一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统的制作方法

本发明涉及引擎声效模拟仿真技术领域，特别是涉及一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统。

背景技术：

近年来，在航空模型、车辆模型、船舶波形领域，以甲醇机、汽油机等为燃油动力的发动机逐步被电动机所取代。相比燃油动力发动机，电动机具有结构简单、动力强劲、使用方便等优势。另外，由于电动机声音安静的特点，在控制电动机模型时，操控者无法通过声音感受来判断发动机的工作状态，在模型仿真体验效果上大打折扣，在听觉上不具备震撼效果。随着新能源的发展，电动汽车，电动摩托车均已逐步进入人们生活的视野。相比燃油动力发动机，电机机具有声音安静的特点，从而令车辆操控者不容易分辨车辆是否已经启动；对于车辆周围的人群不容易察觉有车辆接近，降低了对周围人群的声音警示作用，部分国家地区已出台法规强制要求电力动力的车辆需要配有相关声效用于周围行人的提示；对于部分车辆爱好者，降低了车辆行驶过程中的对于声音的感官体验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统，能够对车辆、航空器、船舶的引擎声效进行逼真的模拟仿真。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统，所述系统包括：信号采集模块、引擎状态模拟模块、声音合成模块和声音放大模块；所述信号采集模块，用于采集发动机转速信号百分比信号和引擎事件状态信号；所述引擎状态模拟模块的输入端与所述信号采集模块的输出端连接，所述引擎状态模拟模块的输出端与所述声音合成模块的输入端连接，所述声音合成模块的输出端与所述声音放大模块连接。

可选的，所述信号采集模块包括信号采集单元和信号处理单元，所述信号采集单元用于采集油门量信息、发动机转速信息和发动机状态信息，所述信号处理单元与所述信号采集单元连接，所述信号处理单元用于所述油门量信息、所述发动机转速信息和所述发动机状态信息进行处理转换，得到转速信号百分比信号和引擎事件状态信号。

可选的，所述引擎状态模拟模块包括引擎配置单元、引擎状态处理单元和变速箱单元，所述信号处理单元分别与所述引擎状态处理单元的输入端和所述变速箱单元的输入端连接，所述引擎配置单元的输出端分别与所述引擎状态处理单元的输出端和所述变速箱单元的输出端连接，所述引擎状态处理单元的输出端和所述变速箱单元输出端与声音合成模块连接。

可选的，所述声音合成模块包括引擎音效合成单元、音效合成配置单元、音源库单元和音频发生单元，所述引擎状态处理单元的输出端、所述变速箱单元输出端、所述音源库单元的输出端、所述音效合成配置单元的输出端分别与所述引擎音效合成单元的输入端连接，所述引擎音效合成单元的输出端与所述音频发生单元的输入端连接，所述音频发生单元的输出端与所述声音放大模块连接。

可选的，所述声音放大模块包括音频处理单元、功率放大单元和声音播放单元，所述音频处理单元与所述声音合成模块的输出端连接，所述音频处理单元的输出端与所述功率放大单元的输入端连接，所述功率放大单元的输出端与所述声音播放单元连接。

可选的，所述信号采集单元用于采集模型接收机输出信号、电机霍尔信号、电动车转把模拟信号、汽车obd接口、电动车/汽车can总线、电动车485总线、2.4g射频模块信号、ble模块信号和wifi模块信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统，所述系统包括：信号采集模块、引擎状态模拟模块、声音合成模块和声音放大模块；所述信号采集模块，用于采集发动机转速信号百分比信号和引擎事件状态信号；所述引擎状态模拟模块的输入端与所述信号采集模块的输出端连接，所述引擎状态模拟模块的输出端与所述声音合成模块的输入端连接，所述声音合成模块的输出端与所述声音放大模块连接。通过上述系统能够对车辆、航空器、船舶的引擎声效进行逼真的模拟仿真。

附图说明

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

图1为本发明实施例模拟燃油发动机引擎电子音效系统组成模块图；

图2为本发明实施例模拟燃油发动机引擎电子音效系统组成模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统，能够对车辆、航空器、船舶的引擎声效进行逼真的模拟仿真。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例模拟燃油发动机引擎电子音效系统组成模块图。如图1所示，一种模拟燃油发动机引擎电子音效系统，所述系统包括：信号采集模块1、引擎状态模拟模块2、声音合成模块3和声音放大模块4；所述信号采集模块1，用于采集发动机转速信号百分比信号和引擎事件状态信号；所述引擎状态模拟模块2的输入端与所述信号采集模块1的输出端连接，所述引擎状态模拟模块2的输出端与所述声音合成模块3的输入端连接，所述声音合成模块3的输出端与所述声音放大模块4连接。

