CN112262429A - 用于自适应量级车辆声音合成的系统和方法 - Google Patents

用于自适应量级车辆声音合成的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种车辆声音合成系统设置有扬声器、麦克风和控制器。所述扬声器适于响应于接收到经调节的SEN信号而在车辆的车厢内投射指示合成发动机噪声(SEN)的声音。所述麦克风设置在所述车厢中并且适于提供具有SEN分量和噪声分量的麦克风信号。所述控制器被编程为接收所述麦克风信号、基于所述麦克风信号调节SEN信号并且将所述经调节的SEN信号提供给所述扬声器。

Description

用于自适应量级车辆声音合成的系统和方法
技术领域
一个或多个实施方案涉及用于在背景噪声状况期间合成声音的车辆系统和方法。
背景技术
车辆包括产生驾驶员和乘客舱内的任何乘客通常可听到的噪声的部件。例如，驾驶员可以听到由动力传动系统的发动机和车辆的排气系统产生的噪声。在新的车辆架构和驾驶模式中，可以减少或不存在此类噪声。例如，电动车辆不包括内燃发动机，并且因此不会产生典型的发动机噪声。对于驾驶员来说，不存在发动机噪声可能是意外的。因此，车辆音频系统可以产生合成噪声，所述合成噪声表示在操作车辆时产生的典型的或预期的噪声。
发明内容
在一个或多个实施方案中，一种车辆声音合成系统设置有扬声器、麦克风和控制器。扬声器适于响应于接收到经调节的SEN信号而在车辆的车厢内投射指示合成发动机噪声(SEN)的声音。麦克风设置在车厢中并且适于提供具有SEN分量和噪声分量的麦克风信号。控制器被编程为接收麦克风信号、基于麦克风信号调节SEN信号并且将经调节的SEN信号提供给扬声器。
在一个或多个实施方案中，一种车辆系统设置有控制器，所述控制器被配置为从麦克风接收与车辆车厢内存在的声音和噪声相对应的麦克风信号并处理所述麦克风信号。控制器还被配置为生成指示合成发动机噪声(SEN)的SEN信号，基于经处理的麦克风信号来调节SEN信号；并且将经调节的SEN信号提供给扬声器，以作为车辆车厢内存在的声音投射。
在一个或多个实施方案中，提供了一种体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，其被编程用于合成发动机噪声(SEN)。所述计算机程序产品包括用于进行以下操作的指令：接收指示车辆车厢内存在的声音和噪声的麦克风信号，和指示车辆速度的输入；以及处理麦克风信号。所述计算机程序产品还包括用于进行以下操作的指令：基于车辆速度生成指示SEN的SEN信号；基于经处理的麦克风信号调节SEN信号；以及将经调节的SEN信号提供给扬声器以用于在车辆车厢内投射声音。
附图说明
图1是根据一个或多个实施方案的用于相对于背景噪声状况合成声音的车辆系统的示意图。
图2是图1的车辆系统的示意性框图。
图3是根据一个或多个实施方案的示出用于相对于背景噪声状况合成声音的方法的流程图。
图4是根据一个或多个实施方案的示出用于相对于背景噪声状况合成声音的另一种方法的流程图。
图5是根据一个或多个实施方案的示出用于相对于背景噪声状况合成声音的又一种方法的流程图。
图6是根据一个或多个实施方案的示出用于相对于背景噪声状况合成声音的再一种方法的流程图。
具体实施方式
根据需要，本文公开了详细实施方案；然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是示例性的并且可以以各种和替代形式体现。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。此外，示出了包含多个步骤的流程图，并且这些步骤可以以交替顺序执行，并且在一些实施方案中，多个步骤同时发生。因此，本文所公开的具体的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员的代表性基础。
参考图1，示出了根据一个或多个实施方案的用于合成声音的车辆系统，并且所述车辆系统大体上由数字110表示。车辆系统110被描绘为在车辆112内。车辆112包括动力传动系统113，所述动力传动系统可以包括内燃发动机(ICE)。车辆112包括一个或多个车窗114，以及用于控制车辆内的气候的暖通空调(HVAC)系统115。车辆系统110包括控制器116、至少一个扬声器118以及(在某些实施方案中)至少一个麦克风120。
在某些驾驶模式或操纵期间，驾驶员可能期望在车辆112的内部车厢或乘客舱122内听到来自动力传动系统113的噪声。在新的车辆架构和驾驶模式中，可以减少或不存在此类动力传动系统噪声。控制器116与一个或多个车辆控制器(未示出)通信，以在当前驾驶状况下监测各种车辆部件和系统，诸如动力传动系统113。控制器116生成合成发动机噪声(SEN)信号，所述SEN信号通过提供车辆的行驶动力学(例如，加速、巡航、减速、倒车、起动、停止)的可听反馈来有助于驾驶体验，所述可听反馈被提供给扬声器118并且作为可听的SEN在乘客舱122内投射。该SEN与实际发动机声音结合以产生由驾驶员听到的总发动机声音。该总发动机声音与乘客舱中的背景噪声组合以形成驾驶员所经历的声景。
背景噪声的声级可以基于许多因素而变化，诸如音乐和气候控制设定(例如，车窗114的状态、除霜模式和/或HVAC风扇速度)。因此，控制器116例如通过根据如下所述的一种或多种方法增加级别来响应于增加的背景噪声级而调节或增加SEN信号。如本文所用，SEN术语可以指代可听见的空气传声，并且指代被发送到放大器且然后发送到扬声器以变为可听见的声音的电信号。在一个或多个实施方案中，SEN可以包括代表发动机启动和关闭状况的合成的车辆声音。
