车载独立声学空间系统及车辆的制作方法

2021-02-03 16:02:21|

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本发明涉及汽车音响领域，具体而言，涉及一种车载独立声学空间系统及车辆。

背景技术：

当前，鉴于声音分区控制算法的快速发展以及各种多媒体设备的广泛普及，独立声学空间系统的开发与设计越发受到关注，其在汽车领域的应用更是方兴未艾。汽车搭载独立声学空间系统后，可以在车内形成所谓的声音“亮区”与“暗区”(亮区与暗区都是针对某一特定的音频而言，例如：驾驶员在收听语音导航提示，那么对于语音导航提示来说，驾驶员座位为其亮区，车内其他座位为其暗区)，车上的驾乘人员可以享受到“你听音乐，我打电话，大家互不干扰”的个性化听觉体验，从而极大的改善驾乘舒适性与娱乐性。

然而，当前已经面市的车载独立声学空间系统仅仅是对车载扬声器功率进行简单的二次分配，最多只能让一名车内乘员享受到私密的声场环境，其他乘员的听觉体验反而遭到破坏，故不能算作真正意义上的独立声学空间系统；而大多数正在开发的车载独立声学空间系统则至少存在以下两点不足：(1)主要沿袭电子产品(如手机、笔记本电脑等)扬声器阵列的开发形式，没有充分考虑车内环境与电子产品使用环境的不同；(2)过分强调通过声音分区控制算法来改变扬声器阵列的指向性，从而改变车内的声场分布，没有充分利用隔声等被动手段来提升车内声音分区控制的效果。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种车载独立声学空间系统及车辆，以解决现有技术中存在的无法使车内多名乘员享受到私密声场环境的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种车载独立声学空间系统，包括车载独立声学空间装置和控制系统；

所述车载独立声学空间装置包括至少两个座椅头枕，所述座椅头枕用于套设于车辆座椅头枕外；至少两个所述座椅头枕内均设置有扬声器和隔声组件；所述隔声组件至少设置于所述扬声器的外侧，用于隔声和将扬声器的声辐射能量集中在车辆座椅头枕前方；

所述控制系统包括存储器、滤波器、功率放大电路、输出通道和至少两个输入通道；存储器内存储有滤波系数q；滤波器用于调用存储器内的滤波系数，然后执行滤波算法，滤波对象为至少两个输入通道的原始音频，滤波后得到四段次级音频；功率放大电路用于调制四段次级音频，然后由输出通道输出到扬声器进行播放；

所述滤波系数q由以下方法计算得到：q＝βe^iθq0；

其中，

zb为扬声器的驱动信号与由所述驱动信号产生于车内亮区内乘客耳部的声压间的传递函数；zd为扬声器的驱动信号与由所述驱动信号产生于车内暗区内乘客耳部的声压间的传递函数；pbt为单位向量；κ为权重系数，取0.99；∠代表求相角；和中的上标h代表共轭转置运算。

作为进一步优选的技术方案，所述隔声组件包括吸音材料和阻尼减振材料；

优选地，所述吸音材料包括吸音棉。

作为进一步优选的技术方案，所述座椅头枕包括第一座椅头枕和第二座椅头枕，所述第一座椅头枕用于套设于车辆前排座椅头枕或车辆主驾驶位座椅头枕，所述第二座椅头枕用于套设于车辆后排座椅头枕；

优选地，所述座椅头枕包括第一座椅头枕和第二座椅头枕，所述第一座椅头枕用于套设于车辆主驾驶位座椅头枕，所述第二座椅头枕用于套设于车辆后排右侧座椅头枕。

作为进一步优选的技术方案，所述第一座椅头枕包括头枕主体、第一后盖、第一突出部和第二突出部，所述头枕主体分别与第一后盖、第一突出部和第二突出部相连；

所述头枕主体用于套设在车辆座椅头枕上方和侧面，所述第一后盖用于设置于车辆座椅头枕的后方，所述第一突出部用于设置于车辆座椅头枕的右前方，所述第二突出部用于设置于车辆座椅头枕的左前方；所述扬声器分别设置于所述第一突出部和所述第二突出部。

作为进一步优选的技术方案，所述第一突出部包括第一上端和第一下端，所述扬声器设置于所述第一下端；

和/或，所述第二突出部包括第二上端和第二下端，所述扬声器设置于所述第二下端。

作为进一步优选的技术方案，所述头枕主体、所述第一后盖、所述第一突出部和所述第二突出部内均设置有吸音材料，所述头枕主体、所述第一突出部和所述第二突出部内均设置有阻尼减振材料。

