浅析车载音频系统设计与评价标准

刘碧波，陶首佳，秦 汉，闫 凯，曾俊伟，程长春

（1.湖北亿咖通科技有限公司，湖北 武汉 430056；2.上海汽车集团股份有限公司零束软件分公司，上海 201800）

车辆作为现代生活中的“第三”空间，使用环境相对枯燥、封闭，让用户对于娱乐出行提出了更高的期望，在AI、5G等行业因素的影响下，智能座舱概念的悄然兴起，车载视听内容不断丰富，伴随式音频使用成为主流，有调查结果显示，96%智能车机用户在过去一月内使用过车载音乐或音频服务，远超智能车机提供的其它娱乐功能。车载音频也成为了行业关注的热点，建立一套高效的音频系统设计方案及合理的评价标准，能给音频开发工程师提供设计参考，提升用户体验。

1 系统架构组成

图1为车载音频系统硬件架构简图。车载音频系统主要包含：MPU、Tuner、DSP、AMP、扬声器、低音炮等几个模块，MPU作为中央处理器，在音频处理时主要用来解码，通常采用软解方式对在线或本地的音频文件进行解析，并通过I2S总线输出音频流。DSP是音效处理核心模块，接收MPU端输入的音频流（二进制数字信号），并通过一定的算法对二进制信号进行修正、删除、强化，此外DSP具有可编程性，可以通过延时、相位差等方式动态地补偿声场，营造不同的音效效果。通常经DSP处理后的音频由4常规声道输出到功放，功放通过高通、低通滤波处理后分左右声道音源及重低音分别给低音炮和扬声器进行发声。根据市场调研，当前最常见一些主流中低端车型均为6扬声器配置，本篇也围绕此配置切入展开音频系统的设计分析与评价。

图1 车载音频系统硬件架构简图

2 音场布置方案

音效影响因素有很多，常见中低端车型大都内置4通道DSP，从图1硬件框架分析，扬声器的选型、数量及布置方案对音效设计影响较大。

2.1 扬声器的种类选择

音源文件从MPU解码到人耳收听的整个过程中，扬声器主要将电信号转换为声音信号，对音效体验影响非常重要，常见的扬声器分为：电动式扬声器、电磁式扬声器、静电式扬声器、压电式扬声器。车载系统中应用较多的是电动式锥形纸盆扬声器，主要由3部分组成。

1）振动系统，包括锥形纸盆、音圈、定心片等。

2）磁路系统、包括磁体、导磁板等。

3）辅助系统，包括盆架、防尘盖等。

从音频频率上，扬声器又分为：低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器、全频带扬声器。低音扬声器（20～200Hz）通常口径较大，承受的输入功率较大，在重放低频信号时，下限可以尽量向下延伸，低频音质更好。中频扬声器（200Hz～2.5kHz）主要衔接低频和高频，另外由于人耳的收听频率主要集中在中频频段，中频扬声器要求有较高的品质。高频扬声器（2.5～20kHz）的性能基本和中频一致，但上限频率要求达到人耳听觉的上限20kHz，口径一般较小，重放时获取上限频段更高。全频扬声器几乎可以覆盖低、中、高频段，频率响应的带宽和平直性劣于低、中、高扬声器组合效果，成本也较高，但相位准确，音场比较好。

2.2 扬声器的数量及布置方案

在音效设计时，需结合实际需求，选择不同的扬声器组合。当前市场最常见的6扬声器车型配置中前门各两路高低音或两路高音+全频扬声器，后门两个全频扬声器，根据实际听音调试效果，推荐方案如图2所示。前门高低音+后门全频扬声器，不同音频通道搭配，有利于后期DSP声学算法的设计。

图2 推荐方案

3 声学效果设计

音效调节主要依赖于DSP软件实现，当调试样车就绪后，首先会先用高精度麦克扫描整车的频响，然后根据曲线调整DSP参数及相位并控制不同扬声器通道音源输出等营造不同的声学效果。

3.1 EQ音效调节

在中控多媒体系统中，EQ均衡器设置主要是开放给用户用以自定义音效调节，大多数OEM也会提供一些调校好的基本音效（流行/古典/爵士/舞台等）。基本音效的调校主要是调节不同频率对应的响度，可参考图3。