参考图1至图2，控制器116通过有线或无线通信经由一个或多个车辆网络与其他车辆系统和控制器通信。车辆网络可以包括多个用于通信的通道。车辆网络的一个通道可以是串行总线，诸如控制器局域网(CAN)124。车辆网络的一个通道可以包括由电气电子工程师学会(IEEE)802系列标准定义的以太网网络。车辆网络的附加通道可以包括模块之间的离散连接，并且可以包括功率信号。可以通过车辆网络的不同通道传输不同的信号。例如，视频信号可以通过高速通道(例如以太网)传输，而引导信号可以通过CAN或离散信号传输。车辆网络可以包括有助于在模块与控制器之间传输信号和数据的任何硬件和软件组件。
虽然控制器116被示为单个控制器，但是它可以包括多个控制器，或者它可以体现为一个或多个其他控制器内的软件代码。控制器116通常包括任何数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)和软件代码，以彼此共同合作来执行一系列操作。根据一个或多个实施方案，控制器116包括存储在存储器内的预定数据或“查找表”。
根据一个或多个实施方案，控制器116包括发动机阶次噪声消除(EOC)模块125。EOC模块125消除或减小发动机声音。控制器116接收一个或多个麦克风信号(MIC)，其表示在乘客舱122内测量的声音。乘客舱122中的声音可以包括SEN、语音、音乐等，因此麦克风信号(MIC)包括与每种声音相关联的分量，例如，SEN分量、语音分量、音乐分量等。在一个或多个实施方案中，车辆112包括安装在乘客舱122内的不同位置处的四个麦克风120，并且控制器116接收四个对应的MIC信号。控制器116还接收表示发动机的转速(Ne)和驱动轴的转速(Nd)的信号。使用这些信号(MIC、以及Ne或Nd)，EOC模块125生成信号(CANCEL)以消除或减少如在乘客舱122内的特定位置处，例如在驾驶员的耳朵附近所感知的特定发动机阶次噪声。
控制器116还包括信号处理模块126，所述信号处理模块基于MIC信号以及表示当前气候控制和音频系统设定的信号来确定SEN增益，以便在乘客舱122中实现可听见但不会过响的SEN。控制器116接收WINDOW信号，所述WINDOW信号表示车辆中的车窗114中的一个或多个车窗的当前设定或状态(例如，部分打开，完全打开或闭合)。控制器116还接收表示HVAC系统115的当前设定(例如，除霜开/关和风扇速度等)的HVAC信号。控制器116还接收AUDIO信号，所述AUDIO信号表示在乘客舱122中播放的音乐，或在一些实施方案中，表示音量和流派以及均衡和衰减。音乐流派设定可以设定音乐的平均水平和波峰因数，以及四声道音量设定，平衡和渐变旋钮。在一个或多个实施方案中，可以对AUDIO信号进行单带或分带分析，以确定其在每个频带中的有效信号幅度或能量，并且可以将音量旋钮设定用作附加引导信号，以确定SEN回放级别或期望的设定频率相关滤波。使用这些信号(MIC、WINDOW、HVAC、AUDIO)，信号处理模块126生成频率相关或无关的增益。
车辆112包括车辆音频系统，所述车辆音频系统包括控制器116、扬声器118、麦克风120和主机单元128。控制器116从主机单元128接收音频信号(AUDIO)。像控制器116一样，主机单元128通常包括任何数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)和软件代码，以与其他控制器共同合作来执行一系列操作。控制器116包括用于产生合成发动机声音或噪声的SEN模块130。SEN模块130从CAN总线124接收许多引导信号，诸如车辆速度(VS)、发动机扭矩(Te)、发动机速度(Ne)和节气门(THROTTLE)位置。图2所示的控制器116接收多个引导信号，然而，车辆系统110的替代实施方案设想到控制器116会接收更少、替代和/或附加的引导信号。
在一个或多个实施方案中，SEN模块130包括WAV合成块132，所述WAV合成块回放从波形(WAV)音频文件产生并表示合成发动机声音或合成发动机噪声的经滤波、修改或增强的音频比特流。在一个或多个实施方案中，WAV合成块132产生音频比特流。WAV合成块132还包括用于调制音频比特流的特性(例如，回放速率、频率相关滤波和/或幅度)的特征。在一个或多个实施方案中，SEN模块130还包括发动机阶次噪声合成块133，所述发动机阶次噪声合成块基于例如发动机阶次噪声频率和在查找表中找到的发动机速度或车辆速度的水平而生成发动机阶次噪声信号。
根据一个或多个实施方案，控制器116还包括实时声音合成模块134。实时声音合成模块134接收表示发动机的当前振动声发射的发动机信号(ENG)。ENG信号可从安装在发动机和/或排放系统附近的压力或振动传感器136得到。在一个实施方案中，实时声音合成模块134将ENG信号处理成单独的发动机阶次噪声，然后可对所述发动机阶次噪声进行单独滤波，均衡，然后将其提供给混合器块138，以与WAV合成块132和发动机阶次噪声合成块133的输出组合。在替代实施方案中，可以对ENG信号进行滤波并将其提供给混合器块138以创建期望的实时SEN特性。车辆系统110的其他实施方案设想到用于合成其他声音(例如，基于云的声音、空中下载(OTA)更新声音、基于云的在外部有线或无线连接的算法模型等)的附加的和/或替代的合成模块137。
SEN模块130还包括附加增益块(AGB)140，用于基于表示背景噪声级的一个或多个信号(例如，基于CAN的信号或引导信号)来调节(例如，放大或衰减)增益，如下面参考图3至图6详细描述的。增益使用对数分贝(dB)单位来表示。增益1对应于零dB并且表示AGB 140在没有修改的情况下使SEN通过的直通状况。大于一的增益(正dB)是指放大，并且小于一的增益(负dB)是指减小。在一个或多个实施方案中，AGB 140包括多个附加增益块，每个附加增益块针对预定频带处理增益。