作为进一步优选的技术方案，所述第二座椅头枕包括左壳体、右壳体和第二后盖，所述左壳体包括用于设置于车辆座椅头枕左侧的左贴合部和用于设置于车辆座椅头枕左前方的左非贴合部，所述右壳体包括用于设置于车辆座椅头枕右侧的右贴合部和用于设置于车辆座椅头枕右前方的右非贴合部，所述扬声器分别设置于所述左非贴合部和所述右非贴合部；

所述第二后盖分别与所述左壳体和所述右壳体相连，所述第二后盖用于设置于车辆座椅头枕的后方；

优选地，所述第二后盖包括左后盖和右后盖，所述左后盖和所述右后盖通过连接杆相连，所述左后盖与所述左贴合部相连，所述右后盖与所述右贴合部相连；

优选地，所述左壳体和所述右壳体内均设置有吸音材料，所述左壳体、所述右壳体和所述第二后盖内均设置有阻尼减振材料。

作为进一步优选的技术方案，所述输出通道包括第一输出通道、第二输出通道、第三输出通道和第四输出通道，第一输出通道和第二输出通道输出两段次级音频，并经第一座椅头枕的扬声器进行播放；第三输出通道和第四输出通道输出另外两段次级音频，并经第二座椅头枕的扬声器进行播放。

作为进一步优选的技术方案，所述滤波器的阶数n为4000，所执行的滤波算法为：

1)、对于任意原始音频信号以50％的重叠率将其截取成若干分段每个分段含4000个数据点，^代表时域；

2)、对任意分段做圆周卷积运算：

其中，为q经重采样并做逆傅里叶变换所得；

为n维向量，其中第j个元素为

3)、将滤波后所得的各分段组合拼接，得到

其中，

即各分段中的首段取前75％的数据点，之后的每个分段取中间50％的数据点，所有分段首尾相连。

第二方面，本发明提供了一种车辆，所述车辆包括上述的车载独立声学空间系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的车载独立声学空间系统包括车载独立声学空间装置和控制系统，通过主动控制手段(该控制系统)和被动控制手段(该装置)相结合的方式，实现车内驾驶员与乘客私享独立声学环境的目的。该控制系统中的滤波系数q采用基于acc-pm(acousticcontrastcontrol–pressurematching)原理的声音分区控制优化算法计算得到，不同的车型存在不同的滤波系数，该优化算法计算效率高、数值稳定，由其求得的滤波系数可以在保证声音不过分失真的前提下，大幅度改变车内的声势能密度分布(1500hz以下尤其明显)。被动手段即为该装置，采用该装置不但可以起到一定的隔声作用，还能改变扬声器的声辐射指向性，将声辐射能量主要集中在汽车座椅头枕的前方，向后方的声辐射大幅减少，从而改变车内的声势能密度分布。

与现有的车载独立声学空间装置相比，本发明的车载独立声学空间装置可以将衡量声音分区控制效果的关键指标(亮暗区对比度)在100到8000hz内普遍提高至少5至10db；另外，其中的控制系统具有准确率高、延时低等特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中第一座椅头枕的安装示意图；

图2是本发明实施例1中第二座椅头枕的安装示意图；

图3是本发明实施例1中控制系统的结构示意图；

图4是本发明实施例1中车载独立声学空间系统的连接结构示意图。

图标：100-车辆前排座椅头枕；200-车辆后排座椅头枕；11-头枕主体；14-第一后盖；111-第一突出部；112-第二突出部；41-第一扬声器；42-第二扬声器；43-第三扬声器；44-第四扬声器；12-第一上端；13-第二上端；15-第一插销；16-第一插孔；21-右壳体；22-左壳体；23-右后盖；24-左后盖；27-连接杆；25-第二插销；26-第二插孔；31-tms320f2812型dsp芯片；32-存储器；33-随机存取存储器；34-功率放大电路；35-输入通道；351-第一输入通道；352-第二输入通道；36-输出通道；361-第一输出通道；362-第二输出通道；363-第三输出通道；364-第四输出通道；37-开关；1-第一原始音频信号；2-第二原始音频信号；110-第一次级音频信号；120-第二次级音频信号；210-第三次级音频信号；220-第四次级音频信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定相连，也可以是可拆卸相连，或一体地相连；可以是机械相连，也可以是电相连；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明的一个方面，提供了一种车载独立声学空间系统，包括车载独立声学空间装置和控制系统；

