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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:徐業良(2016-12-15);推薦:徐業良(2016-12-15)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2017年一月號,史丹福專欄。

汽車的「音效」設計

沒錯,這裡談的是資訊科技,不是噪音隔絕,或者引擎、排氣管、消音器設計機械類的技術。

您如果希望車室內非常安靜,但是又希望踩下油門時能聽到引擎強勁的低吼聲,透過最新的數位科技進行汽車「音效」設計,這兩個似乎有衝突的要求也能辦到。

汽車的音效設計就是讓駕駛人聽到想聽的聲音,提供駕駛人更愉快的駕駛經驗。

汽車音效設計的核心技術叫做“Active Noise Cancellation”,主動式噪音消除,透過這個技術可以抑制某些特定頻段的不想要聽到的噪音,同時也可以選擇放大其他特定頻段噪音(例如駕駛人踩下油門時引擎低頻吼聲)。

主動式噪音消除其實不是太新的技術,早就有主動式抗噪耳機之類的產品了,藉由在耳機上設置麥克風接收環境聲音,耳機上的晶片即時產生與噪音聲波相位相反訊號,把噪音「抵銷(cancellation)」。使用者配戴有主動式噪音消除的耳機,即使在嘈雜聽音樂,也不必把耳機音量調大聲。也有主動式抗噪耳塞產品,目的純粹只是夜間睡覺時戴著消除環境噪音助眠。

同樣的技術應用在汽車上,主動式噪音消除系統使用多個麥克風,通常被藏在車頂內裝中,靠近駕駛人和乘客耳朵的位置,接收車室內的聲音,軟體和數位訊號處理器選定某些特殊頻率需要消除的聲音,產生相反相位的聲波,利用車內音響喇叭播放出來,來抵銷車室內原有的噪音。

啊,原來車室內的音響系統還有噪音消除的功能

噪音消除技術應用在汽車上最基本的功能就是讓車室更安靜,像是汽車內導航等系統常常利用語音控制,噪音消除技術可以讓車內語音控制指令更清晰,也因而更加準確。噪音少了,當然車內乘客之間對話更輕鬆,也更能夠享受車內的高級音響系統。例如SUV有三排座位,駕駛人很難和最後排的乘客對話,導致駕駛人可能會想回過頭去說話,而把眼睛移開路面。系統甚至做到可以偵測到駕駛人在說話,鄰近的麥克風便會接收這些說話聲音,利用音響系統播送到後方的喇叭,駕駛人管教坐在第三排的小孩也不需要在車內喊叫。

「主動式」噪音消除的對應是「被動式」噪音消除,也就是傳統使用隔音材料包覆將聲音隔絕的技術。然而很多汽車公司像是美國的克萊斯勒、福特、日本的Lexus、本田、日產等等,都積極使用主動式噪音消除技術來讓行路更安靜,同時也使車體使用隔音材料的需求和成本降低,甚至減輕車體重量,讓汽車更輕、更省油。

此外也不是所有車室內的聲音都要消除,有些聲音反而是重要駕駛資訊,像是汽車輪胎行駛在不同路面的磨地聲、車窗未關緊時的風切聲、救護車或平交道的警鈴聲,都應該被保留下來,完全與外界聲音隔絕、完全安靜的車室反而是有些危險的。

事實上這些聲音頻率不特定,頻率範圍大、變化也快,技術上本來就比較難被“cancel”,因此汽車的噪音消除技術目標不在消除寬廣頻率的外界噪音,而主要針對汽車引擎特定頻率噪音進行消除。

例如常用來提升省油性的「汽缸停缸(cylinder deactivation)」技術,八汽缸汽車引擎在巡航速度時有四個汽缸被關閉,也會產生一些固定的低頻噪音,讓駕駛人以為汽車有甚麼問題,便可利用主動式噪音消除技術來抑制。噪音消除軟體和處理器也可以連接汽車電腦,得知引擎即時狀況和負擔,預知其相對的噪音頻率,而做出必要的噪音消除調整。每個引擎的聲音都有其獨特的頻率,汽車的「音效工程師」還可以事先決定好那些頻率的引擎聲音可以進到車室,那些頻率引擎聲音要被消除,設定在軟體程式中。

另一方面,現在許多高性能引擎運轉起來十分安靜,並不會產生駕駛人期待的跑車聲浪之類的,汽車廠也可以根據引擎的特性設計一些「補強引擎聲」。早期很流行汽車排氣管改裝,讓引擎發出誇張的聲浪呼嘯而過,駕駛人聽得很爽,街上路人可是惱火得很。現今的數位引擎聲浪則使用數位技術的方式,利用車內音響喇叭,把「補強引擎聲」傳送至車內駕駛人和乘客-純粹是音效而已,車外的路人可是完全聽不到的。

世界不同區域的駕駛人對於引擎聲音也有不同的「品味」,過去汽車廠對於同樣車款銷售到美洲、歐洲、亞洲,可能要在引擎消音器設計上有所調整,現在則只要把主動式噪音消除軟體參數改一下就好。

 

聲波打到物體表面,一部分會被吸收、一部分會被反射。主動式抗噪耳機內部空間很小,不太需要考慮聲波吸收、反射的問題;應用在汽車上時,除了對噪音源的頻率、相位了解之外,複雜的演算法還要顧慮到車子的內裝,如玻璃的反射、乘客的位置、布面或是皮面座椅等,來對演算法做細部微調。

除了對車內乘客舒適性和駕駛感受做音效調整之外,安全警示聲的設計也是汽車「音效工程師」重要工作。汽車的安全功能越來越多,像是偏移車道警示、自動煞車系統、車外有行人靠近警示等等,都要依賴不同的警示聲來提示駕駛人。這些警示聲的形式、音量、頻率等也都需要小心設計,並且進行深入使用者測試,這時候「聲音的人因工程設計」就非常重要,警示聲音要足夠清晰、容易了解,一聽到就可以直覺反應發生甚麼問題;另一方面警示聲卻又不能讓駕駛人分心,甚至讓駕駛人驚慌。

電動車的興起也造成了另一個類型的聲音問題。通常來說,汽車接近時路上的行人預期會聽到汽車聲,但是電動車的馬達太安靜了,特別是低速運轉時電動車基本上沒有甚麼聲音,對周遭的行人、自行車騎士都是沉默的危險。所以這又是汽車音效工程師的工作,近幾年來電動車設計者一直在實驗加入一些叫做「外部行人警示(external pedestrian alerts)」的汽車音效,用熟悉、直覺的聲音警告行人有一部車開過來了。

日產電動車Leaf就有裝置這樣的系統,車子低速行駛時就會被自動開啟,從車頭一個喇叭發出模擬引擎噪音,有點像是飛機起飛時的聲音,警告周遭行人汽車接近。汽車時速提高30公里以上,輪胎磨地聲就大到周遭行人應該可以聽得到,車頭的喇叭播放的假引擎聲就會被關閉。

目前電動車並沒有警示聲標準規定,因此許多電動車(包括Telsa電動車Model S)都沒有這樣的警示聲設計。目前美國的「國家高速公路安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)」正在訂定電動車行人警示聲的相關規定-甚至在法規制定上,NHTSA也碰上了一些聲音人因工程的問題。如果採用較低頻率的電動車行人警示聲,傳遞距離比較長,音量不需要太高,但對行人來說比較缺乏方向性,聽到低頻警示聲往往很難判斷汽車會從哪個方向開來。相對的,高頻的電動車行人警示聲可以提供比較清楚的方向性,行人容易判斷車子從哪裡過來,但是需要提高音量。

汽車的技術,音效設計也是個學問呢!