電動(dòng)汽車行人警示音系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

徐逸誠(chéng)，嚴(yán) 榮，王小剛，沈安業(yè)

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.零束科技有限公司，上海 201804）

1 前言

近幾年來(lái)隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車已不再是僅僅用來(lái)滿足消費(fèi)者上下班通勤使用的交通工具，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注汽車的各種新鮮功能給駕駛者帶來(lái)的新奇的駕駛樂(lè)趣，而發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲也備受年輕人的關(guān)注。與此同時(shí)，由于石油燃料的飛速消耗和國(guó)內(nèi)油價(jià)的持續(xù)上漲外加中國(guó)對(duì)汽車尾氣排放要求的愈加嚴(yán)苛，加速了汽車行業(yè)想節(jié)能減排方向的發(fā)展，小排量和電動(dòng)車勢(shì)必是未來(lái)汽車發(fā)展的方向。為了同時(shí)達(dá)到以上提到的兩個(gè)要求，汽車主動(dòng)聲音管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而本文主要研究的是車外聲音系統(tǒng)。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2008年Stefan Kerber和Hugo Fastl提出了一種計(jì)算背景噪聲下車外聲音感知距離的算法。這種算法可用來(lái)設(shè)計(jì)車外噪聲源，實(shí)現(xiàn)在不過(guò)大增加總聲壓值的前提下提供汽車被行人察覺(jué)的可能性。2010年，日產(chǎn)為自家的行人警示音系統(tǒng)取名為Approaching Vehicles Sound for Pedestrian（VSP）system，日產(chǎn)的Heather Konet、ManabuSato在論文[2-3]中以混合動(dòng)力汽車為例子，對(duì)該系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)模式下和純電機(jī)模式下的噪聲進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同低速下新能源汽車噪聲遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。Jay Pliskow、Koorosh Naghshineh、Robert Wall Emerson、Dae Kim和Kyle Myers在論文[4]發(fā)現(xiàn)1000Hz和2000Hz范圍內(nèi)聲音對(duì)汽車接近可探測(cè)性影響更為顯著。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

反觀國(guó)內(nèi)相關(guān)研究雖然起步較晚，但是也取得了一定的成果。比如：2012年，鄭四發(fā)、連小珉等人申請(qǐng)一種多模式行人警示音系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)車速信號(hào)和加速度信號(hào)調(diào)節(jié)音量大小，同時(shí)也可以根據(jù)周遭的環(huán)境噪聲調(diào)節(jié)音量。利用行人檢測(cè)信號(hào)、倒車和行車信號(hào)，調(diào)用波形存儲(chǔ)器內(nèi)的聲音文件。2015年，陳紅、馮雨霖等人申請(qǐng)了一種行人警示裝置，該裝置包括距離監(jiān)測(cè)傳感器（用于檢測(cè)與行人的距離）、噪聲檢測(cè)裝置（用于檢測(cè)背景噪聲以獲得相應(yīng)的背景噪聲信號(hào)，控制其用于計(jì)算相應(yīng)的采集信號(hào)輸出提示音，揚(yáng)聲器用于發(fā)聲）。該系統(tǒng)當(dāng)檢測(cè)到車與行人小于設(shè)定安全值后，產(chǎn)生嘯叫。在產(chǎn)品化后，有些公司已經(jīng)開(kāi)始嘗試。長(zhǎng)春?jiǎn)⒚餍畔⒓夹g(shù)股份有限公司于2014年就給一汽大眾、一汽豐田等多家公司提供了此套系統(tǒng)。

3 法規(guī)要求

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于2013年也開(kāi)始著手對(duì)電動(dòng)汽車低速提示音的標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，于2016年12月完成了征求意見(jiàn)稿。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了提示音的聲級(jí)限值、頻率要求、聲音種類等，并在2018年12月發(fā)布了初版的GB/T 37153—2018《電動(dòng)汽車低速提示音》，要求2019年7月后上市的純電動(dòng)汽車必須配備AVAS系統(tǒng)，且對(duì)相關(guān)指標(biāo)有了一個(gè)全面的定義，主要的技術(shù)指標(biāo)如下。

1）速度范圍：在0～20km/h有效（但是實(shí)車有效車速定義為0～30km/h，保證20～30km/h這段期間，聲音有個(gè)逐漸滅的過(guò)程）。

2）1/3倍頻程至少有兩個(gè)頻帶滿足如表1的要求，且一個(gè)小于1600Hz。

表1 聲壓級(jí)法規(guī)要求

3）聲源應(yīng)隨車速變化，頻移分辨率要在0.8km/h以下。

4）整體聲壓級(jí)小于75dB。

4 行人警示音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行人警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線如下：包含微處理器MCU、聲音播放電路、存儲(chǔ)電路、背景噪聲測(cè)量電路、CAN總線接口電路及電源電路。①電源電路為整個(gè)控制系統(tǒng)供電，存儲(chǔ)電路、聲音播放電路、背景噪聲測(cè)量電路、CAN總線接口電路分別與微處理器MCU連接；②微處理器MCU通過(guò)CAN總線獲得車輛車速、行駛狀況，以及通過(guò)背景噪聲測(cè)量電路獲取行駛環(huán)境中的背景噪聲，依據(jù)背景噪聲的大小智能地控制放大電路的增益倍數(shù)，然后選擇存儲(chǔ)電路中的聲音樣本并通過(guò)聲音播放電路進(jìn)行播放；③聲音播放電路包括依次連接的AD轉(zhuǎn)換器、放大電路、揚(yáng)聲器，其負(fù)責(zé)播放微處理器MCU篩選的聲音樣本；④存儲(chǔ)電路包括Flash存儲(chǔ)芯片及RAM存儲(chǔ)芯片，F(xiàn)lash存儲(chǔ)芯片負(fù)責(zé)存儲(chǔ)篩選出的評(píng)分最高的聲音數(shù)據(jù)，RAM存儲(chǔ)芯片負(fù)責(zé)微處理器MCU所選取的聲音數(shù)據(jù)的暫存以及播放聲音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；⑤CAN總線接口與車輛CAN總線接口實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，由微處理器MCU讀取車速或電機(jī)轉(zhuǎn)速以及混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)方式信息，來(lái)判斷是否需要開(kāi)啟警示控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，將根據(jù)車輛運(yùn)行狀況選擇所要播放的聲音；⑥背景噪聲測(cè)量電路采用噪聲測(cè)量傳感器對(duì)車輛所處的環(huán)境噪聲進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果提供給微處理器MCU，以控制聲音播放電路中放大電路的增益幅度；⑦電源電路采用DC/DC直流電源芯片，為系統(tǒng)各電路提供不同電壓。