所述控制系统包括存储器、滤波器、功率放大电路、输出通道和至少两个输入通道；存储器内存储有滤波系数q；滤波器用于调用存储器内的滤波系数，然后执行滤波算法，滤波对象为至少两个输入通道的原始音频，滤波后得到四段次级音频；功率放大电路用于将四段次级音频调制，然后由输出通道输出到扬声器进行播放；

所述滤波系数q由以下方法计算得到：q＝βe^iθq0；

其中，

上述车载独立声学空间系统包括车载独立声学空间装置和控制系统，通过主动控制手段(该控制系统)和被动控制手段(该装置)相结合的方式，实现车内驾驶员与乘客私享独立声学环境的目的。该控制系统中的滤波系数q采用基于acc-pm原理的声音分区控制优化算法计算得到，不同的车型存在不同的滤波系数，该优化算法计算效率高、数值稳定，由其求得的滤波系数可以在保证声音不过分失真的前提下，大幅度改变车内的声势能密度分布(1500hz以下尤其明显)。被动手段即为该装置，采用该装置不但可以起到一定的隔声作用，还能改变扬声器的声辐射指向性，将声辐射能量主要集中在汽车座椅头枕的前方，向后方的声辐射大幅减少，从而改变车内的声势能密度分布。

上述“亮区”是指希望由驱动信号产生的声音集中出现的特定区域；上述“暗区”是指不希望由驱动信号产生的声音集中出现的特定区域。

在一种优选的实施方式中，所述隔声组件包括吸音材料和阻尼减振材料。吸音材料可增强座椅头枕的隔声能力，阻尼减振材料可有效改变扬声器的声辐射指向性，使其声辐射能量集中在头枕前方，从而减少对其他人员的声音干扰。

优选地，所述吸音材料包括吸音棉。

在一种优选的实施方式中，所述座椅头枕包括第一座椅头枕和第二座椅头枕，所述第一座椅头枕用于套设于车辆前排座椅头枕或车辆主驾驶位座椅头枕，所述第二座椅头枕用于套设于车辆后排座椅头枕。本优选实施方式中的座椅头枕包括第一座椅头枕和第二座椅头枕，第一座椅头枕可套设于车辆前排座椅头枕(包括车辆主驾驶位座椅头枕和车辆副驾驶位座椅头枕)或只套设于车辆主驾驶位座椅头枕，第二座椅头枕套设于车辆后排座椅头枕(包括车辆后排左侧座椅头枕和车辆后排右侧座椅头枕)。

优选地，所述座椅头枕包括第一座椅头枕和第二座椅头枕，所述第一座椅头枕用于套设于车辆主驾驶位座椅头枕，所述第二座椅头枕用于套设于车辆后排右侧座椅头枕。第一座椅头枕套设于车辆主驾驶位座椅头枕，第二座椅头枕套设于车辆后排右侧座椅头枕，由此可实现主驾驶位和后排右侧乘客私享独立声学环境的目的。

在一种优选的实施方式中，所述第一座椅头枕包括头枕主体、第一后盖、第一突出部和第二突出部，所述头枕主体分别与第一后盖、第一突出部和第二突出部相连；

本优选实施方式提供了一种特定结构的第一座椅头枕，其中头枕主体可将车辆座椅头枕的上方和左右两个侧面全面覆盖，后盖壳将车辆座椅头枕的后方覆盖，从而使第一座椅头枕可靠地套设于车辆座椅头枕外，而第一突出部和第二突出部分别设置于车辆座椅头枕的左前方和右前方，当驾驶员或乘员坐着座椅上时，头部正好位于第一突出部和第二突出部之间，其内设置的扬声器可将声音直接传递到人耳。

需要说明的是，本发明对第一突出部和第二突出部的形状不做特别限制，只要其能够可靠地设置于车辆座椅头枕右前方和左前方，使两个突出部之间能够形成充足的空间，保证驾驶员或乘员的头部能够位于其中即可。例如，第一突出部和第二突出部的横截面可以为扇形、三角形或矩形，第一突出部和第二突出部中扬声器向驾驶员或乘员发声的表面可以平行设置或非平行设置，非平行设置时，两个表面的夹角优选为锐角。