在一些实施方案中，SEN模块130包括定位块142，所述定位块从AGB 140接收音频信号并且生成发动机相对于扬声器118通常位于何处的声像。定位块142向听众创建合成发动机声音是从发动机舱发出，而不是从扬声器118发出的错觉。例如，在一个或多个实施方案中，定位块142为SEN生成声像，所述声像对应于在位于驾驶员座椅143的头枕中的扬声器118前方三至四英尺的位置。
SEN模块130包括混合器144，用于将定位块142的定位SEN输出与CANCEL和AUDIO信号组合。控制器116将组合的输出信号提供给一个或多个功率放大器146，所述功率放大器继而将放大的SEN信号提供给扬声器118。车辆系统110通过车辆扬声器118播放放大的组合输出信号，以向车辆乘员(尤其是驾驶员)提供对车辆的操作状态的实时可听反馈。
车辆系统110适用于具有不同动力传动系统113的车辆112。在一个或多个实施方案中，车辆112是具有包括四缸内燃发动机的动力传动系统113的常规车辆。此类四缸发动机会自然地辐射某些发动机阶次噪声，主要是发动机输出轴转速的2阶次、4阶次、6阶次和8阶次噪声。车辆系统110例如使用发动机阶次噪声合成块133来合成附加发动机阶次噪声：2.5、4.5、6.5发动机阶次噪声，以将更生动的性质添加到发动机的声音特征。
在另一个实施方案中，车辆112是具有动力传动系统113的自动起动停止车辆，所述动力传动系统包括发动机，所述发动机被控制为在车辆例如在红绿灯处停止一段较短的时间时停止或关闭，然后重新起动来提供推进。该起动/停止技术被采用来提高燃料效率。在各种实施方案中，车辆系统110使用发动机阶次噪声合成块133和WAV合成块132的各种组合来生成SEN以去除或掩蔽发动机关闭或重新起动时的突然的可听转换。由信号处理模块126确定该SEN的由AGB 140设定的级别，以便匹配发动机的正好在其关闭之前或当其关闭时的声压级或感知响度。这可以包括匹配一个或多个单独发动机阶次噪声的级别或响度。这可以包括由信号处理模块126执行对一个或多个单独的发动机阶次噪声的信噪比(SNR)、声压级(SPL)或感知响度的计算，并且在发动机已关闭之后调节AGB 140以基本上匹配一个或多个发动机阶次噪声的SEN级别。由信号处理模块126进行的对SNR、SPL或感知响度的这种计算可以是间歇的、连续的，或者可以正好在发动机关闭之前执行。
在某些实施方案中，对于混合动力车辆或自动起动停止ICE车辆，发动机阶次噪声合成块133在ICE操作时合成某些谐波，然后在ICE关闭时，合成一个或多个附加发动机阶次噪声以替换车辆的动力传动系统113不再产生和辐射的那些噪声。在一个实施方案中，当ICE被关闭时，块133产生附加发动机阶次噪声以接近地复制ICE已在一名或多名乘客的耳朵位置处产生的声音特征。这可以包括匹配单独发动机阶次噪声，并且也可以在一个或多个阶次噪声之间进行匹配。这可以包括复制一个或多个频带中的声音特征。
在又一个实施方案中，车辆112是具有动力传动系统113的混合动力电动车辆(HEV)，所述动力传动系统包括被单独地或组合地控制来推进车辆的发动机和电动马达两者。当HEV 112以电动模式操作，即电动马达被单独操作用于推进时，为了提供由汽油提供动力的发动机的驾驶员和车辆乘员可能更为习惯的可听发动机声音特征，车辆系统110使用SEN模块130来产生SEN。这种添加的声音通过提供车辆的行驶动力学(例如，加速、巡航和减速、倒车、起动、停止等)的可听反馈来有助于驾驶体验。全电动车辆和以EV模式操作的HEV具有内部声景，所述内部声景主要由车辆悬架噪声、振动和粗糙性(NVH)以及电动马达呜呜声组成，后者是谐波稀疏的。由于其高频性质和谐波复杂性的缺乏两者，马达呜呜声的声音特征通常被认为是不期望的。当然，其他声音也存在于乘客舱中。
在其他实施方案中，车辆系统110修改或减小发动机声音特征的可听性质。在这种情况下，车辆系统110使用发动机阶次噪声消除(EOC)模块125来降低发动机和/或电动马达的可听级别。该EOC模块125降低了单独发动机阶次噪声的总级别，并且因此降低了乘客舱中的发动机噪声在车辆乘员的位置处的总级别。然后，可以通过扬声器118播放SEN，并且可以有效而间接地用SEN替换或掩蔽乘客耳朵位置处的原始声音。通过首先大幅降低乘客耳朵位置处的实际发动机噪声的级别，包括SEN在乘客耳朵位置处的贡献的总声压级低于在未采用EOC系统的情况下另外可能的声压级。EOC系统的存在或不存在会改变背景噪声级，并且因此这需要不同的SEN级别，因而在施加SEN之前降低车厢中的总噪声通常是期望的。
如前所述，与EOC系统耦合的SEN生成系统有能力用更期望的合成的类似发动机的声音掩蔽现有发动机声音，和/或增强现有发动机声音以在车辆112的乘客舱122中播放。这些系统中的大多数合成发动机声音使用一个或多个参考CAN信号(诸如车辆速度(VS)、节气门(或ACC)、发动机扭矩(Te))进行调谐，以便自然地将这些声音整合到车辆中。合成的发动机声音以某种细微的级别播放，不应太大声播放，以免打搅车辆乘员或使其疲劳。在一些情况下，乘客舱的内部声压级是质量的度量标准：更安静的车厢可以是豪华车辆的标志。
