CN108713228B - 车辆引擎声音管理 - Google Patents

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Abstract

主动声音管理系统(10)包括：换能器(103)，其感测来自声音生成源(102)的实际声音或振动，并响应于感测到实际声音或振动而产生换能器信号(132)；谐波提取器设备(104)，其从换能器信号中提取多个谐波；以及谐波修改器设备(106)，其将所提取的谐波的特征调整为在关于与期望声音对应的目标谐波的预定阈值内。

Description

车辆引擎声音管理
相关申请
本申请要求于2016年3月2日提交的美国专利申请序列号15/058,553的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本公开总体上涉及声音增强，并且更具体地涉及用于生成自然车辆引擎谐波并根据预定义目标调整它们以修改车厢乘客或车辆附近人员的声音和/或振动体验的系统和方法。
发明内容
在一个方面，提供了一种主动声音管理系统，其包括：换能器，其感测来自声音生成源的实际声音或振动，并响应于感测到实际声音或振动而产生换能器信号；谐波提取器设备，其从换能器信号中提取多个谐波；以及谐波修改器设备，其将所提取的谐波的特征调整为在关于与期望声音相对应的目标谐波的预定阈值内。
方面可以包括以下特征中的一个或多个特征：
谐波提取器设备可以包括：参考频率计算器，其接收指示声音生成源的旋转速度的信号，并根据该信号确定声音生成源的谐波的基频；以及谐波分解器，其将谐波的基频乘以每个谐波的阶数，以用于计算谐波频率，并相应地从换能器产生的信号中提取谐波。
声音生成源可以包括车辆引擎。
谐波修改器设备可以包括：目标计算器，其产生与输入信号的基频相关的多个目标谐波；包络检测器，其根据从引擎声音中提取的多个谐波信号生成多个估算值，该多个估算值提供对应的谐波信号的估算包络；增益计算器，其处理估算值和目标谐波，以用于确定用于所提取的谐波信号的个体增益调整；以及多个增益设备，其根据增益调整和所提取的谐波信号生成经调整的谐波信号。
可以根据时间窗口上的平滑处理来提供估算的包络。
目标计算器可以包括负载处理器，其将由目标计算器接收的表示车辆状态参数的输入信号中的扭矩测量转换为引擎负载测量，并且根据输入信号中提供的RPM数据和引擎负载数据确定谐波幅度和相位。
目标计算器可以包括多个谐波查找表(LUT)，多个谐波查找表将所接收的RPM数据的值与基频值相关联，并确定目标谐波值。
在另一方面，提供了一种谐波修改器设备，其包括：目标计算器，其生成与输入信号的基频相关的多个目标谐波；包络检测器，其根据从引擎声音中提取的多个谐波信号生成多个估算值，该多个估算值根据在时间窗口上的平滑处理来提供对应的谐波信号的估算包络；增益计算器，其处理估算值和目标谐波，以用于确定用于所提取的谐波信号的个体增益调整；以及多个增益设备，其根据增益调整和所提取的谐波信号生成经调整的谐波信号。
方面可以包括以下特征中的一个或多个特征：
目标计算器可以包括负载处理器，其将由目标计算器接收的表示车辆状态参数的输入信号中的扭矩测量转换为引擎负载测量，并且根据输入信号中提供的RPM数据和引擎负载数据确定谐波幅度和相位。
目标计算器可以包括多个谐波查找表(LUT)，多个谐波查找表将所接收的RPM数据的值与基频值相关联，并确定目标谐波值。
在另一方面，提供了一种车辆引擎谐波信号增强系统，其包括：设备，其提供与车辆引擎的每分钟转数(RPM)相对应的基频；换能器，其响应于感测到来自车辆引擎的输出而生成信号；谐波提取器，其从换能器信号中提取个体谐波；比较器，其将每个提取的谐波与目标谐波进行比较，目标谐波对应于在接近车辆引擎的车厢中听到的期望引擎声音；以及谐波修改器，其将所提取的谐波的特征调整为在关于目标谐波的阈值内。
