CN106671875A

CN106671875A - 一种电动汽车驱动系统声音采集发声方法及装置

Info

Publication number: CN106671875A
Application number: CN201710055933.4A
Authority: CN
Inventors: 马琮淦; 陈超逸; 李庆; 邓立伟; 崔洪玮; 李琼瑶
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2017-05-17

Abstract

一种电动汽车驱动系统声音采集发声方法及装置涉及电动汽车的电气系统与声学警示系统，方法步骤如下：实时采集电机舱内的声音信号、车速信号和电机转速信号；根据车速信号和电机转速信号，滤除信号中较为刺耳的频段、减小声音的烦躁度，传给车内外的扬声器、驱动其发出电动汽车的实时声音。装置包括MCU、车内外扬声器、车速信号采集单元、电机转速信号采集单元、声音采集装置和滤波处理装置。本发明结构简单，能够真实展现汽车自身发出的声音，个性十足、听着舒适、悦耳，主观感受性佳，行人容易辨别车的类型、直观感强，根据电机声音可预估车的质量、性能、故障及使用时间等。

Description

一种电动汽车驱动系统声音采集发声方法及装置

技术领域

本发明涉及电动汽车的电气系统与声学警示系统，更具体的说是一种能够发出电动汽车所具有的独特的个体性的悦耳的声音，行人和驾乘人员能够根据声音辨别车的型号、品牌等特征，直观感强，电动汽车的动力性的感觉强烈，主观感受性佳，使驾驶者注意力更集中，驾乘人员可根据声音辨别汽车的性能和故障的电动汽车驱动系统声音采集发声方法及装置。

背景技术

我们知道，由于突出的能源、环境等问题，对一些新能源汽车的研发已经成为大势所趋。在这之中，随着电机技术的发展与完善，电动汽车渐渐走进人们的视野中。电动汽车与传统汽车除动力来源不同外，其噪声相比传统汽车而言更小。而较小的噪声则会带来两个突出的问题：第一，车内环境较安静，会使乘员对电动汽车动力性的感觉不强烈，主观感受较差，同时在驾驶使可能会造成注意力不集中，从而造成事故；第二，由于噪声较小，相对于传统汽车，行人较难察觉到电动汽车的存在，因此造成交通事故的发生。

目前国内已有涉及电动汽车发声以提高声学警示性的专利，例如：①、北京长安汽车工程技术研究有限公司雷应峰等人申请的名称为：一种电动汽车的声音模拟发声方法及装置、专利申请号为：201410114638.8；②、清华大学郑四发等人申请的名称为：一种电动汽车多模式行人安全声音警示系统、专利申请号为:201210061606.7；③、成都勋迪电动车辆制造有限公司黄泽旭等人申请的名称为：电动汽车模拟发动机声音装置、专利申请号为:201420514063.4；④、东风悦达起亚汽车有限公司丁力等人申请的名称为：一种电动汽车仿传统发动机声音的装置、专利申请号为：201220649275.4；⑤、厦门市海菱电子有限公司杨建友等人申请的名称为：一种用于电动汽车的发动机声音模拟装置、专利申请号为：201521046771.0。这五项专利的共同点是：利用传统汽车发动机的声音对电动汽车进行模拟发声，来解决驾乘感觉感受不佳与声学警示性较差的问题，这些专利共同存在如下缺陷：1、电动汽车有自己特有的电驱动系统的声音，利用传统汽车的声音进行模拟发声，失去了电动汽车独特的声音特性，无法从声音上区分电动汽车的型号、品牌等特征，并且模拟发声发出声音单一、声品质不佳，无法从声音上辨别、评估车的性能。2、利用传统汽车发动机模拟发声，乘员无法察觉出电机的真实发声状况，无法从发声中判断电机及传动箱内的运行情况，电机或传动机构发生故障时，不能及时采取防护措施，容易使故障扩大华、甚至引发险情。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种能够发出电动汽车所具有的独特的个体性的悦耳的声音，行人和驾乘人员能够根据声音辨别车的型号、品牌等特征直观感强，电动汽车的动力性的感觉强烈，主观感受性佳，使驾驶者注意力更集中，驾乘人员可根据声音辨别汽车的性能和故障的电动汽车驱动系统声音采集发声方法及装置。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种电动汽车驱动系统声音采集发声方法：其特征在于包括如下步骤：