在EV或HEV中，车辆系统110合成类似发动机的声音，即SEN，并且通过扬声器118播放所述声音，以提供更传统的发动机起动和驾驶车辆体验。SEN可以具有任何声音性质，并且不需要模拟发动机。在一个或多个实施方案中，SEN类似于对于汽车发动机(例如，用于飞机的喷气发动机)而言不典型的声音。该SEN可以在车辆的电源按钮(未示出)被按下时开始，并且帮助向驾驶员提供车辆已通电的可听反馈。该SEN继续通过扬声器118播放，以向驾驶员提供关于车辆状态(无论是处于怠速、加速、减速还是仅仅是巡航)的可听反馈。
通常，产生SEN的目标是为了向车辆的驾驶员提供对车辆的当前操作状态的一种形式的可听反馈。例如，在混合动力车辆以电动模式操作的情况下，或对于纯电动车辆，不存在发动机怠速声音。也就是说，当车轮不转动时，车辆的动力传动系统完全是静音的。因此，即使变速器处于行驶中而非驻车，驾驶员也不会得到车辆已通电的可听指示。在车辆加速的情况下，车辆的驾驶员习惯于发动机噪声的幅度随着车辆速度增加而增加，对于ICE的行为也是如此。为了用SEN模拟这种行为，由WAV合成块132和发动机阶次噪声合成块133中的至少一者使用加速踏板位置(ACC)和发动机扭矩(Te)作为增加合成发动机声音的幅度的引导信号。车辆系统110的其他实施方案设想到替代合成块。驾驶员也习惯于发动机阶次噪声的音高随着车辆速度的增加而增加，对于ICE的行为也是如此。为了模拟这种行为，发动机轴转速(Ne)、车轮速度或车辆速度(Vs)被用作SEN模块130的WAV合成块132和发动机阶次噪声合成块133的引导信号，以调节合成发动机阶次噪声或SEN的音高。
简化的SEN系统可以以与车辆速度成比例的级别产生SEN。这样的简化的SEN系统可能不会基于乘客舱内的背景噪声级来优化SEN回放级别。例如，利用这样的简化的系统，与HVAC有关的风扇噪声可能会完全掩蔽细微的合成发动机声音。乘客舱中的其他噪声源包括道路噪声、风噪声、音乐回放噪声以及来自乘客的噪声。这种噪声的声级可能会随着车辆速度的增加而增加。因此，简化的SEN系统可以使用车辆速度作为引导信号来影响SEN回放级别。然而，这样的简化的策略可能不适用于所有车辆状况。例如，尽管在给定的路面类型上道路噪声级可与车辆速度成正比，但是在平整路面上较高的车辆速度可能导致比在不平路面上较低的车辆速度更低或更安静的道路噪声级。另外，风噪声是可与车辆速度成比例的另一个变量，因为它取决于风向，并且通常不是稳定状态。然而，如果打开车辆车窗中的一个或多个车辆车窗，则内部声压级(SPL)中的影响可能难以预测，并且对于驾驶员和任何乘客而言是不均匀的。此外，位于打开的车窗附近的麦克风可能受到过大的风噪声的影响，并且因此将不会提供适合于预测车厢内噪声级的信号。因此，包括与车辆速度成比例的单个SEN调谐的简化SEN策略可能导致次优性能。
乘客舱122中的背景噪声可能由多种来源引起，包括：HVAC设定、道路噪声、风噪声、车窗状态(即，打开或关闭)、音乐噪声和语音。HVAC噪声是可变的，并且不仅取决于风扇速度，而且还取决于诸如除霜、再循环、双温度区控制、第三排风扇速度等的模式。道路噪声是可变的，并且通常与车辆速度成比例。风噪声不是稳定状态(例如，风是阵风)，并且取决于当前状态。音乐噪声是可变的，并且不仅取决于音量旋钮设定，而且还取决于音乐流派(其设定音乐的平均水平和波峰因数)、平衡和渐变旋钮以及所选择的均衡(EQ)。车窗状态是可变的，可能难以根据车窗状态来预测背景噪声影响，因为它取决于哪个车窗被打开，它打开到什么程度，车辆速度是多少，是否存在外部噪声等。
基于CAN的信号或其他引导信号可用于信号处理模块126，所述信号处理模块可在一个实施方案中用于调节SEN的级别，而无需使用来自Mic 120的输入。在一个实施方案中，增益相对于车厢内噪声贡献者的预定查找表可用于信号处理模块126。这样的表格可以包括音频系统音量旋钮级别、HVAC风扇速度、HVAC模式、音乐流派、平衡和渐变旋钮位置、EQ名称或形状、车窗打开或关闭状态中的一项或多项的条目，并且甚至可以包括各种路面类型或不平整度的条目。信号处理模块126可以基于可能对车厢内噪声级有贡献的这些和其他车辆状态变量来确定要在140中施加的增益。在一个实施方案中，这些引导信号和查找表方法也可以与麦克风信号MIC组合。
车辆系统110基于乘客舱122内的位置的瞬时环境或背景噪声级来确定合成发动机噪声的最佳回放级别。车辆系统110还使用一个或多个引导信号来确定SEN回放级别。
另一种简化的SEN系统可以采取一般方法来测量乘客舱中乘员耳朵附近的噪声级，然后调节SEN的回放级别，以克服乘客舱中可能存在的音乐和/或语音。自动调节音乐的声级的音频系统可能会使这样的简单SEN系统复杂化，因为如果SEN系统基于包括音乐的背景噪声级来增加其回放级别，则音乐回放系统可能会基于SEN的增加级别来增加其级别。这产生了不稳定的系统，其中两个系统的回放级别在不断增加，这是不期望的，因为它是不稳定的。
在一个或多个实施方案中，车辆系统110尽可能最好地或实际地从麦克风信号(MIC)中去除音乐信号的所有痕迹，所述麦克风信号用于使用电噪声抑制技术或声噪声抑制技术来估计乘客舱122内的背景噪声级。这样的技术可以类似于回声消除器系统，其中从第一信号中去除干扰信号，以提供第一信号的去噪版本。替代技术是表征每个音乐回放扬声器118和麦克风120之间的传递函数。然后，可以将发送到单独扬声器的AUDIO信号与所述扬声器卷积到麦克风传递函数，以创建新信号，可以使用自适应算法(诸如最小均方(LMS)或其他算法)从每个MIC信号中减去所述新信号，从而产生不受乘客舱中存在的音乐影响的瞬时背景噪声级的估计。可替代地，车辆系统110可以使用诸如频谱减法之类的简单方法来从MIC信号降低音乐信号电平，从而产生对背景噪声级的估计，所述估计在很大程度上不受乘客舱122中的音乐回放的影响。车辆系统110的其他实施方案可以采用替代信号处理技术来去除或降低MIC信号中的音乐信号电平。如果不存在音乐回放，在系统关闭的情况下，或者如果将音量旋钮设定为零，或设定为适当地被另一车厢内噪声源掩蔽的级别，则车辆系统110可以消除该噪声抑制步骤。
