CN109177901B - 一种可定制的电动汽车模拟发声方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可定制的电动汽车模拟发声方法，涉及电动汽车安全技术领域，包括：基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器；利用一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号；利用低通滤波器对第一音频信号进行滤波，得到第二音频信号；获取环境噪声，并基于环境噪声对第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号。本发明提出的发声方法，能够根据电动汽车的行驶状态实时模拟传统汽车的声音；预设不同类型汽车的声音特性参数，通过选择不同参数，使电动汽车可以主动发出各类汽车的声音；还能根据环境声调节电动汽车发出声音的强度，使得电动汽车的声音和环境相适应。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车安全技术领域，尤其是涉及一种可定制的电动汽车模拟发声方法。
背景技术
随着国家大力推广电动汽车政策的实施，电动汽车产量呈爆发式增长。而电动汽车由于其声音微弱，驾驶室内部特别安静，低速行驶过程中几乎没有任何声音，尽管这意味着对于电动汽车不用进行降噪处理，但另一方面也会导致行人对于电动汽车的驶过没有预警，极其容易造成安全事故，驾驶员对于汽车的状态也因为缺少了声音信息而缺少了掌控力。
为实现电动汽车的主动发声，可播放设定的提示音或在行驶过程中选择性播放提前录制的传统汽车发出的声音。上述发声方法存在的问题是：提示音与传统汽车发出的声音不同，行人听到该声音无法快速将其与电动汽车联系起来，无法达到预期的预警效果；提前录制的传统汽车发声音频，不同音频的连接处会有不连贯的声音，影响电动汽车主动发声的整体效果；现有的电动汽车主动发声的声音特性单一，不能实现对各类传统汽车发声的模拟；并且，现有的发声技术尚未考虑环境噪声，电动汽车主动发声无法随环境声的强弱而改变，从而可能导致发声强度在安静环境中过于突兀而在嘈杂的环境中被湮没，使用体验差且存在一定的安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可定制的电动汽车模拟发声方法，以缓解现有技术中存在的电动汽车主动发声的声音特性单一，不能实现对各类传统汽车发声的模拟；并且，现有的发声技术尚未考虑环境噪声，电动汽车主动发声无法随环境声的强弱而改变，从而可能导致发声强度在安静环境中过于突兀而在嘈杂的环境中被湮没，使用体验差且存在一定的安全隐患的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种可定制的电动汽车模拟发声方法，包括：
基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器；
利用所述一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号；
利用低通滤波器对所述第一音频信号进行滤波，得到第二音频信号；
获取环境噪声，并基于环境噪声对所述第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器，包括：
确定所述待模拟声音的类型；
基于所述模拟声音的类型和所述当前电动汽车油门开度与电机转速，从声音特性参数库中确定所述待模拟声音在各阶次声音的中心频率、品质因数以及权重；
根据所述各阶次声音的中心频率和品质因素，设计一系列带通滤波器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述声音特性参数库包括不同品牌的传统汽车在不同的油门开度与电机转速下，发出的声音分别对应的各阶次声音的中心频率、品质因素以及权重。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述利用所述一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号，包括：
利用所述一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，得到一系列音频信号；
所述一系列音频信号按照所述权重叠加，得到第一音频信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述低通滤波器的截止频率通过待模拟声音的基频确定。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述获取环境噪声，并基于环境噪声对第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号，包括：