步骤一、实时采集电动汽车电机舱内的声音信号、车速信号和电机转速信号；

步骤二、根据车速信号和电机转速信号，采用滤波技术，滤除电机声音信号中较为刺耳的频段的声音信号、减小声音的烦躁度，使得滤波后的声音播放时，达到人能够接受的程度；

步骤三、将步骤二获得的声音信号经音量控制器调节音量后传给车内外的扬声器，驱动扬声器发出电动汽车的实时声音。

本发明步骤二中所述的滤除电机声音信号中较为刺耳的频段的声音信号、减小声音的烦躁度，使得滤波后的声音播放时，达到人能够接受的程度，是采取以下步骤获得的：

（1）、进行电机声音采集试验，获取电动汽车在不同车速范围的电机舱内的声音文件；

（2）、对不同车速范围的声音文件进行客观评价，计算出声音文件的7个声学客观参数：A声级，响度，抖动度，音调度，粗糙度，语音清晰度，尖锐度；

（3）、基于语义细分法，对不同车速范围的声音文件进行主观评价，选取4个语义评价指标“烦躁与愉悦”、“刺耳与悦耳”、“柔弱与强劲”、“难以察觉和令人警觉”，选择24人进行主观评价培训，并在合适的条件下对声音文件进行主观感受打分评价，语义评价指标赋值表如下；

（4）、采用神经网络技术，建立噪声声品质评价的神经网络模型：输入层共计7个节点，输入量为纯电动汽车车内噪声客观声学参数：A声级、响度、抖动度、音调度、粗糙度、语音清晰度、尖锐度；隐含层节点数的计算式为：；式中，为隐含层神经元个数，为输入层神经元个数，为输出层神经元个数，；输出层共计4个输出节点数，输出量为纯电动汽车车内噪声样本的4个语义评价指标：烦躁与愉悦、刺耳与悦耳、柔弱与强劲、难以觉察与令人警觉；隐含层激励函数为双曲正切函数tansig，输出层激励函数为线性函数purelin；模型建立后，当7个声学客观参数确定时，带入神经网络模型，可对4个主观评价指标的分值进行预测，进而得到影响主观感受的敏感频段；

（5）、当电动汽车行驶时，根据实时采集的车速信号与发动机转速信号来确定敏感频段，滤除实时采集电动汽车电机声音信号中敏感频段的信号，达到要求（使得滤波后的声音播放时，达到人能够接受的程度）、提高声音的主观感受。

本发明所述的步骤三中，车内的扬声器播放的电机声音分贝范围为30dB - 60dB，车外的扬声器播放的电机声音分贝值固定为60dB。在声音文件进行播放时，可根据乘员自身的感受手动调节音量控制器，控制扬声器的播放音量。

（注：当电动汽车低速行驶时，车内噪声很小，可适当提高声音文件的音量，以改善驾乘的主观感受；随着车速的升高，电动汽车的胎噪、风噪等声音逐渐突出，此时可适当降低声音文件的音量。）

本发明中所述的A声级的计算公式如下：

式中，为频带上的声压级，为频带上中心频率处的A计权值；

所述的响度的计算公式如下：

式中，为特性响度，为自由场条件下相应于人耳听阈值的激励，为对应于参考声强的激励，为被计算声音对应的激励；

所述的抖动度的计算式为：

式中，最大特征响度，为最小特征响度，为两个连续的响度的时间差；

所述的音调度的计算式为：

式中，为第个单频分量与临界频带的差异，为第个单频分量与频率的关系，为单频分量声压级盈余量效应；

所述的粗糙度的计算式为：

式中，为调制频率，为各个频带内的激励级差；

所述的语音清晰度的计算公式为：

式中，为准确听清的语言单位数，为全部语言单位数；

所述的尖锐度的计算公式为：

式中，为权函数。

本发明所述的敏感频段为主观评价分数在 -4 至 -3 分之间的频段。

本发明中当车速大于80km/h时，关闭发声装置。因为此时车内外噪声中胎噪、风噪占主要比率，且具备足够的声学警示性，因此再进行实时发声意义不大。设置车内扬声器开关，该开关可由乘员手动控制开启与关闭。

一种电动汽车驱动系统声音采集发声装置，包括微控制器（MCU）、车内的扬声器和车外的扬声器，其特征在于：设有车速信号采集单元、电机转速信号采集单元、声音采集装置和滤波处理装置，所述的声音采集装置和滤波处理装置分别与微控制器相连，微控制器与车速传感器和转速传感器相连，车内的扬声器和车外的扬声器与滤波处理装置相连。

本发明中设有音量控制装置，所述车内的扬声器与音量控制装置直接连接。

所述的声音采集装置为麦克风，用于采集电机舱内声音；车速信号采集单元为电动汽车的车速传感器，用于检测电动汽车的车速；电机转速信号采集单元为电动汽车的转速传感器，用于检测电机转速；滤波处理装置根据车速信号与电机转速信号滤除声音信号中特定频段（敏感频段的声音信号）；音量控制装置用于手动控制车内的扬声器的音量。