另外，所述声音放大模块根据场景不同可以做替换，可以替换成为声音传输模块5和声音播放模块6。图2为本发明实施例模拟燃油发动机引擎电子音效系统组成模块图。如图2所示。声音传输模块5接收来自声音合成模块的音频信号，通过无线发射单元将音频信号通过无线的方式进行传输。无线发送单元的传输方式包括：fm，wifi，蓝牙。声音播放模块6，接收来自声音传输模块的无线音频信号，并对声音进行播放。声音播放模块为外部的系统，本系统可以通过外部的各类播放器进行引擎声音的播放。

所述信号采集模块1包括信号采集单元和信号处理单元，所述信号采集单元用于采集油门量信息、发动机转速信息和发动机状态信息，所述信号处理单元与所述信号采集单元连接，所述信号处理单元用于所述油门量信息、所述发动机转速信息和所述发动机状态信心进行处理转换，得到转速信号百分比信号和引擎事件状态状态信号。

信号采集单元包含且不限于如下接口：

模型接收机：主要应用于模型产品中，油门量均以pwm脉宽的形式体现。

电机霍尔信号:获取电动机的实际转速(rpm)。

电动车转把模拟信号:油门量以电压值的形式体现。

汽车obd接口:通过obd接口，获取汽车实时的发动机转速信息和发动机状态信息。

电动车can总线:通过can总线，获取电动车的实时的发动机转速信息和发动机状态信息。

电动车485总线:通过485总线，获取电动车的实时的发动机转速信息和发动机状态信息。

2.4g射频模块:与控制端通过2.4g射频信号进行连接，解析2.4g射频数据包，获取油门量和发动机状态信息。

ble模块:与控制端通过低功耗蓝牙ble进行连接,解析ble协议，获取油门量和发动机状态信息。

wifi模块：与控制端通过wifi进行连接，解析wifi协议，获取油门量和发动机状态信息。

信号处理单元将获取自信号采集单元的油门量/实时发动机转速信息和发动机状态信息转换成转速信号百分比和引擎事件状态信号后，将其发送给引擎状态模拟模块2；

所述信号采集模块1通过信号采集单元对信号进行采集，信号经信号处理单元换算处理后，将信号传递给所述引擎状态模拟模块2。

所述引擎状态模拟模块2接收来自信号采集模块的转速百分比信号和引擎事件状态信号，结合引擎配置单元中的配置信息，通过引擎状态处理单元和变速箱单元进行处理后，向声音合成模块输出发动机音效状态及发动机音效实际转速。

所述声音合成模块3接收所述引擎状态模拟模块2的信息发送至所述声音放大模块4。

所述声音放大模块4接收来自声音合成模块的音频信号，经过音频处理器单元对于音频信号的处理、优化，通过功率放大单元对音频信号进行功率放大后由声音播放单元最终进行声音的播放。

所述引擎状态模拟模块2包括引擎配置单元、引擎状态处理单元和变速箱单元，所述信号处理单元分别与所述引擎状态处理单元的输入端和所述变速箱单元的输入端连接，所述引擎配置单元的输出端分别与所述引擎状态处理单元的输出端和所述变速箱单元的输出端连接，所述引擎状态处理单元的输出端和所述变速箱单元输出端与声音合成模块3连接。