分别获取总噪声信号和电动汽车发出的声音信号；
基于所述总噪声信号和电动汽车发出的声音信号，确定环境噪声信号；
基于环境噪声信号对第二音频信号进行增益调节，使得第二音频信号比环境噪声信号大6dB，并得到第三音频信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述基于所述总噪声信号和电动汽车发出的声音信号，确定环境噪声信号，包括：
获取电动汽车发声处到声检测处的声传播特性的传递函数；
基于所述总噪声信号、电动汽车发出的声音信号以及所述电动汽车发声处到声检测处的声传播特性的传递函数，确定环境噪声信号。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提出一种可定制的电动汽车模拟发声方法，该方法包括：基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器；利用一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号；利用低通滤波器对第一音频信号进行滤波，得到第二音频信号；获取环境噪声，并基于环境噪声对第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号。该方法能够根据电动汽车当前的行驶状态实时地主动模拟传统汽车的声音；预设不同类型汽车的声音特性参数，通过选择不同参数，改变电动汽车生成的声音特性，使电动汽车可以主动发出各类汽车的声音；并且通过监听环境噪声强度，根据环境声音调节电动汽车发出声音的强度，使得电动汽车的声音和环境相适应。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的可定制的电动汽车模拟发声方法步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的可定制的电动汽车模拟发声方法原理框图；
图3为本发明实施例提供的设计带通滤波器的流程图；
图4为本发明实施例提供的获得第一音频信号方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的获得第三音频信号方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的确定环境噪声信号方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前电动汽车主动发声的声音特性单一，不能实现对各类传统汽车发声的模拟；并且，现有的发声技术尚未考虑环境噪声，电动汽车主动发声无法随环境声的强弱而改变，从而可能导致发声强度在安静环境中过于突兀而在嘈杂的环境中被湮没，使用体验差且存在一定的安全隐患，基于此，本发明实施例提供的一种可定制的电动汽车模拟发声方法，可以根据电动汽车当前的行驶状态实时地主动模拟传统汽车的声音；预设不同类型汽车的声音特性参数，通过选择不同参数，改变电动汽车生成的声音特性，使电动汽车可以主动发出各类汽车的声音；并且通过监听环境噪声强度，根据环境声音调节电动汽车发出声音的强度，使得电动汽车的声音和环境相适应。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种可定制的电动汽车模拟发声方法进行详细介绍。
实施例
在看似嘈杂的汽车发动机音频背后，实际上存在着比较明显的规律：存在一个基频起主导作用，该基频的倍频其次要作用，其他频率的声音可以认为是汽车进行过程中、声音采集过程中的副产品。只要能高效的复刻出其主导作用的基频声音和起次要作用的倍频声音，就可以较好的实现音频的模拟。因此，需要解决如何确定基频、基频及其倍频的权重等问题。
振动产生声音，汽车各种零件因为行驶过程中的振动和产生了汽车行驶的轰鸣声，若在平整的路面上进行行驶，该声音的最大来源是来自于发动机气缸的活塞运动。其活塞运动的快慢反应在发动机转速上，因此，可以从发动机的转速来获取音频的基频大小。
对于权重，意味着能量的大小，也就是声音的强弱，通过频谱中的能量分析来确定各个分量的频谱的大小。
此外，如果只有这些基频和倍频的声音，音效的失真感很强烈，需要加入一些噪音来润色声音，因此，通过滤波的方式来解决上述问题，这样在保留了主频的声音之外也包含了其他频率的部分声音，实现更好的效果。
为了能包含全频段的声音，用来滤波的原始音频需要包含全频段，且各个频率声音能量近乎相等。高斯白噪声满足这一特性，故考虑通过生成高斯白噪声作为原始音频，并通过一系列数字滤波器进行滤器处理和修饰，得到最后的模拟音频。