优选地，所述第一突出部包括第一上端和第一下端，所述扬声器设置于所述第一下端；

和/或，所述第二突出部包括第二上端和第二下端，所述扬声器设置于所述第二下端。

应当理解的是，第一上端和第一下端可以设置为一体式结构，也可以设置为分体式结构，优选设置为分体式结构，方便后续吸音材料的放入。

优选地，所述头枕主体、所述第一后盖、所述第一突出部和所述第二突出部内均设置有吸音材料，所述头枕主体、所述第一突出部和所述第二突出部内均设置有阻尼减振材料。吸音材料的设置位置全面，因而可将整个第一座椅头枕内填充起来，形成吸音屏障，最大程度避免扬声器的声音传递到其他乘员耳内。阻尼减振材料设置于头枕主体、第一突出部和第二突出部，可有效调节扬声器的声辐射指向，使其声辐射能量集中在车辆座椅头枕前方。

在一种优选的实施方式中，所述第二座椅头枕包括左壳体、右壳体和第二后盖，所述左壳体包括用于设置于车辆座椅头枕左侧的左贴合部和用于设置于车辆座椅头枕左前方的左非贴合部，所述右壳体包括用于设置于车辆座椅头枕右侧的右贴合部和用于设置于车辆座椅头枕右前方的右非贴合部，所述扬声器分别设置于所述左非贴合部和所述右非贴合部；

所述第二后盖分别与所述左壳体和所述右壳体相连，所述第二后盖用于设置于车辆座椅头枕的后方。

本优选实施方式提供了一种特定结构的第二座椅头枕，与第一座椅头枕的一种主要不同点在于，该第二座椅头枕没有顶盖，即应用该第二座椅头枕的车辆座椅头枕顶部没有可隔音的组件，由于第二座椅头枕设置于副驾驶位或后排座椅上，因此顶部的隔音材料可以不设置，这样可节省材料。

优选地，所述第二后盖包括左后盖和右后盖，所述左后盖和所述右后盖通过连接杆相连，所述左后盖与所述左贴合部相连，所述右后盖与所述右贴合部相连。该特定结构的后盖包括两部分，而不是一个整体，这样可以使结构更加简化，便于组装。

可选地，连接杆为金属连接杆，例如铝制连接杆。

需要说明的是，对于第一座椅头枕和第二座椅头枕各部分的连接，可通过插销和插孔相连，组装完毕后即可套设于车辆座椅头枕。对于扬声器的装配，优选过盈配合安装，扬声器的直径可选为6.5cm，外部可设有金属壳体，例如铝制壳体，工作频率范围可选100-8000hz。

优选地，所述左壳体和所述右壳体内均设置有吸音材料，所述左壳体、所述右壳体和所述第二后盖内均设置有阻尼减振材料。

在一种优选的实施方式中，所述输出通道包括第一输出通道、第二输出通道、第三输出通道和第四输出通道，第一输出通道和第二输出通道输出两段次级音频，并经第一座椅头枕的扬声器进行播放；第三输出通道和第四输出通道输出另外两段次级音频，并经第二座椅头枕的扬声器进行播放。本优选实施方式中的输出通道包括四个，每个输出通道均可输出一段次级音频，其中两段次级音频经第一座椅头枕的扬声器进行播放，另外两段次级音频经第二座椅头枕的扬声器进行播放，从而在第一座椅头枕处和第二座椅头枕处产生不同的音效，所需声音的声压比非所需声音的声压高12-35db。

可选地，所述控制系统还包括随机存取存储器，用于存取滤波器产生的临时数据。

在一种优选的实施方式中，所述滤波器的阶数n为4000，所执行的滤波算法为：

1)、对于任意原始音频信号以50％的重叠率将其截取成若干分段每个分段含4000个数据点，^代表时域；

2)、对任意分段做圆周卷积运算：

其中，为q经重采样并做逆傅里叶变换所得；

为n维向量，其中第j个元素为

3)、将滤波后所得的各分段组合拼接，得到

其中，

即各分段中的首段取前75％的数据点，之后的每个分段取中间50％的数据点，所有分段首尾相连。

进一步的，根据所述滤波算法，若所述原始音频的采样频率为44100hz，则所述的滤波器的延时约为90.7ms，不超过人耳对声音延迟的感知阈值(100ms)。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，所述车辆包括上述车载独立声学空间系统。该车辆包括上述车载独立声学空间系统，因而至少具有可实现车内驾驶员与后排右侧乘客私享独立声学环境的效果。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

一种车载独立声学空间系统，如图1-4所示，包括车载独立声学空间装置和控制系统；

所述车载独立声学空间装置包括第一座椅头枕和第二座椅头枕，所述第一座椅头枕用于套设于车辆主驾驶位座椅头枕100，所述第二座椅头枕用于套设于车辆后排右侧座椅头枕200；

如图1所示，所述第一座椅头枕包括头枕主体11、第一后盖14、第一突出部111和第二突出部112，头枕主体11分别与第一后盖14、第一突出部111和第二突出部112相连；