计算有效的算法将不会完全消除MIC信号上的音乐回放信号的每个痕迹。在此类情况下，可以使用MIC信号以及与音乐回放系统设定(诸如音量旋钮设定、平衡、渐变、EQ、音乐统计等)相关的上述引导信号中的一个或多个引导信号两者来引导确定SEN回放级别。
根据一个或多个实施方案，车辆系统110使用SEN信号本身作为要从MIC信号中消除的信号来重复该噪声抑制技术。如果未从MIC信号中去除SEN信号，则将导致相同类型的不断增加的幅度，因为SEN将增加到噪声级，这然后将触发增加的SEN级别，并且随着SEN增益将增加到最大可能级别而不断触发增加的SEN级别。当采用传递函数和自适应LMS系统时，应用相同的技术和警告，因为如果采用定位算法，则到不同扬声器的SEN信号将彼此不同。车辆系统110的其他实施方案设想到从一个或多个MIC信号中去除SEN信号的替代技术。
参考图3至图6，车辆系统110包括用于相对于变化的背景噪声状况来合成声音的一种或多种算法或方法。车辆系统110使用一种或多种方法来确定乘客舱122中的背景噪声级，然后以实现目标级别或SNR或响度的量调节SEN的级别和/或频谱平衡。最终结果是，驾驶员和任何乘客几乎感觉不到或感觉不到明显的SEN级别变化，而背景噪声级别根据乘客舱122中的内部噪声状况上下波动。典型车辆中的背景噪声使得SEN的最低频率将被充分掩蔽，而最高频率将不会被充分掩蔽。因此，在一个或多个实施方案中，车辆系统110独立地在三个或更多个频率范围(低、中和高)上操作。根据一个或多个实施方案，使用包含在控制器116(在图2中示出)内的软件代码来实现所述方法。尽管使用以多个顺序步骤示出的流程图描述了方法，但是在一个或多个其他实施方案中，可以省略一个或多个步骤并且/或者以另一种方式执行一个或多个步骤，或者同时执行一个或多个步骤。
参考图3，示出了根据一个或多个实施方案的用于相对于背景噪声状况合成声音的方法，并且所述方法通常由数字300标记。通常，方法300增加单个增益块以增强SEN的预定增益和频谱性质。
在步骤310处，控制器116接收指示麦克风信号(MIC)、车辆速度(Vs)和音乐(AUDIO)的输入。在一个或多个实施方案中，控制器116包括附加步骤320和330以去除背景噪声估计中的语音影响。例如，语音触发SEN的增加级别可能是不期望的，在这种情况下，语音可能会从MIC信号中消除。在步骤320处，控制器116使用话音活动检测器(VAD)评估麦克风信号以确定背景噪声信号是否包括语音。在一个实施方案中，控制器116使用VAD来分析麦克风信号(MIC)的不包含语音的时间部分，以确定背景噪声级和频谱含量。替代地，如果控制器116识别出麦克风信号内的语音，则其进行到步骤330，去除语音，并且然后进行到步骤340。如果控制器116在步骤320处没有识别出语音，则其进行到步骤340。在替代实施方案(未示出)中，如果在320处检测到语音，则控制器116忽略具有语音的帧，并返回到步骤310以接收并重新分析新MIC信号。
在步骤340处，控制器116处理MIC信号以去除音乐和SEN。如上所述，控制器116使用电噪声抑制技术或声噪声抑制技术从麦克风信号(MIC)去除大部分音乐信号和SEN，以产生去噪信号(MIC_PROC)，从所述去噪信号可以得出车厢内噪声级。如果在车厢中没有音乐在播放，则控制器116可以省略该步骤的音乐去除部分。
在步骤350处，控制器116基于经处理的麦克风信号(MIC_PROC)来确定附加增益块(AGB)140的增益设定(GAIN)。在一个或多个实施方案中，控制器116基于经处理的麦克风信号(MIC_PROC)来确定车厢内噪声级(ICNL)。控制器116还使用典型背景噪声级相对于车辆速度的预定数据(例如，查找表)基于当前车辆速度(VS)来确定查找表级别(LTL)。控制器116然后基于当前车辆速度(VS)的ICNL和LTL的差值来确定GAIN。例如，在一个或多个实施方案中，ICNL比LTL低1dB，并且控制器116将AGB的值确定为-1dB。控制器116可以对MIC信号或在ICNL上应用时间平滑，以在乘客舱122中产生感觉到的背景噪声级的更准确和稳定的估计。在其他实施方案中，控制器116使用非线性比例因子来将LTL值和ICNL信号电平之间的差值转换成GAIN。在步骤360处，控制器116将新GAIN施加到AGB 140，并且然后返回到步骤310。
参考图4，示出了根据一个或多个实施方案的用于相对于背景噪声状况合成声音的方法，并且所述方法通常由数字400标记。通常，方法400针对两个不同的频带增加两个增益块，以基于频率不同地增强SEN的预定增益和频谱性质。
在步骤410处，控制器116接收指示麦克风信号(MIC)、车辆速度(Vs)和音乐(AUDIO)的输入。在步骤420处，控制器116处理MIC信号以去除音乐和SEN。如上所述，控制器116使用任何电噪声抑制技术或声噪声抑制技术从麦克风120去除大部分SEN，以及任选地去除音乐和/或语音，以产生与车厢内噪声级有关的MIC_PROC信号。
在步骤430处，控制器116将经处理的麦克风信号(MIC_PROC)分离成两个不同的频带：低频(LF)带和较高频(UF)带。在一个或多个实施方案中，LF带的带宽为约20Hz-200Hz，并且HF带的带宽为约200Hz-20kHz。对于该实施方案，图2所示的附加增益块(AGB)140包括LF带AGB和UF带AGB。在其他实施方案中，控制器116将经处理的麦克风信号(MIC_PROC)分离成两个以上的不同频带，例如，三个频带，包括：低频(LF)带、中频(MF)带和较高频(UF)带。在一个或多个实施方案中，LF带的带宽为约20Hz-200Hz，MF带的带宽为约200Hz-2kHz，并且HF带的带宽为约2kHz-20kHz。
