仿真在车辆低速提示音系统（AVAS）音效设计中的应用

车辆低速提示音系统（AVAS）是一种汽车模块，会产生独特的警示音，并通过安装在车身上的扬声器播放，向其他道路使用者提供有关车辆位置、速度和行驶方向的信息。电动汽车（EV）和混合动力汽车低速时几乎是无声的，让人们难以察觉，为此，行业面向这两类汽车开发了AVAS技术，以响应安全专家和视障权益倡导者的诉求。一般来说，汽车发出的声音有三种来源：

 

l 发动机噪声：为车轮提供扭矩的机械系统都会产生一些噪声，而且内燃机的噪声级别可能非常高。各种散热风扇也会发出声音，但它们不常开启。电机在较高转速下会产生尖锐的响声，燃料电池发动机配备的鼓风机和泵也会产生发动机噪音。

 

l 滚动噪声：轮胎在路面上滚动时会发出声音，声音的大小取决于轮胎设计、路面和车速。

 

l 空气动力学噪声：速度较高时，车辆周围的气流会产生湍流，这也会发出声响，这种声音能够让行人察觉到车辆的存在。不过，车辆低速行驶时，空气动力学噪声极小。

 

路上的行人或者过马路的行人、骑行人员或路边的儿童，都会将这类声音作为听觉警示，从而知道有车辆正在接近。对于视障人士或者因其它事情而分心的人（例如一边走路一边看手机，或者一边走路一边和人说话）来说，这一点尤为重要。电动汽车和噪声较大的燃油车一同在道路上行驶时，在低速行驶下其近乎没有声音，这样的特性就带来了行人安全隐患。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）2009年的一项研究发现，依靠电机驱动行驶的混合动力电动汽车撞人的概率，是普通燃油车的两倍，和自行车相撞的概率则高出1.7倍。当车速达到约20公里/小时（12.4英里/小时）时，道路噪声和空气动力学噪声较大、足以让其他道路使用者听到，因此车辆不再需要发出其他声音进行安全提醒。

 

与车辆低速提示音系统有关的目标和模块

汽车制造商在其电动汽车和混合动力汽车中采用AVAS模块，有三个原因：

l 行人安全：AVAS发出的警示音可降低与行人和骑行者等弱势道路使用者（Vulnerable Road Users）发生碰撞的风险。AVAS产生的警示声音，主要用于帮助应对一些常见场景，例如行人在人行横道内外过马路、在停放的车辆间行走，或从正在倒车的车辆后方经过等情况。

 

l 音效品牌化：出于安全目的的低速提示音，也为汽车制造商带来了新的机遇。汽车制造商可以为其AVAS解决方案定制独特的音效，从而形成品牌标志性的车辆声音标识。

 

l 法规合规性：许多国家和地区已经强制要求低速行驶时不产生发动机噪音的车辆使用AVAS。其中包括纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车、油电混合动力汽车，以及一些氢燃料电池汽车等。

 

车辆低速提示音系统通常包含以下模块：

l 控制器局域网（CAN）总线：AVAS需要关于汽车行为的输入，以在指定的音量和频率组合下产生适当的声音。该信息源于车辆的CAN总线。CAN总线连接至各种传感器和设备，而这些传感器和设备用于测量或采集车速、档位设置、油门和刹车位置、环境噪声以及加速度等信息。

 

l 处理：这是系统的“大脑”，由电子控制单元（ECU）、声音引擎、放大器以及CAN总线接口组成。

 

l 输出：处理模块使用传感器输入，通过系统输出模块产生声音。AVAS输出模块的主要组件有扬声器、接线、外壳和支架。一些车辆会通过现有车辆面板（如引擎盖）的主动振动，来产生所需的声音。

 

推动车辆低速提示音系统落地的法规

早期针对内燃机驱动车辆噪声制定的法规，重在减少噪声污染，以及提高驾驶员对环境的感知能力。如今，监管机构已实施了相应标准，以确保电动汽车及相关车辆能够发出有助于提高安全性的声音。由此制定的行人警示系统相关法规有两个目的：

 

1. 为保护道路使用者提供了法律保障，并为汽车工程师提供一致的指导原则。

2. 这些法规中包含供工程师设计使用的可量化指标。

 

每个国家或地区都有自己的AVAS安全标准，但几乎所有国家或地区都针对特定车速做出了以下规定：

 

l 可听见：不同速度下的噪声音量要足够大、足以在实际环境中被听见。

l 可识别：车辆附近的人，可以根据这种声音判断车辆的位置，并随着车辆移动辨别其行驶方向。

l 相关性：提示音要能提供更多听觉信息，例如速度、停车或倒车状态。

 

常用的AVAS法规

以下是一些适用于车辆低速提示音系统的、较常用的法规和指南。

联合国第138号法规（UN r138）

 

绝大多数国家或地区都接受这一国际标准，其中包括日本、欧盟、澳大利亚和英国。UN r138非常全面，为工程师提供了有关音量、频率和测试的信息。其中，针对所涵盖的AVAS系统提出的重要要求包括：

 

l 从起步到时速20公里（12英里）的区间发出警示音。

 

l 车辆倒车时，应以不低于规定最低音量的声级发出易于识别的倒车提示音。

 

l 车辆处于静止状态时，不发出声音。

 

l 车辆在不同车速区间，应发出声级达到相应规定最小值的提示音。

 

l 发出的提示音应至少包含两个处于规定频率范围内的频率。

 

l 按照车速每改变1公里/小时，音调至少改变0.8%的速率，改变提示音的音调，以表明加速（增加频率）和减速（降低频率）。

 