市場(chǎng)上主流的AVAS實(shí)現(xiàn)方案有如下兩類：①控制器和揚(yáng)聲器集成一體式（圖1）；②控制器和揚(yáng)聲器分離式（圖2）。方案①的系統(tǒng)偏獨(dú)立適用于在現(xiàn)有架構(gòu)方案中進(jìn)行集成的車型開(kāi)發(fā)，售后維修簡(jiǎn)單方便。方案②的系統(tǒng)更改符合現(xiàn)在中央域控的架構(gòu)方案，由核心的域控集成AVAS的算法和音源數(shù)據(jù)，將揚(yáng)聲器布置于前艙進(jìn)行警示音的播放。此方案方便后期的OTA升級(jí)，并在軟件迭代升級(jí)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更多的功能。本文主要以第②種方案為主進(jìn)行研究。

圖1 集成式

圖2 分體式

4.1 揚(yáng)聲器參數(shù)要求

1）靈敏度：86dBA+/-3dB SPL（1m自由場(chǎng)，結(jié)合安裝位置及音量需求進(jìn)行調(diào)整）

2）有效頻率：F0～14kHz。

3）諧振頻率：F0：200±20Hz。

4）額定功率：10W。

5）阻抗：4±0.8Ω。

6）防塵防水：揚(yáng)聲器殼體設(shè)計(jì)需要達(dá)到主機(jī)廠關(guān)于外部零部件的防塵防水要求。

7）口徑：僅AVAS功能時(shí)，口徑推薦2.5inch，為保證低頻的回放效果，建議大口徑、高功率。

4.2 布置要求

1）數(shù)量：考慮到行人警示音法規(guī)的最大聲壓級(jí)的要求，外部揚(yáng)聲器需求2個(gè)。

2）布置位置：揚(yáng)聲器建議裝配在車輛前部，左右對(duì)稱布置，揚(yáng)聲器角度與車體結(jié)構(gòu)配合，揚(yáng)聲器應(yīng)朝向正前方，前方無(wú)遮擋物（允許布置在進(jìn)氣格柵后方），減少聲音大小的衰減。

5 系統(tǒng)法規(guī)試驗(yàn)

可從法規(guī)要求從而得知系統(tǒng)的法規(guī)要求，本系統(tǒng)是通過(guò)半消聲室來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的法規(guī)驗(yàn)證。

5.1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置要求

傳聲器應(yīng)當(dāng)放置在如圖3所示的P、P’位置，其到CC’線的距離為2.0m±0.05m，在地表面向上1.2m±0.02m，基準(zhǔn)方向應(yīng)保持水平，并垂直指向車輛運(yùn)行的CC。實(shí)車布置見(jiàn)圖4。

圖3 試驗(yàn)場(chǎng)地布置要求

圖4 實(shí)車布置

5.2 聲壓級(jí)測(cè)試

測(cè)得的車外噪聲，需在其所包含的各個(gè)1/3倍頻程上，其中至少兩個(gè)1/3倍頻程上不小于所規(guī)定的聲級(jí)，且同時(shí)滿足對(duì)其總聲級(jí)的要求且不大于75dB。圖5中的測(cè)試數(shù)據(jù)滿足要求項(xiàng)。

圖5 1/3倍頻程測(cè)試數(shù)據(jù)

5.3 頻移測(cè)試

當(dāng)車輛以5～20km/h范圍內(nèi)的某一速度前進(jìn)時(shí)，提示音系統(tǒng)所發(fā)出的聲音中，至少有一個(gè)如圖5所規(guī)定的1/3倍頻程的頻率會(huì)隨車速的增加而變大，或隨著車速的減小而變小。該頻率的最小平均頻移速度應(yīng)滿足≥0.8%/（km/h），如同時(shí)存在多個(gè)如圖5所規(guī)定的1/3倍頻程頻率發(fā)生飄移，則只要有一個(gè)頻移符合要求即可。由圖6數(shù)據(jù)可知目前系統(tǒng)方案的頻移已經(jīng)滿足法規(guī)要求。

圖6 5km頻移采樣數(shù)據(jù)

5.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5km/h速度頻譜P點(diǎn)、P’點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)圖7、圖8。由圖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論：此AVAS的系統(tǒng)方案滿足GB/T 37153的法規(guī)要求；按照法規(guī)頻移要求，此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案也同樣滿足要求。

圖7 5km/h速度頻譜P點(diǎn)

圖8 5km/h速度頻譜P’點(diǎn)

6 總結(jié)

本文以研究低速行人警示音系統(tǒng)方案作為出發(fā)，以國(guó)內(nèi)外對(duì)于該系統(tǒng)研究發(fā)展和現(xiàn)狀作為依據(jù)，根據(jù)2018年新出臺(tái)的GB/T 37153法規(guī)要求設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出一套滿足法規(guī)要求的行人警示音系統(tǒng)。