在步骤440处，控制器116基于经处理的麦克风信号的低频带(MIC_PROC_LF)和低频带的预定LTL来确定LF带AGB的增益设定(GAIN_LF)。在一个或多个实施方案中，控制器116基于经处理的麦克风信号(MIC_PROC_LF)的低频带来确定车厢内噪声级(ICNL_LF)。控制器116还基于在当前车辆速度(VS)下的预定低频查找表级别(LTL_LF)值和ICNL_LF来确定GAIN_LF。控制器116然后基于当前车辆速度(VS)的ICNL_LF和LTL_LF的差值来确定GAIN_LF。在步骤450处，控制器116将新的GAIN_LF施加到LF带AGB 140，以生成经调节的(即，衰减或放大的)低频(LF)SEN信号。
在步骤460处，控制器116基于经处理的麦克风信号的较高频带(MIC_PROC_UF)和较高频带的预定LTL来确定UF带AGB的增益设定(GAIN_UF)。在一个或多个实施方案中，控制器116基于经处理的麦克风信号的较高频带(MIC_PROC_UF)来确定车厢内噪声级(ICNL_UF)。控制器116还基于在当前车辆速度(VS)下的预定较高频查找表级别(LTL_UF)值和ICNL_UF来确定GAIN_UF。控制器116然后基于当前车辆速度(VS)的ICNL_UF和LTL_UF的差值来确定GAIN_UF。在步骤470处，控制器116将新的GAIN_UF施加到UF带AGB 140，以生成经调节的(即，衰减或放大的)高频(HF)SEN信号。
在一个或多个实施方案中，由于大多数车辆内噪声的频谱是低频主导的，因此在较高背景噪声级下，控制器116将LF带增益的水平增加到大于UF带增益。例如，在一个或多个实施方案中，ICNL_LF比LTL_LF高3dB，因此控制器116将LF带AGB的值确定为3dB，并且ICNL_UF比LTL_UF高1dB，并且控制器116将LF带AGB的值确定为1dB。
在步骤450和470之后，控制器116进行到步骤480，并且重新组合LF SEN信号和UFSEN信号。在步骤490处，车辆系统110将组合的SEN信号提供给扬声器118，以在乘客舱122内播放声音。
参考图5，示出了根据一个或多个实施方案的用于相对于背景噪声状况合成声音的另一种方法，并且所述方法通常由数字500标记。通常，方法500确定车辆中的适当的合成发动机噪声(SEN)级别，以实现SEN相对于背景噪声级的目标信噪比(SNR)。
在步骤510处，控制器116接收指示麦克风信号(MIC)的输入。在步骤520处，控制器116通过自适应地减少或去除音乐、乘客噪声，道路噪声等来处理MIC信号以估计SEN。在步骤530处，控制器116通过自适应地减少或去除SEN信号来从MIC信号估计背景声压级信号。在一个或多个实施方案中，控制器116还自适应地去除音乐信号和任何语音信号。然后在步骤540处，控制器116使用SEN估计作为信号并且使用背景声压级信号作为噪声来确定信噪比(SNR)。
在步骤550处，控制器116确定将被施加到附加增益块(AGB)140以实现目标SNR的GAIN。在一个或多个实施方案中，目标SNR可以高达-4dB SNR，并且可以通过使用一个分析带或多个带来实现。可能期望在20Hz-200Hz和200Hz-20kHz的两个带中的每个带中实现目标SNR。可能期望在两个带中的每个带中实现不同的目标SNR。可能期望在20Hz-200Hz、200Hz-2kHz和2kHz-20kHz的三个带中的每个带中实现该SNR。在步骤560处，控制器施加GAIN并向扬声器118提供经调节的SEN信号以在乘客舱122内播放。方法500的其他实施方案设想到不同的目标SNR，不同的频率范围和/或附加频带。
参考图6，示出了根据一个或多个实施方案的用于相对于背景噪声状况合成声音的方法，并且所述方法通常由数字600标记。通常，方法600确定车辆中的适当的合成发动机噪声(SEN)级别，以维持SEN的通常恒定的感知响度。弗莱彻-芒森(Fletcher-Munson)等响度曲线表明，恒定的感知响度级别不是作为频率的函数的恒定声压级(SPL)。它们还示出了相对于中等声压级和高声压级，人耳如何在低回放级别下对低频具有不均匀的灵敏度。由于MIC测量声压而不是感知响度，因此弗莱彻-芒森曲线可用于确定要施加(尤其是施加到低于200Hz的低音区域)的适当的频率相关增益。在一个实施方案中，SEN信号由差值曲线处理，所述差值曲线通过从频率无关的电平减去适当的电平弗莱彻-芒森曲线而创建。这种方法将确保SEN的感知频率相关性质将不会随其回放级别或变化而改变。
包含合成发动机阶次噪声的SEN包含正弦音调。宽带噪声可能会部分或全部掩蔽正弦音调，使它们不太能听到或听不到。低于500Hz的音调的掩蔽阈值与频率齐平，但是在音调高于500Hz的情况下，掩蔽阈值随频率增加而增加。SEN可包含高达1500Hz的合成发动机阶次噪声。在某些实施方案中，任选地包含合成发动机阶次噪声的SEN的级别可以用适于维持一个或多个合成发动机阶次噪声的可听度的增益进行单带或多带滤波。在一个实施方案中，可以施加单带或多带增益以去除或减小宽带背景噪声对SEN的任何部分的掩蔽效应。
