滑所述瞬时相位以产生所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波相位

产生所述N个谐波中的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)；

产生所述N个谐波中的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)；以及

根据 $h_k\left(t\right)=\left({\hat{c}}_k\right(t)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·sin(2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k(t)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right))$ 产生所述N个谐波中的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)；以及

对所述单独的谐波信号h_k(t)进行求和，并且由此产生所述引擎谐波增强信号he(t)。

14.根据权利要求1所述的方法，其中N是从40到80的整数。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述RPM范围是600RPM至7500RPM。

16.一种方法，包括：

在车辆引擎谐波增强系统中，

接收表示车辆引擎的当前RPM的RPM信号；

基于所述RPM信号，根据矢量[C_k]通过对瞬时幅度进行插值来确定目标引擎声音的N个谐波中的每一个谐波的瞬时幅度其中所述矢量[C_k]包括在RPM值的子集上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关形状的样本；

基于所述RPM信号，根据矢量[P_k]通过对瞬时相位进行插值来确定所述N个谐波中的每一个谐波的瞬时相位其中所述矢量[P_k]包括在RPM值的所述子集上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关相位的样本；

平滑所述瞬时幅度以产生所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波幅度

平滑所述瞬时相位以产生所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波相位

产生所述N个谐波中的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)；

产生所述N个谐波中的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)；以及

根据 $h_k\left(t\right)=({\hat{c}}_k(t-)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·sin(2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k\left(t\right)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right))$ 产生所述N个谐波中的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)；

对所述单独的谐波信号h_k(t)进行求和，并且由此产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)；以及

将所述引擎谐波增强信号he(t)转换为声能。

17.根据权利要求16所述的方法，其中产生所述幅度扰动信号包括根据产生所述N个谐波中的每一个谐波的所述幅度扰动信号dc_k(t)，

其中是所述目标引擎声音的所述N个谐波中的每一个谐波的所述谐波幅度的波动的标准偏差；ncf_k(t)是用于产生所述幅度扰动信号的经滤波的随机噪声；并且是用于产生所述幅度扰动信号的所述经滤波的随机噪声的标准偏差。

18.根据权利要求16所述的方法，其中产生所述相位扰动信号包括根据产生所述N个谐波中的每一个谐波的所述相位扰动信号dp_k(t)，

其中是所述目标引擎声音的所述N个谐波中的每一个谐波的所述谐波相位的波动的标准偏差；npf_k(t)是用于产生所述相位扰动信号的经滤波的随机噪声；并且是用于产生所述相位扰动信号的所述经滤波的随机噪声的标准偏差。

19.一种引擎谐波增强系统，包括：

数字信号处理器；以及

存储器，被耦合至所述数字信号处理器并且包含指令，所述指令当被执行时使得所述数字信号处理器：

接收表示车辆引擎的当前RPM的RPM信号；

基于所述RPM信号，根据矢量[C_k]通过对瞬时幅度进行插值来确定目标引擎声音的N个谐波中的每一个谐波的瞬时幅度其中所述矢量[C_k]包括在RPM值的子集上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关形状的样本；

基于所述RPM信号，根据矢量[P_k]通过对瞬时相位进行插值来确定所述N个谐波中的每一个谐波的瞬时相位其中所述矢量[P_k]包括在RPM值的所述子集上的所述N个谐波中的每一个谐波的RPM相关相位的样本；

平滑所述瞬时幅度以产生所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波幅度

平滑所述瞬时相位以产生所述N个谐波中的每一个谐波的经平滑的谐波相位

产生所述N个谐波中的每一个谐波的幅度扰动信号dc_k(t)；

产生所述N个谐波中的每一个谐波的相位扰动信号dp_k(t)；以及

根据 $h_k\left(t\right)=({\hat{c}}_k\left(t\right)+{\mathrm{dc}}_k\left(t\right))\·\sin (2{\mathrm{\πfl}}_{k}t+{\hat{p}}_k\left(t\right)+{\mathrm{dp}}_k\left(t\right))$ 产生所述N个谐波中的每一个谐波的单独的谐波信号h_k(t)；

对所述单独的谐波信号h_k(t)进行求和，并且由此产生将被添加在基线引擎声音之上的引擎谐波增强信号he(t)；以及

将所述引擎谐波增强信号he(t)转换为声能。

20.根据权利要求19所述的引擎谐波增强系统，其中所述指令当被执行时使得所述一个或多个处理器根据产生所述N个谐波中的每一个谐波的所述幅度扰动信号dc_k(t)，

其中是所述目标引擎声音的所述N个谐波中的每一个谐波的所述谐波幅度的波动的标准偏差；ncf_k(t)是用于产生所述幅度扰动信号的经滤波的随机噪声；并且是用于产生所述幅度扰动信号的所述经滤波的随机噪声的标准偏差。

21.根据权利要求19所述的引擎谐波增强系统，其中所述指令当被执行时使得所述一个或多个处理器根据产生所述N个谐波中的每一个谐波的所述相位扰动信号dp_k(t)，

其中是所述目标引擎声音的所述N个谐波中的每一个谐波的所述谐波相位的波动的标准偏差；npf_k(t)是用于产生所述相位扰动信号的经滤波的随机噪声；并且是用于产生所述相位扰动信号的所述经滤波的随机噪声的标准偏差。