如图1所示的本实施例提出的可定制的电动汽车模拟发声方法步骤流程图，参考图1，该方法包括如下步骤：
步骤S10：基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器；
步骤S20：利用一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号；
步骤S30：利用低通滤波器对第一音频信号进行滤波，得到第二音频信号；
步骤S40：获取环境噪声，并基于环境噪声对第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号。
如图2所示的本实施例提出的可定制的电动汽车模拟发声方法原理框图，参考图2，通过获取当前电动汽车的形式信息、并确定需要模拟的声音类型，设计数字滤波器；基于上述设计的数字滤波器对白噪声序列进行滤波，可得到粗糙的模拟音频，对该模拟音频进行声音修饰，并基于环境噪声调节声音强度，可得到最终的模拟音频信号。
如图3所示，在上述步骤S10中，包括如下步骤：
步骤S101：确定所述待模拟声音的类型；
步骤S102：基于所述模拟声音的类型和所述当前电动汽车油门开度与电机转速，从声音特性参数库中确定所述待模拟声音在各阶次声音的中心频率、品质因数以及权重；
步骤S103：根据所述各阶次声音的中心频率和品质因素，设计一系列带通滤波器。
步骤S102中的声音特性参数库包括：不同品牌的传统汽车在不同的油门开度与电机转速下，发出的声音分别对应的各阶次声音的中心频率、品质因素以及权重。
假设声音特性参数库中分别预设了A、B、C等不同类型的汽车的声音特性参数，根据这些参数，电动汽车可以模拟各类汽车的声音。
以A类型汽车参数的获取过程为例：
首先对A汽车进行声音分析实验，测量A汽车在某个发动机转速RPM与油门开度APS下的声音，假设发动机转速为n,则声音的基频F0＝2n/60；对测量到的声音进行傅里叶变换，得到声音的频域谱特性。在频谱图中，利用寻优搜索算法找到频谱中的峰值，为各阶次声音的中心频率F,F＝F0×K，其中K可取1、1.5、2、2.5、3……16、16.5……。根据各阶次声音峰值大小比例确定每种声音阶次所占的权重W。各阶次声音峰值的邻域，即各阶次频谱峰值对应的中心频率F左右，大小与峰值相差3dB的频点F1和F2(F1<F2)之间的频率范围。根据各阶次声音的中心频率F以及带宽BW确定每种声音的品质因数Q，公式为Q＝F/BW。各阶次声音的带宽BW，即各阶次声音峰值的邻域的宽度，公式为BW＝F2-F1。此时得到A汽车在特定发动机转速RPM以及油门开度APS下的声音特性参数，包括各阶次声音的品质因数Q以及权重W。变更不同的发动机转速RPM以及油门开度APS组合，重复上述步骤，可以得到A汽车在一系列发动机转速RPM以及油门开度APS组合下的声音特性参数，即各阶次声音的品质因数Q以及权重W。根据各阶次声音的中心频率F与品质因数Q，可以设计一系列的带通滤波器，滤波器的传递函数表达式由H(s)＝(2πFs/Q)/(s^2+2πFs/Q+4π^2F^2)确定，其中s表示微分算子。
继续对B、C等不同汽车进行声音分析实验，重复上述步骤，可以得到A、B、C等不同类型的汽车在一系列发动机转速RPM以及油门开度APS组合下的声音特性参数，即各阶次声音的品质因数Q以及权重W。
最终得到的声音类型选择单元中的预设参数列表，即以汽车类型(A、B、C)、发动机转速RPM与油门开度APS为索引，以各阶次声音的品质因数Q、权重W为检索内容而存储的数据。
列表中可以不断添加新的汽车类型而无须改变已经预设的参数数据。如若新增汽车D的声音特性参数，只需对汽车D进行声音分析实验，将得到的汽车D的参数添加到列表中即可。
在电动汽车行驶过程中，驾驶员通过选择一种汽车类型A，使电动汽车发出A类型汽车的声音；驾驶员可以切换汽车类型，从而切换电动汽车发出的声音的类型。
汽车类型A、B、C、D分别代表某一个汽车品牌的某一款汽车类型。
通过预设不同类型的汽车的发声特性参数，使得电动汽车可定制其发出的声音类型，用户体验得到较大的改善。
在步骤S20中，包括如下步骤：
步骤S201：利用一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，得到一系列音频信号；
步骤S202：所述一系列音频信号按照所述权重叠加，得到第一音频信号。