在步骤610处，控制器116接收指示麦克风信号(MIC)的输入。在步骤620处，控制器116通过自适应地去除音乐、乘客噪声，道路噪声等来处理MIC信号以估计SEN。在步骤630处，控制器116通过自适应地去除SEN信号来从MIC信号估计背景声压级。在一个或多个实施方案中，控制器116还自适应地去除音乐信号。然后，在步骤640处，控制器116基于掩蔽阈值和/或通过应用从弗莱彻-芒森曲线得出的滤波器来确定将被施加到附加增益块(AGB)140的GAIN或多带GAIN。在步骤650处，控制器施加GAIN并向扬声器118提供经调节的SEN信号以在乘客舱122内播放。
如前所述，车辆系统110可以包括多个麦克风120和/或多个频带。但是所述技术易于扩展以涉及多个麦克风120。将麦克风120定位在乘客的耳朵附近可能是最有用的，因为它们随后将提供最能代表乘客所经历的噪声场的MIC信号。但是该上述定位不是必需的。此外，将多个经处理的MIC信号组合为一个背景噪声级估计是可能的，并且可能是有用的。但是，在某些实施方案中，维持单独的MIC信号是有用的。这是因为某些车厢内扬声器系统允许基本上独立的声音区域，并且因此可以独立且最佳地计算每个乘客耳朵的位置处的ICN级别，并且可以计算AGB的增益以独立优化每个乘客的SEN级别。
如上所述，SEN可以被分成多个频带，并且在被重新组合成单个SEN信号之前，可通过每个带的单独SEN AGB。在这些多频带实施方案中，两个频带和三个频带可能是最有用的，但是更高数量的带是可能的。此外，可以实现多种替代的并且在某种程度上等效的数字信号处理(DSP)滤波技术。也就是说，可能期望实现6dB的低频搁架滤波器以增加频带的一部分的电平，而不是将频率无关的增益施加到整个频带。包括应用IIR双二阶滤波器、FIR滤波器等以增强SEN的频谱形状或级别以实现期望的SEN级别的替代技术是可能的，并且在本发明的范围内，另外，模拟滤波也是可能的。
可能有利的是使用最大变化率时间常数来改变AGB，而不是在已经处理了每个麦克风数据块之后应用这些变化。可能期望对于增加级别来实现与对于降低级别不同的变化率。可能有利的是对ICNL和/或MIC_PROC或其他时域信号或级别测量信号求平均以实现平均级别。
SEN级别也可以使用高级人机界面设备进行调节。例如，手机已经拥有“始终在线，始终收听”技术超过5年。这些设备始终在收听关键词，并且当检测到关键词时，它们将启动指令或算法的开始。可以将始终收听指示车辆的合成发动机声音太响亮的关键词的算法结合到车辆中。该算法可用于自适应地降低或甚至完全消除通过扬声器回放的SEN的级别。类似地，检测情绪状态或用户对SEN的当前级别不满意的面部识别系统也是可能的，并且可以用作引导信号以减小SEN回放的幅度甚至消除SEN回放。
尽管在上述实施方案中，在特定增益调节块(即，AGB 140)中调节了SEN的增益，但应当理解，可以在其他块或其他处理器中调节SEN的增益。此外，可以采用其他替代的数字或模拟信号处理方法来调节SEN的级别。例如，可以采用高频或低频搁架，也可以采用各种模拟、FIR或IIR滤波器，这些滤波器可以增加或去除来自SEN的特定频带的能量以降低其在车辆中的感知水平。可以采用任何前述方法或本领域技术人员已知的其他方法中的任一者或任一者的组合来增加或减小SEN的声压级、响度或感知响度。
在上述实施方案中以及在图2中，描述了SEN合成的多种方法。可以实现替代方法和使用替代信号处理块的替代方法。相对于背景噪声增加或减小SEN的级别的公开方法可以与这些替代方法以及与多种或替代方法的组合一起使用。
虽然上文描述了示例性实施方案，但并不意味着这些实施方案描述了所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实现实施方案的特征以形成另外的实施方案。

Claims (20)

1.一种车辆声音合成系统，其包括：
扬声器，所述扬声器适于响应于接收到经调节的SEN信号而在车辆的车厢内投射指示合成发动机噪声(SEN)的声音；
麦克风，所述麦克风设置在所述车厢中并且适于提供具有SEN分量和噪声分量的麦克风信号；以及
控制器，所述控制器被编程为：
接收所述麦克风信号；
基于所述麦克风信号调节SEN信号；并且
将所述经调节的SEN信号提供给所述扬声器。
2.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述控制器还被编程为：
接收指示车辆速度的输入；
基于所述麦克风信号的所述噪声分量确定车厢噪声级；
基于所述车辆速度确定目标声级；并且
基于所述车厢噪声级与所述目标声级之间的差值确定增益；并且
基于所述增益调节所述SEN信号。
3.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述控制器还被编程为：
处理所述麦克风信号以去除所述SEN分量；并且
基于所述经处理的麦克风信号调节所述SEN信号。
4.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述噪声分量包括指示所述车厢中存在的语音的语音分量，并且其中所述控制器还被编程为：
使用话音活动检测器(VAD)技术处理所述麦克风信号以去除所述语音分量；并且
基于所述经处理的麦克风信号调节所述SEN信号。
5.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述噪声分量包括指示所述车厢中存在的音乐的音乐分量，并且其中所述控制器还被编程为：
处理所述麦克风信号以去除所述音乐分量；并且
基于所述经处理的麦克风信号调节所述SEN信号。
6.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述控制器还被编程为在发动机正在操作时以及在所述车辆已通电并且所述发动机停止的状态期间，基于存在于所述车厢中的信噪比(SNR)和声压级(SPL)中的至少一者来生成所述SEN信号。