头枕主体11用于套设在车辆主驾驶位座椅头枕100上方和侧面，第一后盖14用于设置于车辆前排座椅头枕100的后方，第一突出部111用于设置于车辆前排座椅头枕100的右前方，第二突出部112用于设置于车辆前排座椅头枕100的左前方；第一扬声器41设置于第一突出部111，第二扬声器42设置于第二突出部112；

第一突出部111包括第一上端12和第一下端，第一扬声器41设置于所述第一下端；第二突出部112包括第二上端13和第二下端，第二扬声器42设置于所述第二下端；

头枕主体11、第一后盖14、第一突出部111和第二突出部112内均设置有吸音材料，头枕主体11、第一突出部111和第二突出部112内均设置有阻尼减振材料；

第一座椅头枕中各部分的连接，可通过第一插销15和第一插孔16相连。

如图2所示，所述第二座椅头枕包括左壳体22、右壳体21和第二后盖，左壳体22包括用于设置于车辆后排右侧座椅头枕200左侧的左贴合部和用于设置于车辆后排座椅头枕200左前方的左非贴合部，右壳体21包括用于设置于车辆后排座椅头枕200右侧的右贴合部和用于设置于车辆后排座椅头枕200右前方的右非贴合部，第三扬声器43设置于所述右非贴合部，第四扬声器44设置于所述左非贴合部；

所述第二后盖分别与所述左壳体和所述右壳体相连，所述第二后盖用于设置于车辆后排座椅头枕200的后方；

优选地，所述第二后盖包括左后盖24和右后盖23，左后盖24和右后盖23通过连接杆27相连，所述左后盖与所述左贴合部相连，所述右后盖与所述右贴合部相连；

第二座椅头枕中各部分的连接，可通过第二插销25和第二插孔26相连；

优选地，左壳体22和右壳体21内均设置有吸音材料，左壳体22、右壳体21和第二后盖内均设置有阻尼减振材料。

如图3所示，所述控制系统由tms320f2812型dsp芯片31、存储器32、随机存取存储器33、功率放大电路34、两个输入通道35(包括第一输入通道351和第二输入通道352)、四个输出通道36(第一输出通道361、第二输出通道362、第三输出通道363和第四输出通道364)以及开关37组成。tms320f2812型dsp芯片31中写有四段并行的滤波程序(以下称为滤波器1、2、3、4)，存储器32中存储有四组滤波系数(滤波系数1、2、3、4)。以滤波系数1为例，它对应着驾驶员座位为亮区、后排右侧座位为暗区时滤波系数计算公式的计算结果(一个两行的矩阵)的第一行。经滤波系数1处理后的音频由第一扬声器41播放，其产生的声辐射能量将主要集中在驾驶员座位处。

所述滤波系数q由以下方法计算得到：q＝βe^iθq0；

其中，

滤波器的阶数n为4000，所执行的滤波算法为：

1)、对于任意原始音频信号以50％的重叠率将其截取成若干分段每个分段含4000个数据点，^代表时域；

2)、对任意分段做圆周卷积运算：

其中，为q经重采样并做逆傅里叶变换所得；

为n维向量，其中第j个元素为

3)、将滤波后所得的各分段组合拼接，得到

其中，

即各分段中的首段取前75％的数据点，之后的每个分段取中间50％的数据点，所有分段首尾相连。

如图4所示，所述的车载独立声学空间装置在实际使用时，由第一输入通道351和第二输入通道352分别输入第一原始音频信号1、第二原始音频信号2，其中第一原始音频信号1为驾驶员想听的音频，第二原始音频信号2为后排乘客想听的音频。滤波器1、2、3、4分别读取存储器32中的滤波系数1、2、3、4。读取完毕后，前两者对第一原始音频信号1、后两者对第二原始音频信号2分别执行滤波程序，生成第一次级音频信号110、第二次级音频信号120、第三次级音频信号210、第四次级音频信号220。四个次级音频信号经功率放大电路调节增益后(四者的增益倍数相同)，分别由第一输出通道361、第二输出通道362、第三输出通道363和第四输出通道364输出，并最终分别由第一扬声器41、第二扬声器42、第三扬声器43和第四扬声器44播放。经测定，此时在驾驶员耳部附近的区域内，由第一次级音频信号110、第二次级音频信号120产生的声压比由第三次级音频信号210、第四次级音频信号220产生的声压高出12至35db；同样，在后排乘客耳部附近的区域内也有类似的效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

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