微控制器通过车速信号采集单元、电机转速信号采集单元采集电动汽车实时的车速和电机的转速，通过声音采集装置采集实时的电机声音，微控制器根据车速和电机的转速将需要滤除的敏感频段的数据发送给滤波处理装置，滤波处理装置根据微控制器输入的数据对声音采集装置采集声音信号进行滤波，滤波后的声音信号传输给扬声器进行播放。

本发明相比于模拟传统汽车的发声方法，优点是：

1、展现出了电动汽车所具有的独特的声音，给人直观的真实感，且声音是电动机的实时发声，因车型、厂家、质量等因素的不同而不同，个体性十足；

2、电机声音在滤掉某些频段的声音后，人听起来是舒适、悦耳，在车内播放主观感受好；尤其是高质量的电机及传动系统，在高转速的加速过程中会产生独特的悦耳动听、提神兴奋的加速音，电动汽车的动力性的感觉强烈，主观感受性佳，使驾驶者注意力更集中。

3、电机声音在车外播放使行人容易辨别车的类型、直观感强，有较强的声学警示性；

4、乘员可通过电机声音的实时播放来感受电机的工作状况，根据电机声音可预估车的质量、性能及使用时间等，当电机出现故障时，可以主观听出电机的故障状况，能够根据实时的声响来判断故障位置及采取必要的预防维修方案。

附图说明

图1是本发明中装置的结构框图。

具体实施方式

其中：

A声级是模拟人耳对等响曲线中40 phon纯音的响应；使用A计权网络测得的噪声声压级就是A声级；A声级能较好模拟人耳的频率特性，反映人耳的主观感受；A声级的计算公式如下：

式中，为频带上的声压级，为频带上中心频率处的A计权值。

【响度】定量反映了人耳对声音强弱的主观感受程度，能准确反映声音的响亮程度。特征响度可由下式求得：

式中，为特性响度，为自由场条件下相应于人耳听阈值的激励，为对应于参考声强的激励，为被计算声音对应的激励。

【抖动度】描述了人耳主观感受到的声音信号的起伏程度。抖动度的计算模型[14]为：

式中，最大特征响度，为最小特征响度，为两个连续的响度的时间差。

【音调度】是一种表征声音信号中纯音成分所占比例的参数。音调度的数学模型是：

(5)

式中，为第个单频分量与临界频带的差异，为第个单频分量与频率的关系，为单频分量声压级盈余量效应。

【粗糙度】表征了声音的调制程度、调制幅度、调制频率分布等特征，反映了声音的高频变化。粗糙度的计算模型为：

(6)

式中，为调制频率，为各个频带内的激励级差。

【语音清晰度】是人耳分辨语音的程度。语音清晰度往往受背景噪声的频率成分和声压级水平的影响。其计算公式为：

(7)

式中，为准确听清的语言单位数，为全部语言单位数。

【尖锐度】表征了高频成分在声音频谱中所占比例，反映了声音信号的刺耳程度。尖锐度的计算模型为：

(8)

式中，为权函数。

	极其	非常	比较	有点	中立	有点	比较	非常	极其
											烦躁	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	愉悦
刺耳	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	悦耳
											柔弱	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	强劲
难以察觉	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	令人警觉

（4）、采用神经网络技术，建立噪声声品质评价的神经网络模型。输入层共计7个节点，输入量为纯电动汽车车内噪声客观声学参数：A声级、响度、抖动度、音调度、粗糙度、语音清晰度、尖锐度；隐含层节点数的计算式为：；式中，为隐含层神经元个数，为输入层神经元个数，为输出层神经元个数，；隐含层的神经元个数影响网络预测误差和网络学习时间；如果隐含层神经元个数太少，BP神经网络不能建立复杂的映射关系，网络预测误差较大；但是，如果节点数太多，网络学习时间增大，且可能出现“过拟合”现象；输出层共计4个输出节点数，输出量为纯电动汽车车内噪声样本的4个语义评价指标：烦躁与愉悦、刺耳与悦耳、柔弱与强劲、难以觉察与令人警觉；隐含层激励函数为双曲正切函数tansig，输出层激励函数为线性函数purelin；模型建立后，当7个声学客观参数确定时，带入神经网络模型，可对4个主观评价指标的分值进行预测，进而得到影响主观感受的敏感频段，本发明所述的敏感频段为主观评价分数在 -4 ~ -3 分之间的频段；

（5）、当电动汽车行驶时，根据实施采集的车速信号与发动机转速信号来确定敏感频段，滤除实时采集电动汽车电机声音信号中敏感频段的信号，达到要求（使得滤波后的声音播放时，达到人能够接受的程度）、提高声音的主观感受。