7.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述麦克风信号包括与第一频带相对应的第一频率麦克风信号，以及与不同于所述第一频带的第二频带相对应的第二频率麦克风信号，并且其中所述控制器还被编程为：
将所述SEN信号分离为与所述第一频带相对应的第一频率SEN信号以及与所述第二频带相对应的第二频率SEN信号；
通过第一增益调节所述第一频率SEN信号；
通过第二增益调节所述第二频率SEN信号；并且
基于经调节的第一频率SEN信号和经调节的第二频率SEN信号的组合生成经调节的SEN信号。
8.如权利要求7所述的车辆声音合成系统，其中所述第一频带低于所述第二频带，并且其中所述第一增益大于所述第二增益。
9.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述麦克风信号包括与第一频带相对应的第一频率麦克风信号、与第二频带相对应的第二频率麦克风信号以及与第三频带相对应的第三频率麦克风信号，并且其中所述控制器还被编程为：
将所述SEN信号分离为与所述第一频带相对应的第一频率SEN信号、与所述第二频带相对应的第二频率SEN信号以及与所述第三频带相对应的第三频率SEN信号；
通过第一增益调节所述第一频率SEN信号；
通过第二增益调节所述第二频率SEN信号；
通过第三增益调节所述第三频率SEN信号；并且
基于经调节的第一频率SEN信号、经调节的第二频率SEN信号和经调节的第三频率SEN信号的组合生成经调节的SEN信号。
10.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述控制器还被编程为：
接收指示车辆速度的输入；
基于所述麦克风信号确定背景声压级；
确定所述SEN信号与所述背景声压级的比率，所述比率指示信噪比(SNR)；
基于所述车辆速度确定目标SNR；
基于所述SNR与所述目标SNR之间的差值确定增益；并且
基于所述增益调节所述SEN信号。
11.如权利要求1所述的车辆声音合成系统，其中所述控制器还被编程为：
基于所述麦克风信号确定背景响度；
基于所述背景响度和至少一个预定的弗莱彻-芒森曲线确定增益；并且
基于所述增益调节所述SEN信号。
12.一种车辆系统，其包括：
控制器，所述控制器被配置为：
从麦克风接收与车辆车厢内存在的声音和噪声相对应的麦克风信号；
处理所述麦克风信号；
生成指示合成发动机噪声(SEN)的SEN信号；
基于经处理的麦克风信号调节所述SEN信号；并且
将经调节的SEN信号提供给扬声器，以作为所述车辆车厢内存在的所述声音投射。
13.如权利要求12所述的车辆系统，其中所述控制器还被配置为：
接收指示车辆速度的输入；
基于经处理的麦克风信号确定车厢噪声级；
基于所述车辆速度确定目标声级；并且
基于所述车厢噪声级与所述目标声级之间的差值确定增益；并且
基于所述增益调节所述SEN信号。
14.如权利要求12所述的车辆系统，其中所述控制器还被配置为：
将所述经处理的麦克风信号分离为与第一频带相对应的第一频率经处理的麦克风信号以及与大于所述第一频带的第二频带相对应的第二频率经处理的麦克风信号；
将所述SEN信号分离为与所述第一频带相对应的第一频率SEN信号以及与所述第二频带相对应的第二频率SEN信号；
通过第一增益调节所述第一频率SEN信号；
通过第二增益调节第二频率SEN信号，其中所述第二增益低于所述第一增益；并且
基于经调节的第一频率SEN信号和经调节的第二频率SEN信号的组合生成经调节的SEN信号。
15.如权利要求12所述的车辆系统，其中所述控制器还被编程为：
处理所述麦克风信号以去除指示音乐的噪声；并且
基于经处理的麦克风信号调节所述SEN信号。
16.一种音频系统，其包括：
根据权利要求12所述的车辆系统；
扬声器，所述扬声器适于响应于接收到经调节的SEN信号而在车辆车厢内投射指示所述SEN的声音；以及
麦克风，所述麦克风适于提供指示由所述扬声器投射的所述声音和所述车辆车厢内存在的噪声的麦克风信号。
17.一种体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，其被编程用于合成发动机噪声(SEN)，所述计算机程序产品包括用于进行以下操作的指令：
接收指示车辆车厢内存在的声音和噪声的麦克风信号，和指示车辆速度的输入；
处理所述麦克风信号；
基于所述车辆速度生成指示SEN的SEN信号；
基于经处理的麦克风信号调节所述SEN信号；以及
将经调节的SEN信号提供给扬声器以用于在所述车辆车厢内投射所述声音。
18.如权利要求17所述的计算机程序产品，其还包括用于进行以下操作的指令：
处理所述麦克风信号以去除指示语音的噪声；以及
使用话音活动检测器(VAD)技术去除指示语音的所述噪声。
19.如权利要求17所述的计算机程序产品，其还包括用于进行以下操作的指令：
基于所述经处理的麦克风信号确定背景声压级；
确定所述SEN信号与所述背景声压级的比率，所述比率指示信噪比(SNR)；
基于所述车辆速度确定目标SNR；
基于所述SNR与所述目标SNR之间的差值确定增益；以及
基于所述增益调节所述SEN信号。
20.如权利要求17所述的计算机程序产品，其还包括用于进行以下操作的指令：
基于所述经处理的麦克风信号确定背景响度；
基于所述背景响度和至少一个预定的弗莱彻-芒森曲线确定增益；以及
基于所述增益调节所述SEN信号。
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