淺析車載音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

劉碧波，陶首佳，秦 漢，閆 凱，曾俊偉，程長春

（1.湖北億咖通科技有限公司，湖北 武漢 430056；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司零束軟件分公司，上海 201800）

車輛作為現(xiàn)代生活中的“第三”空間，使用環(huán)境相對枯燥、封閉，讓用戶對于娛樂出行提出了更高的期望，在AI、5G等行業(yè)因素的影響下，智能座艙概念的悄然興起，車載視聽內(nèi)容不斷豐富，伴隨式音頻使用成為主流，有調(diào)查結(jié)果顯示，96%智能車機(jī)用戶在過去一月內(nèi)使用過車載音樂或音頻服務(wù)，遠(yuǎn)超智能車機(jī)提供的其它娛樂功能。車載音頻也成為了行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，建立一套高效的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及合理的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能給音頻開發(fā)工程師提供設(shè)計(jì)參考，提升用戶體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)組成

圖1為車載音頻系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡圖。車載音頻系統(tǒng)主要包含：MPU、Tuner、DSP、AMP、揚(yáng)聲器、低音炮等幾個模塊，MPU作為中央處理器，在音頻處理時主要用來解碼，通常采用軟解方式對在線或本地的音頻文件進(jìn)行解析，并通過I2S總線輸出音頻流。DSP是音效處理核心模塊，接收MPU端輸入的音頻流（二進(jìn)制數(shù)字信號），并通過一定的算法對二進(jìn)制信號進(jìn)行修正、刪除、強(qiáng)化，此外DSP具有可編程性，可以通過延時、相位差等方式動態(tài)地補(bǔ)償聲場，營造不同的音效效果。通常經(jīng)DSP處理后的音頻由4常規(guī)聲道輸出到功放，功放通過高通、低通濾波處理后分左右聲道音源及重低音分別給低音炮和揚(yáng)聲器進(jìn)行發(fā)聲。根據(jù)市場調(diào)研，當(dāng)前最常見一些主流中低端車型均為6揚(yáng)聲器配置，本篇也圍繞此配置切入展開音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析與評價(jià)。

圖1 車載音頻系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡圖

2 音場布置方案

音效影響因素有很多，常見中低端車型大都內(nèi)置4通道DSP，從圖1硬件框架分析，揚(yáng)聲器的選型、數(shù)量及布置方案對音效設(shè)計(jì)影響較大。

2.1 揚(yáng)聲器的種類選擇

音源文件從MPU解碼到人耳收聽的整個過程中，揚(yáng)聲器主要將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號，對音效體驗(yàn)影響非常重要，常見的揚(yáng)聲器分為：電動式揚(yáng)聲器、電磁式揚(yáng)聲器、靜電式揚(yáng)聲器、壓電式揚(yáng)聲器。車載系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是電動式錐形紙盆揚(yáng)聲器，主要由3部分組成。

1）振動系統(tǒng)，包括錐形紙盆、音圈、定心片等。

2）磁路系統(tǒng)、包括磁體、導(dǎo)磁板等。

3）輔助系統(tǒng)，包括盆架、防塵蓋等。

從音頻頻率上，揚(yáng)聲器又分為：低音揚(yáng)聲器、中音揚(yáng)聲器、高音揚(yáng)聲器、全頻帶揚(yáng)聲器。低音揚(yáng)聲器（20～200Hz）通常口徑較大，承受的輸入功率較大，在重放低頻信號時，下限可以盡量向下延伸，低頻音質(zhì)更好。中頻揚(yáng)聲器（200Hz～2.5kHz）主要銜接低頻和高頻，另外由于人耳的收聽頻率主要集中在中頻頻段，中頻揚(yáng)聲器要求有較高的品質(zhì)。高頻揚(yáng)聲器（2.5～20kHz）的性能基本和中頻一致，但上限頻率要求達(dá)到人耳聽覺的上限20kHz，口徑一般較小，重放時獲取上限頻段更高。全頻揚(yáng)聲器幾乎可以覆蓋低、中、高頻段，頻率響應(yīng)的帶寬和平直性劣于低、中、高揚(yáng)聲器組合效果，成本也較高，但相位準(zhǔn)確，音場比較好。

2.2 揚(yáng)聲器的數(shù)量及布置方案

在音效設(shè)計(jì)時，需結(jié)合實(shí)際需求，選擇不同的揚(yáng)聲器組合。當(dāng)前市場最常見的6揚(yáng)聲器車型配置中前門各兩路高低音或兩路高音+全頻揚(yáng)聲器，后門兩個全頻揚(yáng)聲器，根據(jù)實(shí)際聽音調(diào)試效果，推薦方案如圖2所示。前門高低音+后門全頻揚(yáng)聲器，不同音頻通道搭配，有利于后期DSP聲學(xué)算法的設(shè)計(jì)。

圖2 推薦方案

3 聲學(xué)效果設(shè)計(jì)

音效調(diào)節(jié)主要依賴于DSP軟件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)試樣車就緒后，首先會先用高精度麥克掃描整車的頻響，然后根據(jù)曲線調(diào)整DSP參數(shù)及相位并控制不同揚(yáng)聲器通道音源輸出等營造不同的聲學(xué)效果。

3.1 EQ音效調(diào)節(jié)

在中控多媒體系統(tǒng)中，EQ均衡器設(shè)置主要是開放給用戶用以自定義音效調(diào)節(jié)，大多數(shù)OEM也會提供一些調(diào)校好的基本音效（流行/古典/爵士/舞臺等）。基本音效的調(diào)校主要是調(diào)節(jié)不同頻率對應(yīng)的響度，可參考圖3。

圖3 音效調(diào)節(jié)