图3 音效调节

频响的音感特征分析如下。

1）40Hz能控制雷声、低音鼓、管风琴和贝司的声音，适当的响度会显得声音强而有力，过度提升会使音乐变得混浊不清。

2）80Hz附近能产生极强的“重感”效果，响度很高也不会给人舒服的感觉，在调音时如需获取重低音震撼效果，可以增加5dB。

3）500Hz左右主要体现中音，合适的响度会显得人声浑厚有力，提升2～4dB给人亲切感和纵深感。

4）1kHz人耳较为敏感频点，此频点调节一般较少，过度提升则会使声音具有金属感并产生听觉疲劳。

5）5kHz具有临场感的频段，提升此频点，能使听者感觉与声源的距离拉近，反正衰减此频点，则会营造出距离感。

6）16kHz主要控制声音的明亮度、清晰度，过渡提升声音显得宏亮但不清晰，适当衰减则可以增加音源的清晰度。

3.2 增强音效设计

除了EQ自定义音效调节，通常OEM还会提供一些高端增强音效，如：环绕立体声、乘客侧音效增强、驾驶侧音效增加、影院模式等，增强型音效有以下几个基本影响因素。

1）声道延迟

将音频信号延迟后释放，对不同声道进行不同的延迟，就可以控制音频的焦点，营造一定的立体声效果。

2）相位控制

将同一歌曲有差异的部分分配到不同的声道L/R，车内播放时就可以让左右耳听音效果不同。

3）声像定位

提高低频部分就能让声音听起来灰暗而偏下方，提高高频的音量可以让声音明亮而偏向上方，高低频音量的改变可以让声像上下分层。

声像的远近是通过混响效果实现的，通过调整直达原音和反射音和混响的音量比例来体现声源的远近。在实际的音效设计中，也可以根据扬声器的位置，控制音量大小，来模拟实现不同的发声方向。

在增强型音效设计时，以驾驶侧音效增强为例，通过控制车门左右侧扬声器发声延迟，使以驾驶员为中心的位置左右声源同时到达；另外若原始音频左右声道无差异，则可以控制左右两侧相位的叠加，最终达到音效增强的效果。

4 音效评价体系

音效评价是主观行为，可以通过对听音环境、音效效果设定一些量化标准，最终达到相对客观的评价结果，给音频系统设计带来参考。

4.1 音效评价环境要求

音效评价环境有3要素：场地环境、试音人员、音源选择。选择标准的评价环境可以减少外部干扰，有助于评价结果的公正。

1）场地要求：可以选择安静的室内停车场或无背景噪声的开阔场地，要求环境噪声小于40dB（相当于人耳语声音），试听期间，关闭车窗，保证音场不受外界干扰。

2）人员要求：保持愉悦的情绪，听觉灵敏，试听期间乘坐位置保持正常坐姿。

3）音源要求：建议采用U盘无损音乐，推荐音乐格式有MP3/FLAC/WAV/AAC等格式，DJ调制版、音乐发烧友贩制及IHU主机、APP自带音源大多品质参差不齐，大多均为有损音源，不做推荐。推荐音效评价音源列表详见表1。

此外，试音音量推荐调至音量条1/3～2/3的状态最佳，如中控多媒体系统音量最大为40，则试音音量调节至12～26。

表1 音效评价音源表

4.2 音效评价基准

当前一些知名音频方案提供商Arkamys、DTS、杜比，包括一些DSP芯片提供方及网络音乐APP端均能提供一些丰富的音频效果，但是由于音频体验的主观性，加之试音的专业性，导致在评价同一套音效效果时，经常出现意见不一的情况，以下为参照表1曲目，综合不同音频特征制定的音效评价打分表，详见表2。

表2 音效评价打分表

按上述表格制定统一的评价标准，规范评价体系，有助于OEM相对客观打分评价，提供依据促进方案提供商优化音频方案，带来更好的音频体验。

5 结束语

音频系统主要依赖于听众的主观体验，软件算法、硬件选型、试音环境等众多因素均会影响听音效果，此外，各类方案提供商的评价标准也不尽相同，缺乏客观统一的评价标准。本篇从硬件框架、软件声学效果设计及听音评价标准等3个维度展开论述，提供通用的车载音频设计评价体系，给后继其他设计人员提供参考借鉴。