电动汽车行人警示音系统设计及开发

2022-11-07徐逸诚王小刚沈安业

汽车电器 2022年9期

徐逸诚，严荣，王小刚，沈安业

（1.同济大学，上海 201804；2.零束科技有限公司，上海 201804）

1 前言

近几年来随着汽车行业的飞速发展，汽车已不再是仅仅用来满足消费者上下班通勤使用的交通工具，人们越来越关注汽车的各种新鲜功能给驾驶者带来的新奇的驾驶乐趣，而发动机的轰鸣声也备受年轻人的关注。与此同时，由于石油燃料的飞速消耗和国内油价的持续上涨外加中国对汽车尾气排放要求的愈加严苛，加速了汽车行业想节能减排方向的发展，小排量和电动车势必是未来汽车发展的方向。为了同时达到以上提到的两个要求，汽车主动声音管理系统应运而生，而本文主要研究的是车外声音系统。

2 国内外发展现状

2.1 国外发展现状

2008年Stefan Kerber和Hugo Fastl提出了一种计算背景噪声下车外声音感知距离的算法。这种算法可用来设计车外噪声源，实现在不过大增加总声压值的前提下提供汽车被行人察觉的可能性。2010年，日产为自家的行人警示音系统取名为Approaching Vehicles Sound for Pedestrian（VSP）system，日产的Heather Konet、ManabuSato在论文[2-3]中以混合动力汽车为例子，对该系统在内燃机模式下和纯电机模式下的噪声进行了对比实验，发现不同低速下新能源汽车噪声远低于传统内燃机汽车。Jay Pliskow、Koorosh Naghshineh、Robert Wall Emerson、Dae Kim和Kyle Myers在论文[4]发现1000Hz和2000Hz范围内声音对汽车接近可探测性影响更为显著。

2.2 国内发展现状

反观国内相关研究虽然起步较晚，但是也取得了一定的成果。比如：2012年，郑四发、连小珉等人申请一种多模式行人警示音系统。该系统根据车速信号和加速度信号调节音量大小，同时也可以根据周遭的环境噪声调节音量。利用行人检测信号、倒车和行车信号，调用波形存储器内的声音文件。2015年，陈红、冯雨霖等人申请了一种行人警示装置，该装置包括距离监测传感器（用于检测与行人的距离）、噪声检测装置（用于检测背景噪声以获得相应的背景噪声信号，控制其用于计算相应的采集信号输出提示音，扬声器用于发声）。该系统当检测到车与行人小于设定安全值后，产生啸叫。在产品化后，有些公司已经开始尝试。长春启明信息技术股份有限公司于2014年就给一汽大众、一汽丰田等多家公司提供了此套系统。

3 法规要求

中国国家标准委员会于2013年也开始着手对电动汽车低速提示音的标准制定计划，于2016年12月完成了征求意见稿。该标准规定了提示音的声级限值、频率要求、声音种类等，并在2018年12月发布了初版的GB/T 37153—2018《电动汽车低速提示音》，要求2019年7月后上市的纯电动汽车必须配备AVAS系统，且对相关指标有了一个全面的定义，主要的技术指标如下。

1）速度范围：在0～20km/h有效（但是实车有效车速定义为0～30km/h，保证20～30km/h这段期间，声音有个逐渐灭的过程）。

2）1/3倍频程至少有两个频带满足如表1的要求，且一个小于1600Hz。

表1 声压级法规要求

3）声源应随车速变化，频移分辨率要在0.8km/h以下。

4）整体声压级小于75dB。

4 行人警示音系统设计

行人警示系统设计路线如下：包含微处理器MCU、声音播放电路、存储电路、背景噪声测量电路、CAN总线接口电路及电源电路。①电源电路为整个控制系统供电，存储电路、声音播放电路、背景噪声测量电路、CAN总线接口电路分别与微处理器MCU连接；②微处理器MCU通过CAN总线获得车辆车速、行驶状况，以及通过背景噪声测量电路获取行驶环境中的背景噪声，依据背景噪声的大小智能地控制放大电路的增益倍数，然后选择存储电路中的声音样本并通过声音播放电路进行播放；③声音播放电路包括依次连接的AD转换器、放大电路、扬声器，其负责播放微处理器MCU筛选的声音样本；④存储电路包括Flash存储芯片及RAM存储芯片，Flash存储芯片负责存储筛选出的评分最高的声音数据，RAM存储芯片负责微处理器MCU所选取的声音数据的暂存以及播放声音数据的存储；⑤CAN总线接口与车辆CAN总线接口实现电平转换，由微处理器MCU读取车速或电机转速以及混合动力汽车驱动方式信息，来判断是否需要开启警示控制系统，当系统启动时，将根据车辆运行状况选择所要播放的声音；⑥背景噪声测量电路采用噪声测量传感器对车辆所处的环境噪声进行测量，并将测量结果提供给微处理器MCU，以控制声音播放电路中放大电路的增益幅度；⑦电源电路采用DC/DC直流电源芯片，为系统各电路提供不同电压。

市场上主流的AVAS实现方案有如下两类：①控制器和扬声器集成一体式（图1）；②控制器和扬声器分离式（图2）。方案①的系统偏独立适用于在现有架构方案中进行集成的车型开发，售后维修简单方便。方案②的系统更改符合现在中央域控的架构方案，由核心的域控集成AVAS的算法和音源数据，将扬声器布置于前舱进行警示音的播放。此方案方便后期的OTA升级，并在软件迭代升级过程中实现更多的功能。本文主要以第②种方案为主进行研究。

图1 集成式

图2 分体式

4.1 扬声器参数要求

1）灵敏度：86dBA+/-3dB SPL（1m自由场，结合安装位置及音量需求进行调整）

2）有效频率：F0～14kHz。

3）谐振频率：F0：200±20Hz。

4）额定功率：10W。

5）阻抗：4±0.8Ω。

6）防尘防水：扬声器壳体设计需要达到主机厂关于外部零部件的防尘防水要求。

7）口径：仅AVAS功能时，口径推荐2.5inch，为保证低频的回放效果，建议大口径、高功率。

4.2 布置要求

1）数量：考虑到行人警示音法规的最大声压级的要求，外部扬声器需求2个。

2）布置位置：扬声器建议装配在车辆前部，左右对称布置，扬声器角度与车体结构配合，扬声器应朝向正前方，前方无遮挡物（允许布置在进气格栅后方），减少声音大小的衰减。

5 系统法规试验

可从法规要求从而得知系统的法规要求，本系统是通过半消声室来进行系统的法规验证。

5.1 试验场地布置要求

传声器应当放置在如图3所示的P、P’位置，其到CC’线的距离为2.0m±0.05m，在地表面向上1.2m±0.02m，基准方向应保持水平，并垂直指向车辆运行的CC。实车布置见图4。

图3 试验场地布置要求

图4 实车布置

5.2 声压级测试

测得的车外噪声，需在其所包含的各个1/3倍频程上，其中至少两个1/3倍频程上不小于所规定的声级，且同时满足对其总声级的要求且不大于75dB。图5中的测试数据满足要求项。

图5 1/3倍频程测试数据

5.3 频移测试

当车辆以5～20km/h范围内的某一速度前进时，提示音系统所发出的声音中，至少有一个如图5所规定的1/3倍频程的频率会随车速的增加而变大，或随着车速的减小而变小。该频率的最小平均频移速度应满足≥0.8%/（km/h），如同时存在多个如图5所规定的1/3倍频程频率发生飘移，则只要有一个频移符合要求即可。由图6数据可知目前系统方案的频移已经满足法规要求。