頻響的音感特征分析如下。

1）40Hz能控制雷聲、低音鼓、管風(fēng)琴和貝司的聲音，適當(dāng)?shù)捻懚葧@得聲音強(qiáng)而有力，過度提升會使音樂變得混濁不清。

2）80Hz附近能產(chǎn)生極強(qiáng)的“重感”效果，響度很高也不會給人舒服的感覺，在調(diào)音時如需獲取重低音震撼效果，可以增加5dB。

3）500Hz左右主要體現(xiàn)中音，合適的響度會顯得人聲渾厚有力，提升2～4dB給人親切感和縱深感。

4）1kHz人耳較為敏感頻點(diǎn)，此頻點(diǎn)調(diào)節(jié)一般較少，過度提升則會使聲音具有金屬感并產(chǎn)生聽覺疲勞。

5）5kHz具有臨場感的頻段，提升此頻點(diǎn)，能使聽者感覺與聲源的距離拉近，反正衰減此頻點(diǎn)，則會營造出距離感。

6）16kHz主要控制聲音的明亮度、清晰度，過渡提升聲音顯得宏亮但不清晰，適當(dāng)衰減則可以增加音源的清晰度。

3.2 增強(qiáng)音效設(shè)計(jì)

除了EQ自定義音效調(diào)節(jié)，通常OEM還會提供一些高端增強(qiáng)音效，如：環(huán)繞立體聲、乘客側(cè)音效增強(qiáng)、駕駛側(cè)音效增加、影院模式等，增強(qiáng)型音效有以下幾個基本影響因素。

1）聲道延遲

將音頻信號延遲后釋放，對不同聲道進(jìn)行不同的延遲，就可以控制音頻的焦點(diǎn)，營造一定的立體聲效果。

2）相位控制

將同一歌曲有差異的部分分配到不同的聲道L/R，車內(nèi)播放時就可以讓左右耳聽音效果不同。

3）聲像定位

提高低頻部分就能讓聲音聽起來灰暗而偏下方，提高高頻的音量可以讓聲音明亮而偏向上方，高低頻音量的改變可以讓聲像上下分層。

聲像的遠(yuǎn)近是通過混響效果實(shí)現(xiàn)的，通過調(diào)整直達(dá)原音和反射音和混響的音量比例來體現(xiàn)聲源的遠(yuǎn)近。在實(shí)際的音效設(shè)計(jì)中，也可以根據(jù)揚(yáng)聲器的位置，控制音量大小，來模擬實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)聲方向。

在增強(qiáng)型音效設(shè)計(jì)時，以駕駛側(cè)音效增強(qiáng)為例，通過控制車門左右側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)聲延遲，使以駕駛員為中心的位置左右聲源同時到達(dá)；另外若原始音頻左右聲道無差異，則可以控制左右兩側(cè)相位的疊加，最終達(dá)到音效增強(qiáng)的效果。

4 音效評價(jià)體系

音效評價(jià)是主觀行為，可以通過對聽音環(huán)境、音效效果設(shè)定一些量化標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到相對客觀的評價(jià)結(jié)果，給音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來參考。

4.1 音效評價(jià)環(huán)境要求

音效評價(jià)環(huán)境有3要素：場地環(huán)境、試音人員、音源選擇。選擇標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)環(huán)境可以減少外部干擾，有助于評價(jià)結(jié)果的公正。

1）場地要求：可以選擇安靜的室內(nèi)停車場或無背景噪聲的開闊場地，要求環(huán)境噪聲小于40dB（相當(dāng)于人耳語聲音），試聽期間，關(guān)閉車窗，保證音場不受外界干擾。

2）人員要求：保持愉悅的情緒，聽覺靈敏，試聽期間乘坐位置保持正常坐姿。

3）音源要求：建議采用U盤無損音樂，推薦音樂格式有MP3/FLAC/WAV/AAC等格式，DJ調(diào)制版、音樂發(fā)燒友販制及IHU主機(jī)、APP自帶音源大多品質(zhì)參差不齊，大多均為有損音源，不做推薦。推薦音效評價(jià)音源列表詳見表1。

此外，試音音量推薦調(diào)至音量條1/3～2/3的狀態(tài)最佳，如中控多媒體系統(tǒng)音量最大為40，則試音音量調(diào)節(jié)至12～26。

表1 音效評價(jià)音源表

4.2 音效評價(jià)基準(zhǔn)

當(dāng)前一些知名音頻方案提供商Arkamys、DTS、杜比，包括一些DSP芯片提供方及網(wǎng)絡(luò)音樂APP端均能提供一些豐富的音頻效果，但是由于音頻體驗(yàn)的主觀性，加之試音的專業(yè)性，導(dǎo)致在評價(jià)同一套音效效果時，經(jīng)常出現(xiàn)意見不一的情況，以下為參照表1曲目，綜合不同音頻特征制定的音效評價(jià)打分表，詳見表2。

表2 音效評價(jià)打分表

按上述表格制定統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范評價(jià)體系，有助于OEM相對客觀打分評價(jià)，提供依據(jù)促進(jìn)方案提供商優(yōu)化音頻方案，帶來更好的音頻體驗(yàn)。

5 結(jié)束語

音頻系統(tǒng)主要依賴于聽眾的主觀體驗(yàn)，軟件算法、硬件選型、試音環(huán)境等眾多因素均會影響聽音效果，此外，各類方案提供商的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，缺乏客觀統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本篇從硬件框架、軟件聲學(xué)效果設(shè)計(jì)及聽音評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等3個維度展開論述，提供通用的車載音頻設(shè)計(jì)評價(jià)體系，給后繼其他設(shè)計(jì)人員提供參考借鑒。