方面可以包括以下特征中的一个或多个特征：
声音生成源可以是车厢、引擎、进气口或排气口中的至少一个。
谐波的特征可以包括所提取的谐波的幅度、相位和/或频率。
谐波提取器设备可以包括：参考频率计算器，其接收指示声音生成源的旋转速度的信号，并根据该信号确定声音生成源的谐波的基频；以及谐波分解器，其可以将谐波的基频乘以每个谐波的阶数以用于计算谐波频率，并且可以相应地从换能器生成的信号中提取谐波。
谐波修改器设备可包括：目标计算器，其生成与输入信号的基频相关的多个目标谐波；包络检测器，其可以根据从引擎声音中提取的多个谐波信号来生成多个估算值，该多个估算值提供对应的谐波信号的估算包络；增益计算器，其可以处理估算值和目标谐波，以用于确定用于所提取的谐波信号的个体增益调整；以及多个增益设备，其可以根据增益调整和所提取的谐波信号产生经调整的谐波信号。
可以根据时间窗口上的平滑处理来提供估算包络。
目标计算器可以包括负载处理器，其将由目标计算器接收的表示车辆状态参数的输入信号中的扭矩测量转换为引擎负载测量，并且根据输入信号中提供的RPM数据和引擎负载数据确定谐波幅度和相位。
目标计算器可以包括多个谐波查找表(LUT)，多个谐波查找表将所接收的RPM数据的值与基频值相关联，并确定目标谐波值。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以更好地理解上述和其他优点，其中相同的附图标记指示各种附图中的相同的结构元件和特征。附图不一定按比例，而是将重点放在说明概念的原理上。
图1是根据一些示例的主动声音管理系统的框图。
图2是根据一些示例的主动声音管理系统的谐波提取器和谐波修改器的详细框图。
图3是根据其他示例的主动声音管理系统的谐波提取器和谐修改器的详细框图。
图4是根据其他示例的主动声音管理系统的谐波提取器和谐波修改器的详细框图。
图5是根据一些实施例的用于车辆引擎声音增强的方法的流程图。
图6A和图6B是示例比较的频谱图，其中图6A表示在传统的引擎谐波增强(EHE)系统中生成的谐波，并且图6B表示根据一些示例提取的谐波。
具体实施方式
尽管附图的若干视图的元件可以在框图中示出并描述为离散元件，并且可以被称为“电路”，但是除非另有说明，元件可以实现为模拟电路、数字电路或执行软件指令的一个或多个微处理器中的一个或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。操作可以由模拟电路或由执行软件的微处理器执行，该软件执行模拟操作的数学或逻辑等效物。除非另有说明，否则信号线可以实现为离散的模拟信号线、数字信号线、具有适当信号处理的单条离散数字信号线以处理单独的音频信号流，或者实现为无线通信系统的元件。可以在框图中描述一些过程。在每个框中执行的活动可以由一个元件或多个元件执行，并且可以在时间上分开。执行框的活动的元件可以在物理上分开。除非另有说明，音频信号或视频信号或两者可以以数字或模拟形式编码和传输；传统的数模转换器或模数转换器可能未在图中示出。
一些引擎谐波增强方法将表示通过传感器记录或捕获的来自引擎的合成产生或提取的谐波的信号与对应于实际引擎声音的信号组合，以增强或以其他方式再现特定的引擎声音特征。因此，在诸如电动车辆的相对安静的车辆中，这种增强可以向驾驶员提供电马达正在操作的指示并且提供例如车辆行进速度的车辆的操作状况的感觉指示。在混合动力车辆中，尽管从内燃动力到电马达动力的变化，声音增强系统可以向驾驶员提供一致的声音体验。引擎声音增强系统可以允许车辆的乘客体验在嘈杂或其他刺激水平的引擎声音，而不会对车辆外部的人员来说是恼人地嘈杂的。
图1是根据一些示例的主动声音管理系统10的框图。