选定20ms-50ms的时间段作为滤波窗口，在该时间段内认为车辆状态不变，利用生成的一系列滤波器对对白噪声序列进行滤波，将得到的滤波结果按照各阶次声音对应的权重W进行加和，得到在该时间段内的粗糙的音频信号，在下一个时间段内，重新根据车辆信息得到新的一系列滤波器，重复上述滤波步骤，又得到在该时间段内的粗糙的音频信号，并将新生成的音频信号按时间顺序连接在上一个时间段得到的音频信号之后。如此重复，就能得到一段时间随着车辆当前状态实时变化的第一音频信号。
在步骤S30中，低通滤波器的截止频率通过待模拟声音的基频确定。优选地，将截止频率设为10倍的基频F0。
在步骤S40中，包括如下步骤：
步骤S410：分别获取总噪声信号和电动汽车发出的声音信号；
步骤S420：基于总噪声信号和电动汽车发出的声音信号，确定环境噪声信号；
步骤S430：基于环境噪声信号对第二音频信号进行增益调节，使得第二音频信号比环境噪声信号大6dB，并得到第三音频信号。
通过获取环境噪声，使得模拟音频发出的声音大于环境噪声，从而避免在噪声较大的环境中模拟音频发出的声音被环境声湮没的情况。
在上述步骤S420中，包括如下步骤：
步骤S421：获取电动汽车发声处到声检测处的声传播特性的传递函数；
步骤S422：基于总噪声信号、电动汽车发出的声音信号以及电动汽车发声处到声检测处的声传播特性的传递函数，确定环境噪声信号。
使用第一麦克风监听总噪声S1的大小，第一麦克风测量结果包括环境噪声S2以及此电动汽车主动发出的声音S3，所以环境噪声S2可由S2＝S1-S3确定。
电动汽车主动发出的音频序列L3经由扬声器播放，被扬声器附近的第二麦克风监听为S3，从L3到S3的传递函数P可通过实验得到，所以环境噪声S2即可由S2＝S1-P×L3确定；
通过在安静隔音环境中，在电动汽车主动发声进行过程中，测量一组电动汽车主动发出的音频序列L31与总噪声S11信号，此时环境噪声S2可近似为0，总噪声S11等于电动汽车主动发出的声音S3。对L31与S11分别进行傅里叶变换，从L3到S3的传递函数P由P(z)＝S11(z)/L31(z)确定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种可定制的电动汽车模拟发声方法，其特征在于，包括：
基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器；
利用所述一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号；
利用低通滤波器对所述第一音频信号进行滤波，得到第二音频信号；
获取环境噪声，并基于环境噪声对所述第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号；
所述基于待模拟声音和当前电动汽车油门开度与电机转速设计一系列带通滤波器，包括：
确定所述待模拟声音的类型；
基于所述模拟声音的类型和所述当前电动汽车油门开度与电机转速，从声音特性参数库中确定所述待模拟声音在各阶次声音的中心频率、品质因数以及权重；
根据所述各阶次声音的中心频率和品质因素，设计一系列带通滤波器。
2.根据权利要求1所述的可定制的电动汽车模拟发声方法，其特征在于，所述声音特性参数库包括不同品牌的传统汽车在不同的油门开度与电机转速下，发出的声音分别对应的各阶次声音的中心频率、品质因素以及权重。
3.根据权利要求1所述的可定制的电动汽车模拟发声方法，其特征在于，所述利用所述一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，基于滤波结果得到第一音频信号，包括：
利用所述一系列带通滤波器对白噪声序列进行滤波，得到一系列音频信号；
所述一系列音频信号按照所述权重叠加，得到第一音频信号。
4.根据权利要求1所述的可定制的电动汽车模拟发声方法，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率通过待模拟声音的基频确定。
5.根据权利要求1所述的可定制的电动汽车模拟发声方法，其特征在于，所述获取环境噪声，并基于环境噪声对第二音频信号进行增益调节，得到第三音频信号，包括：
分别获取总噪声信号和电动汽车发出的声音信号；
基于所述总噪声信号和电动汽车发出的声音信号，确定环境噪声信号；
基于环境噪声信号对第二音频信号进行增益调节，使得第二音频信号比环境噪声信号大6dB，并得到第三音频信号。
6.根据权利要求5所述的可定制的电动汽车模拟发声方法，其特征在于，所述基于所述总噪声信号和电动汽车发出的声音信号，确定环境噪声信号，包括：
获取电动汽车发声处到声检测处的声传播特性的传递函数；
基于所述总噪声信号、电动汽车发出的声音信号以及所述电动汽车发声处到声检测处的声传播特性的传递函数，确定环境噪声信号。
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