一种电动汽车驱动系统声音采集发声装置，包括微控制器（MCU）、车内的扬声器和车外的扬声器，设有车速信号采集单元、电机转速信号采集单元、声音采集装置和滤波处理装置，所述的声音采集装置为麦克风，用于采集电机舱内声音；车速信号采集单元为电动汽车的车速传感器，用于检测电动汽车的车速；电机转速信号采集单元为电动汽车的转速传感器，用于检测电机转速；滤波处理装置根据车速信号与电机转速信号滤除声音信号中特定频段（敏感频段的声音信号）；所述的声音采集装置与滤波处理装置相连，或者声音采集装置和滤波处理装置分别与微控制器相连，微控制器与车速传感器和转速传感器相连，车内的扬声器和车外的扬声器与滤波处理装置相连。设有音量控制装置，所述车内的扬声器与音量控制装置直接连接。音量控制装置用于手动控制车内的扬声器的音量。

本发明相比于模拟传统汽车的发声方法，优点是：展现出了电动汽车所具有的独特的声音，给人直观的真实感，且声音是电动机的实时发声，因车型、厂家、质量等因素的不同而不同，个体性十足；电机声音在滤掉某些频段的声音后，人听起来是舒适、悦耳，在车内播放主观感受好；尤其是高质量的电机及传动系统，在高转速的加速过程中会产生独特的悦耳动听、提神兴奋的加速音，电动汽车的动力性的感觉强烈，主观感受性佳，使驾驶者注意力更集中。电机声音在车外播放使行人容易辨别车的类型、直观感强，有较强的声学警示性；

乘员可通过电机声音的实时播放来感受电机的工作状况，根据电机声音可预估车的质量、性能及使用时间等，当电机出现故障时，可以主观听出电机的故障状况，能够根据实时的声响来判断故障位置及采取必要的预防维修方案。

Claims

1.一种电动汽车驱动系统声音采集发声方法：其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统声音采集发声方法，其特征在于步骤二中所述的滤除电机声音信号中较为刺耳的频段的声音信号、减小声音的烦躁度，使得滤波后的声音播放时，达到人能够接受的程度，是采取以下步骤获得：

（4）、采用神经网络技术，建立噪声声品质评价的神经网络模型;输入层共计7个节点，输入量为纯电动汽车车内噪声客观声学参数：A声级、响度、抖动度、音调度、粗糙度、语音清晰度、尖锐度；隐含层节点数的计算式为：；式中，为隐含层神经元个数，为输入层神经元个数，为输出层神经元个数，；输出层共计4个输出节点数，输出量为纯电动汽车车内噪声样本的4个语义评价指标：烦躁与愉悦、刺耳与悦耳、柔弱与强劲、难以觉察与令人警觉；隐含层激励函数为双曲正切函数tansig，输出层激励函数为线性函数purelin；模型建立后，当7个声学客观参数确定时，带入神经网络模型，可对4个主观评价指标的分值进行预测，进而得到影响主观感受的敏感频段；

（5）、当电动汽车行驶时，根据实时采集的车速信号与发动机转速信号来确定敏感频段，滤除实时采集电动汽车电机声音信号中敏感频段的信号，使得滤波后的声音播放时，达到人能够接受的程度，提高声音的主观感受。

3.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统声音采集发声方法，其特征在于所述的步骤三中，车内的扬声器播放的电机声音分贝范围为30dB - 60dB，车外的扬声器播放的电机声音分贝值固定为60dB。

4.根据权利要求2所述的电动汽车驱动系统声音采集发声方法：其特征在于所述的A声级的计算公式如下：

式中，为频带上的声压级，为频带上中心频率处的A计权值；

所述的响度的计算公式如下：

所述的抖动度的计算式为：

所述的音调度的计算式为：

所述的粗糙度的计算式为：

式中，为调制频率，为各个频带内的激励级差；

所述的语音清晰度的计算公式为：

式中，为准确听清的语言单位数，为全部语言单位数；

所述的尖锐度的计算公式为：

式中，为权函数。

5.根据权利要求1或2或3所述的电动汽车驱动系统声音采集发声方法，其特征在于当车速大于80km/h时，关闭车内的扬声器。

6.一种电动汽车驱动系统声音采集发声装置，包括微控制器（MCU）、车内的扬声器和车外的扬声器，其特征在于：设有车速信号采集单元、电机转速信号采集单元、声音采集装置和滤波处理装置，所述的声音采集装置和滤波处理装置分别与微控制器相连，微控制器与车速传感器和转速传感器相连，车内的扬声器和车外的扬声器与滤波处理装置相连。

7.根据权利要求6所述的电动汽车驱动系统声音采集发声装置，其特征在于：设有音量控制装置，所述车内的扬声器与音量控制装置直接连接。

8.根据权利要求6或7所述的电动汽车驱动系统声音采集发声装置，其特征在于：所述的声音采集装置为麦克风；车速信号采集单元为电动汽车的车速传感器；电机转速信号采集单元为电动汽车的转速传感器；滤波处理装置根据车速信号与电机转速信号滤除声音信号中特定频段的声音信号。