如图1所示，系统10包括谐波提取器104，其接收并处理来自声音生成源102的RPM信号131和来自诸如麦克风、加速度计或其他感测设备的换能器103的信号132。在一些示例中，声音生成源102是例如电马达的车辆引擎。RPM信号131表示车辆引擎或相关声音生成源102的每分钟转数。RPM信号131向谐波提取器104提供引擎谐波的基频，其可以用作参考。RPM信号131可以是接线上的模拟信号、或用于交换机械和/或电子信号的相关介质或总线上的数字信号。RPM信号131可以从点火模块、曲轴传感器、或者声音生成源102的其他电子设备部分、或与声音生成元源102通信的其他电子设备部分接收。
换能器103检测由声音生成源102生成的诸如声波、压力、振动等的能量形式，并且作为响应产生换能器信号132，换能器信号132被输入到谐波提取器104以与RPM信号131一起处理。换能器103可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器位于车辆引擎、车辆排气口、车厢(例如，图1中所示的车厢12)和/或其他位置附近，从该其他位置，声波、压力、振动等可以被接收、被处理、并且被用于产生所需的声音信号。在一些示例中，多个换能器可以位于不同的位置，使得可以获得不同的谐波以供主动声音管理系统处理。
鉴于从RPM信号131确定的参考频率，谐波提取器104对换能器信号132执行谐波分解以提取实际引擎声音的一组谐波，并且将所提取的谐波h1-hn输出到谐波修改器106。所提取的谐波h1-hn包含在RPM信号131的基频的倍数处和附近的频率分量。因此，谐波提取器104可以提取在RPM范围之上的引擎声音的谐波。在以这种方式从换能器处理的声音中提取谐波时，可以为所提取的谐波h1-hn中的每个谐波提取幅度、相位和/或频率信息，所提取的谐波h1-hn可以用于再现目标引擎声音的特征。
主动声音管理系统10还包括谐波修改器106，其处理接收的源旋转频率信号131、所提取的谐波h1-hn和车辆状态参数133，以将所提取的谐波h1-hn的幅度、相位、频率和/或其他特征调整为在阈值内，该阈值是关于与在车厢12中听到的期望引擎声音相对应的目标谐波的。例如，谐波修改器106可以从声音生成源102接收代表引擎负载和/或其他车辆状态参数的输入信号133，并将输入信号133转换为控制参数信号，该控制参数信号由谐波修改器106产生，以用于平衡或以其他方式控制谐波增强的整体声级。例如，引擎负载信号133可以代表引擎扭矩，由此引擎负载检测器(未示出)可以将扭矩测量转换为引擎负载测量。负载处理器105可以接收来自输入信号133的扭矩信号，并基于扭矩信号确定控制参数。其他车辆状态参数可包括但不限于质量空气流量、歧管绝对压力、加速器位置、档位(gearposition)、车辆速度、速度限制器和驱动轴速度。
表示引擎负载的信号133非常适合于控制声音增强水平，这至少有两个原因。第一，整体引擎噪声水平随着正引擎负载的增加而单调增加。第二，当引擎推进变速器时，通常仅对于正引擎负载需要强增强。当变速器推进引擎时会发生负引擎负载，也称为引擎制动。当在引擎制动期间可能存在高水平的固有引擎噪声时，对于这种情况可能需要噪声消除，但是很少需要显著的声音增强。谐波修改器106可以使用引擎负载、引擎负载的变化、RPM和RPM的变化率来确定调整谐波增强水平的增益。
从RPM信号131得到的基频被谐波提取器104用作自适应滤波器的参考信号，该自适应滤波器估算谐波以便从换能器信号132中的其他噪声中提取或分离谐波。因此，谐波修改器106还接收RPM信号131和所提取的谐波h1-hn以及负载信号133作为输入，确定用于谐波h1-hn中的每个谐波的个体增益调整，并输出所调整的谐波信号h'1-h'n，所调整的谐波信号h'1-h'n被电求和以产生输出信号138，根据该输出信号138从扬声器108播放输出声音，以在车厢12中实现期望的声音。
图2是图1的主动声音管理系统10的谐波提取器104A和谐波修改器106A的详细框图。