引擎状态处理单元根据转速百分比信号和引擎事件状态信号，计算出发动机音效状态。其中包括：引擎熄火，引擎启动，引擎运转，引擎过载。

变速箱单元将转速百分比换算成发动机音效目标转速。

1)根据转速百分比信号和上次发动机音效实时转速，计算出当前的档位信息和当前的发动机音效目标转速；

2)根据当前的档位信息和发动机音效实时转速，结合引擎配置单元中的发动机音效力矩曲线，计算得出当前发动机音效力矩值；

3)根据发动机音效目标转速和上次发动机音效实时转速之间的关系，结合当前发动机音效力矩值，计算得出当前发动机音效实时转速。

引擎配置单元存放了各类可以适配的参数，用于引擎状态处理和变速箱单元的速度计算。其中主要包括但不限于：

1)变速箱档位数量。用于模拟真实车辆换挡效果，飞行器的引擎档位数量为1。

2)变速箱换挡相关参数。用于设定换挡的时机以及换挡完成后引擎的转速。类似于车辆上的d档，s档。

3)引擎在各个档位下的力矩曲线。建立一个真实发动机+变速箱的模型，逼真模拟真实发动机的加速效果。不同档位下加速度不同；同一档位下，不同发动机转速时加速度也不同。

4)引擎过载参数。用于引擎过载触发及退出的参数适配。

5)引擎启动/熄火参数。用于触发引擎启动和引擎熄火状态的参数适配。

所述声音合成模块3包括引擎音效合成单元、音效合成配置单元、音源库单元和音频发生单元，所述引擎状态处理单元的输出端、所述变速箱单元输出端、所述音源库单元的输出端、所述音效合成配置单元的输出端分别与所述引擎音效合成单元的输入端连接；所述引擎音效合成单元的输出端与所述音频发生单元的输入端连接，所述音频发生单元的输出端与所述声音放大模块4连接。

音源库单元用于存放各类声音的原始样本：引擎音效，包含引擎启动声音样本，引擎在多个转速下的声音样本，引擎过载声音样本；

引擎音效合成单元，根据发动机音效状态来进行发动机对应状态实时音效数据的生成。1)发动机音效状态为引擎启动时，引擎音效合成单元从音源库单元中提取引擎启动声音样本进行播放，生成实时音频数据发送给音频发生单元；2)发动机音效状态为引擎运转时，引擎音效合成单元根据发动机音效实时转速从音源库单元中提取和当前转速匹配的若干段声音样本，引擎音效合成模块根据引擎音效实时转速及该转速在一定时间内的变化趋势对提取出来的若干段固定转速下的声音样本进行趋势模拟，响应曲线计算，平滑过渡及音频融合的算法运算，计算出发动机运行的实时音频数据发送给音频发生单元。当引擎速度稳定不变时，引擎音效合成单元能够合成出当前引擎速度点下引擎运行稳定的声效。当引擎速度进行变化时，引擎音效合成单元能够动态合成出跟随引擎速度变化的引擎音效，速度变化中的引擎音效具有声音逼真、音效变化线性、分辨率极高的特性；3)发动机音效状态为引擎熄火时，音频音效合成单元从音源库单元中提取引擎怠速声音样本，根据熄火状态的趋势变化，进行熄火状态实时频率及声强运算，计算出发动机熄火的实时音频数据发送给音频发生单元；4)发动机状态为过载时，引擎音效合成单元从音源库单元中提取引擎过载声音样本进行播放，生成发动机过载实时音频数据发送给音频发生单元。

音效合成配置单元，包含了声音合成模块中需要用到的配置参数。其中包括但不限于：

引擎音效音量配置。可以进行引擎声音音量的单独调节。

音频发生单元接收来自引擎音效合成单元的实时音频数据，结合音频合成配置单元中各个声效的音量，对音频数据进行算法融合，计算出实时音频数据，并通过硬件接口产生数字音频信号或模拟音频信号发送给声音放大模块。

所述声音放大模块4包括音频处理单元、功率放大单元和声音播放单元，所述音频处理单元与所述声音合成模块的输出端连接，所述音频处理单元的输出端与所述功率放大单元的输入端连接，所述功率放大单元的输出端与所述声音播放单元连接。

音频处理单元，接收来自声音合成模块的数字/模拟音频信号，对声音信号进行增强后将音频信号传递给功率放大单元。其中对音频的增强包括：高音增强，中音增强，低音增强，三维环绕。

功率放大单元将来自音频处理单元的小功率音频信号进行功率放大后发送给声音播放单元。

声音播放单元对来自功率放大单元的带功率的音频信号进行播放。声音播放单元包含喇叭和音箱。根据不同的应用场景，会选用不同规格参数的喇叭及进行对应场景的音箱腔体设计。

本发明具有下列优点：

优点一：引擎声音非常逼真。

变速箱单元和引擎音效合成单元令声效最大化地模拟真实发动机的运转工况。

引擎音效合成单元令声音融合非常自然、逼真。引擎音效合成单元根据发动机音效实时转速从音源库单元中提取和当前转速匹配的若干段声音样本，并根据引擎音效实时转速及该转速在一定时间内的变化趋势对提取出来的声音样本进行趋势模拟，响应曲线计算，平滑过渡及音频融合的算法运算，计算出发动机运行的实时音频数据。通过该算法引擎音效合成单元能够计算出任意引擎转速点下的引擎逼真的音效。当引擎转速发生变化时，引擎的声效能够随之顺滑、自然、逼真地进行变化，变化过程中声音分辨率高且非常线性。