美国联邦机动车安全标准（FMVSS）141

在美国使用车辆额定总质量（GVWR）≤10000磅的混合动力汽车和电动汽车，必须符合《美国联邦机动车安全标准第141号：混合动力汽车及电动汽车最低声音要求》

 

针对所涵盖的AVAS模块提出的重要要求包括：

 

l 从起步到时速18.64英里（30公里）的区间发出警示音。

l 车辆倒车时，应以不低于规定最低音量的声级发出易于识别的倒车提示音。

l 车辆停止并挂档时发出提示声。

l 车辆在不同速度及频段区间，应发出声级达到相应规定最小值的提示音。

l 车辆加速或减速时，提示音声级应随车速变化，车速每变化10km/h，声级变化3 dB。

l 发出的提示音应至少包含两个（最多四个）处于规定频率范围内的频率。

l 相同品牌、车型、年款、车身类型和配置级别的车辆，应采用相同的提示音。

 

中国国标GB/T 37153

在中国，相关标准主要遵循UN r138。但由于国内城市环境噪音偏高，规定的声级比联合国标准高2dB。此外，我国的相关标准允许驾驶员通过暂停开关暂时关闭AVAS模块。

 

SAE J2889-1和ISO 16254

这两项密切相关的行业标准，并非法律强制要求。它们规定了规定了车辆低速提示音系统发出声音的通用测量方法，包括关于测试路面、背景噪声修正和传声器布置的指南。

 

如何设计AVAS音效？

创造AVAS音效，需将工程、美学、创新、效率和安全需求融入统一的创造性工作中，以产出能满足所有这些目标（通常相互冲突）的产品。因此，汽车制造商需要专业音效设计人员来推动其AVAS提示音的设计工作。

 

不同团队会以不同的方式开展这个流程，但他们都会从品牌目标、法规和其它安全要求出发，然后尝试不同的音效。音效设计人员可以利用声音采样、数字音效、乐器或日常用品来探索独特的声学组合，从而提高道路安全性、满足法规要求，并塑造企业品牌形象。

 

音量和频率要求可以根据法规确定，但通过声音强化品牌形象却是一个需要反复调整和完善的过程。团队首先围绕品牌特定意象进行创意研讨，为音效工程师提供指导方向。这些音效可能是一种自然原生态声响，比如风声和水声，也可能是品牌想要打造的雄浑厚重、富有电影氛围感的听觉效果。有些品牌甚至会更倾向于让其电动车沿用自家传统燃油车型标志性的低沉轰鸣声。

 

团队确定品牌愿景后，下一步是了解AVAS产生的声音如何与车辆的运行声相互影响。声音可以互补，也可以彼此掩蔽。音效工程师需要考虑的另一个关键方面，是声音组合是否和谐。同时，他们还必须了解人们对各类声音的主观听觉感受。比如，捷豹曾为其AVAS采用航天器风格音效，结果路人闻声纷纷抬头望向天空，这是行人反应出乎意料的经典案例。

 

仿真助力提升AVAS音效设计

考虑到这些复杂情况，音效设计人员使用Ansys Sound后处理音效设计软件等仿真软件来试验、测试、优化并验证不同的音效设计构想。设计人员可以先设定一组基准声音，再调整音色、音调和响度等属性，打磨创作全新的音效。他们可以探索这些声音如何随电机转速、车速、加速度和扭矩等行驶参数变化而变化。使用该软件，可轻松修改各项参数，然后在实验室、驾驶模拟器中，或者通过车上的车辆AVAS硬件实时试听各种音效。使用Ansys Sound等仿真工具，工程师可以快速进行迭代，而无需耗费数周时间等待实体原型修改完成。

 

 

Ansys Sound软件图像显示了声音调校（左）和AVAS合规性检查

 

AVAS的未来挑战和机遇

尽管车辆低速提示音系统是电动汽车和混合动力汽车中一项成熟的安全功能，但随着电动汽车日益普及，该领域仍将面临一些挑战。其中，最突出的挑战就是新型噪声污染的隐患。随着越来越多的电动汽车进入城市街道，其AVAS扬声器的声音可能会导致城市噪声污染。而且，不同品牌的车辆可能会同时发出截然不同的声音，这种混杂音可能会分散行人的注意力。在某些情况下，多辆汽车的声音可能会让人感到混音嘈杂，听起来就像新手校园乐队合奏的那样让人心烦意乱，完全没有专业交响乐团的悦耳韵律。各音效设计团队正在攻关的一些增强功能包括：

 

l 自适应场景音效，可根据环境自动调整，例如学区、医院、步行街或乡村场景。

 

l 智慧城市融合，其中AVAS会与城市传感器或行人智能实现信息交互。

 

l 使车辆不仅能够感知其它车辆等其它噪声源的声音，而且还能微调提示音，让声音更加和谐。

 

l 针对嘈杂环境，将AVAS与视觉警示信号结合使用。

 

与此同时，电动汽车更大程度的普及以及其它技术大趋势的发展也带来了机遇。自动驾驶汽车没有驾驶员来鸣笛或提醒候车乘客车辆已到达，因此需要额外的警示音。此外，人工智能（AI）有助于音效设计人员探索和综合更多声音选项，并更快、更精确地对其进行测试。