如参考图1所描述的，基于响应于接收到的RPM信号131而产生的参考频率，谐波提取器104A提取多个谐波h1-hN(其中N是所考虑的谐波的总数目)。
谐波提取器104A包括RPM检测和参考频率计算器202和谐波分解器204。RPM检测和参考频率计算器202接收RPM信号131作为输入，并且根据RPM信号131确定引擎谐波的基频，RPM信号131表示以RPM为单位的引擎速度。RPM检测器和参考频率计算器202被操作地耦合到谐波分解器204，谐波分解器204从由换能器103接收的信号132中提取谐波。谐波分解器204使用RPM信号131作为自适应滤波器的参考信号，自适应滤波器估算谐波以便从换能器信号132中的其他噪声中提取或分离谐波。谐波提取/分解处理可以使用自适应算法、带通滤波等来实现。谐波分解器204可以包括多个频率转换器(未示出)，以用于计算每个谐波的中心频率，该中心频率是基频的倍数。谐波分解器204分别提取谐波信号h1-hN。
谐波修改器106可以包括目标计算器222，其确定多个目标谐波(Tgtk)，其中k＝1到n，并且指的是RPM信号131的基频的特定谐波。
在一些示例中，目标计算器222可以接收表示引擎负载和/或其他车辆状态参数的输入信号133。例如，输入信号133可以代表引擎扭矩，由此目标计算器222可以包括引擎负载处理器105，引擎负载处理器105将扭矩测量转换为引擎负载测量。备选地，负载处理器105可以是执行该功能并将结果提供给目标计算器222的单独元件。
目标计算器222可以确定作为RPM和引擎负载的函数的特定谐波幅度和相位。目标计算器222可以包括多个谐波查找表(LUT)223，例如，谐波查找表(LUT)223将接收到的RPM信号131的值与基频值相关联，并且确定针对谐波h1-hn的目标值Tgt1-Tgtn。备选地，可以根据例如函数(RPM，负载)的公式来计算或近似幅度和/或相位。
谐波修改器106包括包络检测器212，其从接收的谐波信号h1-hn生成估算值Ek(其中k＝1到n)，以用于分别调整谐波h1-hn。例如根据时间窗口上的平滑处理，估算值E1-En提供对应的谐波信号h1-hn的估算包络。估算值E1-En由增益计算器216结合目标信号Tgt1-Tgtn使用，以用于确定用于谐波h1-hn的个体增益调整g1-gn。
增益计算器216可以用作目标谐波Tgt1-Tgtn和谐波的估算包络E1-En之间的比较器，其目的是确定谐波增益值，以便车厢中产生的声音处于或接近由目标谐波代表的目标声音。特别地，谐波控制器216可以计算增益(gk)，其中k＝1到n，增益(gk)由下式计算：gk＝Tgtk/Ek。
在一些示例中，多个谐波增益设备217a-217n位于增益计算器216的输出处，以用于通过计算的增益g1-gn调整谐波h1-hn。增益设备217a-217n被操作地耦合，以用于调整的谐波信号h'1-h'n的电求和110，以产生输出信号138，根据该输出信号138从扬声器108播放输出声音，以在车厢12中实现所需的声音。因此，所得到的增强可以利用固有谐波声级在声学上被求和，从而产生与期望目标匹配的声级。
在一些示例中，如本文中参考图2所描述的，通过使用关于调整谐波信号的幅度的复增益来进行主动声音管理处理。然而，概念不限于此。例如，在用于谐波修改的其他统计信息被使用的情况下，图2中描述的包络检测器212可以用作统计计算器。在一些实施例中，除了幅度之外或代替幅度，谐波修改处理可以涉及相位和/或频率。
图3是根据其他示例的主动声音管理系统的谐波提取器104B和谐波修改器106B的详细框图。图3所示的系统类似于图2所示的系统，除了所提取的谐波h1-hn仅用于确定谐波的增益，用于生成声音增强，并且除了例如本领域普通技术人员已知的独立谐波生成器被提供用于产生谐波h1a-hna，例如，使用谐波生成器14处的查找表等以常规方式产生正弦波信号。图3中所示的系统的其他元件与参照图2描述的那些元件相同或相似，为简洁起见，不再重复。