变速箱单元最大化地模拟了油门量变化时，引擎转速的变化。变速箱在速度计算过程中使用了真实引擎中力矩曲线的概念，引擎在不同转速下会有不同的力矩，在不同的档位下变速箱齿比不同，所以在不同档位的任意一点速度下，引擎的加速度是不同的，变速箱单元根据力矩曲线和档位齿比关系，实时计算当前档位和转速下引擎加速度，从而最真实地模拟了发动机速度变化的过程，配合引擎音效合成单元能够产生非常逼真的引擎声效，特别是在速度变化过程中，尤为逼真。

目前现有的产品和技术大多采用两类方式进行发动机声音模拟：1)单段引擎声音变频法，采用引擎怠速的声音进行频率变化，以模拟各个转速下引擎的声音，这种方法转速分辨率高，声音线性好，在低速状态下音效较好，但是在转速达到中高速时声音几乎完全失真；2)多段引擎声音播放法，该方法事先预存若干段引擎在多个转速下的声音(转速呈阶梯状递增)，运行时根据当前的引擎转速，选取转速最接近的一段引擎声音进行播放，该方法只能播放固定的预存的几个转速的音效，当速度小幅变化时，或者音效无变化(始终保持同一个转速音效进行播放)，或者音效会变化剧烈(在两个转速音效之间切换进行播放)，当速度快速变化时，音效变化呈现出分辨率低，几乎无线性，从听觉上给人非常不顺畅的感觉。我们的方法在引擎效果尤其是转速变化时的动态效果上完全超越了这类方法，在整个引擎速度变化的区间范围内，引擎音效均能够展现逼真、分辨率极高、速度-音效线性好，变化细腻的特点。

优点二：声音质量好。

音源库单元存放的音源样本均为专业仪器录制的声音样本。音源采用高保真的音频数据格式，数据存放无压缩，最大化地提升音源的质量。

采用专业的音频处理单元和功率放大单元，为音频的质量提供了保证，并在此基础上增加音效特点的个性化。

声音播放单元中的精心挑选的喇叭和针对性设计的声腔，保证了声音的音质和音量。

本系统从声音的源头到音频信号的传输与放大，再到声音的播放，最大化地还原了声音中的各个细节，保证了声音的质量和还原度。

优点三：算法效率高，成本低廉。

由于算法效率高，无需引用第三方库，所以本算法对于处理器的主频，ram和flash的要求均非常低，不依赖任何的操作系统，可以运行在arm-cortex-m0为内核的微控制器中，本发明所支持的处理器不单单局限于arm-cortex-m0的处理器，性能达到这类处理器水平或者高于这类处理器水平的均能够适用。并且由于音频数据通过算法合成的优点，仅需要很少量的原始音频数据即可真实还原发动机的声音，声音存储的闪存的仅需2mbflash。高效的算法效率带来极其低廉的成本。

目前最为典型的引擎声音模拟的应用为各类赛车游戏，这类游戏中的引擎声音模拟均需要大量的cpu资源和ram资源，由于有庞大的音频合成代码库，一般程序的容量至少在上百兆，并且非常依赖运行的操作系统，所以无法应用于低成本的微控制器中。

优点四：支持丰富的使用场景。

信号采集模块能够支持各类接口，最终统一将采集到的信号转换成转速百分比信号及各个事件状态控制信号供给算法进行处理，所以本系统可以应用到各种使用场景。其中包括：模型车辆，模型飞机，模型船舶，电动摩托车，电动车，电动汽车外放或汽车内部声音模拟等场景。

声音输出模块的可替换与定制对丰富的使用场景提供了支持。根据不同的使用场景，可以使用不同功率的功率放大单元，喇叭和声腔。同时，如果有系统外部的扬声器(如汽车音响，蓝牙音响等)，也可以将声音放大模块替换为声音传输模块，将音频信号通过无线/有线方式发送给外部的扬声系统。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。