图4是根据其他示例的主动声音管理系统的谐波提取器104C和谐波修改器106C的详细框图。图4示出了所提取的谐波h1-hn和生成的谐波h1a-hna两者都用于增强输出的情况。具体地，每个谐波增益设备217a-217n接收提取的谐波和生成的谐波作为输入，提取的谐波和生成的谐波分别通过计算的增益g1-gn和g1a-gna来调整。增益设备217a-217n被操作地耦合以用于调整的谐波信号h'1-h'n的电求和110，以产生输出信号138。图4中所示的系统的其他元件与参照图2描述的那些元件相同或相似，为简洁起见，不再重复。
图5是根据一些实施例的用于车辆引擎声音增强的方法300的流程图。在一些示例中，方法300中的一些或全部可以由图1至图4的主动声音管理系统10执行。
在框302处，换能器103感测来自声音生成源的实际声音或振动，并生成对应的信号。
在框304处，从接收的换能器信号中提取一组谐波信号h1-hn。
在框306处，通过将谐波h1-hn乘以计算的增益g1-gn，所提取的谐波信号h1-hn被修改成例如图1中所示的调整的谐波信号h'1-h'n。
在框308处，将修改的谐波信号h'1-h'n电求和并输出到扬声器108或相关设备，以用于产生声音，其中在车厢中产生的声音、来自一个或多个扬声器的输出的声学总和、以及来自源的实际声音处于或接近车厢中的期望引擎声音。
图6A和图6B是示例比较的频谱图，其中图6A表示在传统的引擎谐波增强(EHE)系统中生成的谐波，并且图6B表示根据一些示例提取的谐波。图6A和图6B之间的比较清楚地示出了所提取的谐波包含与所生成的谐波相比更宽频率范围中的频率分量，并且以优越的方式保持声音的期望特性。因此，从所提取的谐波产生的声音更自然、音调更少。
已经描述了许多实现方式。然而，将理解，前面的描述旨在说明而不是限制由权利要求的范围限定的发明构思的范围。其他示例在所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种主动声音管理系统，包括：
换能器，其感测来自声音生成源的实际声音或振动，并且响应于感测到所述实际声音或振动而产生换能器信号；
谐波提取器设备，其从所述换能器信号中提取多个谐波；以及
谐波修改器设备，其将所提取的所述谐波的特征调整为在关于与期望声音相对应的目标谐波的预定阈值内。
2.根据权利要求1所述的主动声音管理系统，其中所述谐波提取器设备包括：
参考频率计算器，其接收表示所述声音生成源的旋转速度的信号，并且根据所述信号确定所述声音生成源的所述谐波的基频；以及
谐波分解器，其将所述谐波的所述基频乘以每个谐波的阶数，以用于计算谐波频率，并且从由所述换能器生成的所述信号中提取所述谐波。
3.根据权利要求1所述的主动声音管理系统，其中所述声音生成源包括车辆引擎。
4.根据权利要求1所述的主动声音管理系统，其中所述谐波修改器设备包括：
目标计算器，其生成与输入信号的基频有关的多个目标谐波；
包络检测器，其根据从引擎声音中提取的多个谐波信号生成多个估算值，所述多个估算值提供对应的所述谐波信号的估算包络；
增益计算器，其处理所述估算值和所述目标谐波，以用于确定用于所提取的所述谐波信号的个体增益调整；以及
多个增益设备，其根据所述增益调整和所提取的所述谐波信号生成经调整的谐波信号。
5.根据权利要求4所述的主动声音管理系统，其中所述估算包络根据在时间窗口上的平滑处理被提供。
6.根据权利要求4所述的主动声音管理系统，其中所述目标计算器包括：
负载处理器，其将由所述目标计算器接收的表示车辆状态参数的所述输入信号中的扭矩测量转换为引擎负载测量，并且根据所述输入信号中提供的RPM数据和引擎负载数据确定谐波幅度和相位。
7.根据权利要求6所述的主动声音管理系统，其中所述目标计算器包括多个谐波查找表LUT，所述多个谐波查找表将所接收的RPM数据的值与基频值相关联，并且确定目标谐波值。
8.一种谐波修改器设备，包括：
目标计算器，其生成与输入信号的基频有关的多个目标谐波；
包络检测器，其根据从引擎声音中提取的多个谐波信号生成多个估算值，所述多个估算值根据时间窗口上的平滑处理提供对应的所述谐波信号的估算包络；
增益计算器，其处理所述估算值和所述目标谐波，以用于确定用于所提取的所述谐波信号的个体增益调整；以及
多个增益设备，其根据所述增益调整和所提取的所述谐波信号生成经调整的谐波信号。
9.根据权利要求8所述的谐波修改器设备，其中所述目标计算器包括：
负载处理器，其将由所述目标计算器接收的表示车辆状态参数的所述输入信号中的扭矩测量转换为引擎负载测量，并且根据所述输入信号中提供的RPM数据和引擎负载数据确定谐波幅度和相位。
10.根据权利要求9所述的谐波修改器设备，其中所述目标计算器包括多个谐波查找表LUT，所述多个谐波查找表将所接收的RPM数据的值与基频值相关联，并且确定目标谐波值。
11.一种车辆引擎谐波信号增强系统，包括：
设备，其提供与车辆引擎的每分钟转数RPM相对应的基频；
换能器，其响应于感测到来自所述车辆引擎的输出而生成信号；
谐波提取器设备，其从换能器信号中提取个体谐波；
比较器，其将每个所提取的谐波与目标谐波进行比较，所述目标谐波对应于在接近所述车辆引擎的车厢中听到的期望引擎声音；以及
谐波修改器设备，其将所提取的所述谐波的特征调整为在关于所述目标谐波的阈值内。
12.根据权利要求11所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述声音生成源是车厢、引擎、进气口或排气口中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述谐波的所述特征包括所提取的所述谐波的幅度、相位和/或频率。
14.根据权利要求11所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述谐波提取器设备包括：
参考频率计算器，其接收表示所述声音生成源的旋转速度的信号，并且根据所述信号确定所述声音生成源的所述谐波的基频；以及
谐波分解器，其将所述谐波的所述基频乘以每个谐波的阶数，以用于计算谐波频率，并且相应地从由所述换能器生成的所述信号中提取所述谐波。
15.根据权利要求11所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述谐波修改器设备包括：
目标计算器，其生成与输入信号的基频有关的多个目标谐波；
包络检测器，其根据从引擎声音中提取的多个谐波信号生成多个估算值，所述多个估算值提供对应的所述谐波信号的估算包络；
增益计算器，其处理所述估算值和所述目标谐波，以用于确定用于所提取的所述谐波信号的个体增益调整；以及
多个增益设备，其根据所述增益调整和所提取的所述谐波信号生成经调整的谐波信号。
16.根据权利要求15所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述估算包络根据在时间窗口上的平滑处理被提供。
17.根据权利要求15所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述目标计算器包括：
负载处理器，其将由所述目标计算器接收的表示车辆状态参数的所述输入信号中的扭矩测量转换为引擎负载测量，并且根据所述输入信号中提供的RPM数据和引擎负载数据确定谐波幅度和相位。
18.根据权利要求17所述的车辆引擎谐波信号增强系统，其中所述目标计算器包括多个谐波查找表LUT，所述多个谐波查找表将所接收的RPM数据的值与基频值相关联，并且确定目标谐波值。
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