载具引擎声合成系统

基于物理建模的汽车引擎声音合成系统研究

demo 展示
以上视频展示了一辆搭载VTEC装置的本田I4排列引擎的效果，从前往后依次展示了引擎怠速状态，引擎加速以及触发VTEC的效果，以及最后降档减速的效果。 PS：为了避免误会，需要说明的是，其中短促的引擎声是由于rpm到达引擎点火系统的recv limit之后自动断油的效果。由于该引擎并没有模拟具体的本田车型，因此点火系统的断油时间调校为了传统性能车50ms的时间，所以会有这样独特的效果。其中引擎声音突然变大是模拟了本田的VTEC装置，下文有详细的介绍，简短地说就说在极限加速状态会切换至高性能凸轮，导致声音突然变得更加高亢
1. 传统引擎音效系统的局限性分析

在当前的汽车仿真和游戏应用中，引擎音效的实现主要依赖于采样播放技术。这种方法的工作原理是预先录制真实引擎在各种工况下的声音样本，然后根据实时的引擎状态参数（转速、负载、节气门开度等）进行样本选择和播放控制。

然而，这种传统方法存在几个根本性的技术瓶颈：

存储资源的指数级增长问题：为了实现对引擎全工况的声音覆盖，系统需要录制大量的音频样本。以一台典型的汽油引擎为例，从 800RPM 的怠速到 6000RPM 的红线转速，每 500RPM 一个采样点就需要 12 个转速点。如果再考虑不同的负载状态（轻载、中载、重载），以及不同的节气门开度，所需的样本数量会急剧增长。每个样本通常需要 3-5 秒的高质量音频数据，最终的资源包往往超过几个 GB。

插值算法的本质缺陷：当引擎工况在预设采样点之间变化时，系统只能通过插值算法来生成中间状态的声音。无论是线性插值、三次样条插值还是更复杂的算法，都无法准确重现真实引擎的非线性响应特性。特别是在急加速、换挡、或者引擎负载突变等瞬态过程中，插值结果往往显得生硬和不自然。

动态特性的丢失：真实引擎的声音包含了大量的细微变化和随机性。即使在相同的转速和负载下，每个燃烧循环产生的声音都略有不同，这些差异来源于燃烧过程的随机性、机械系统的振动、以及环境因素的影响。采样播放方法本质上是确定性的，无法重现这些动态特征。

配置适应性差：当需要模拟不同类型的引擎时，必须重新录制相应的样本。这不仅增加了开发成本，也限制了系统的灵活性。更重要的是，对于一些特殊的引擎配置（如可变压缩比引擎、电动增压器等），很难获得足够的录音样本。

2. 汽车引擎声音产生的物理机制

要构建有效的物理建模系统，必须深入理解引擎声音的产生机制。引擎声音是一个复杂的多源声学现象，主要包括以下几个方面：

2.1 燃烧爆炸的声学贡献

四冲程内燃机的核心是燃烧室内的周期性爆炸过程。在每个工作循环中，活塞完成四个冲程：进气、压缩、做功、排气。其中做功冲程的燃烧爆炸是声音的主要来源。

当活塞接近压缩冲程的上止点时，火花塞点火引发混合气的快速燃烧。这个过程在数毫秒内完成，燃烧室内的压力急剧上升。对于自然吸气引擎，压力可以从压缩后的 10-15bar 瞬间跃升至 50-80bar。涡轮增压引擎的压力峰值可能更高。

这种压力的急剧变化产生了引擎声音中的高频成分，也是引擎声音 "锐利" 特征的来源。

2.2 机械系统的振动贡献

除了燃烧噪声，引擎的机械运动系统也是重要的声源：

曲柄连杆机构：活塞的往复运动通过连杆传递给曲轴，这个过程中产生的机械振动会传递到整个引擎结构。活塞在上下止点的换向过程特别重要，因为加速度的急剧变化会产生冲击振动。

配气机构：气门的开闭过程产生机械噪声，特别是在高转速下。凸轮轴推动气门克服弹簧力开启，然后依靠弹簧力关闭。这个过程中的冲击和振动都会影响引擎的声学特性。现代引擎的可变气门正时系统会在运行中改变这些特性，产生可听见的声音变化。

传动系统振动：曲轴、飞轮、正时链条（或正时皮带）等传动部件的振动也会贡献到整体的引擎声音中。不同的传动系统设计会产生不同的声学特征。

2.3 进排气系统的声学塑造

进排气系统不仅是引擎的功能部件，也是重要的声学组件：

进气系统声学：空气通过空气滤清器、节气门体、进气歧管进入气缸的过程中，会产生复杂的气流噪声。特别是在高转速大负荷工况下，进气声音成为引擎声音的重要组成部分。一些高性能车辆会特意设计进气系统来增强这种声音效果。

排气系统的声学处理：排气系统的设计对引擎声音有决定性影响。废气从气缸排出后，经过排气歧管、催化转换器、消声器等部件，每个部件都会对声音进行修饰。排气歧管的长度和形状影响压力波的传播和反射，消声器的设计决定了哪些频率成分被保留或抑制。

排气脉动的声学效应：多缸引擎的排气脉动会产生复杂的声学现象。当多个气缸的排气脉冲在排气系统中相遇时，会发生干涉现象，这种干涉的结果直接影响了引擎的声音特征。

2.4 引擎结构对声学特性的影响

不同的引擎结构配置会产生截然不同的声学特征：

气缸数量和布局：直列四缸、V6、V8、水平对置等不同布局的引擎，由于气缸数量和几何布局的差异，产生不同的声学特征。

点火顺序：点火顺序决定了燃烧脉冲的时序分布，这直接影响了引擎声音的节奏感和谐波结构。

排量和缸径冲程比：这些参数影响了单次燃烧的能量释放和活塞运动特性，从而影响声音的 "厚度" 和 "力度"。

3. 物理建模系统的架构与实现

基于对引擎声学机理的深入分析，我们设计了一套完整的物理建模系统。该系统的核心思想是通过数学模型描述引擎的物理过程，然后从这些物理过程中合成声音信号。

3.1 系统总体架构

整个物理建模系统采用分层架构设计，从底层的物理仿真到顶层的音频输出，可以分为以下几个层次：

物理仿真层：负责计算引擎的物理状态，包括各气缸的压力、温度、活塞位置、气门开度等参数。这一层运行在相对较低的频率（通常 1-2kHz），因为大多数物理过程的时间常数都比音频信号的采样周期长。

信号处理层：将物理仿真的结果转换为声学信号。这一层需要处理从低频物理信号到高频音频信号的转换，包括插值、滤波、非线性处理等步骤。

音频合成层：将各个声源的信号进行混合和后处理，生成最终的音频输出。这一层运行在音频采样频率（44.1kHz 或 48kHz）。

参数控制层：提供外部接口，允许实时调节引擎参数（转速、负载、配置等），并将这些参数传递给物理仿真层。

3.2 物理仿真的详细流程

物理仿真是整个系统的核心，其工作流程可以分解为以下几个关键步骤：

步骤 1：引擎几何建模
系统首先需要建立引擎的几何模型，包括：

气缸数量、布局和几何尺寸

曲轴的几何参数（冲程、连杆长度等）

配气机构的几何参数（凸轮型线、气门尺寸等）

进排气系统的几何参数

步骤 2：运动学计算
根据曲轴转角，计算各个运动部件的位置、速度和加速度：

活塞位置和运动速度

连杆摆角和角速度

气门升程和开闭时序

步骤 3：燃烧过程建模
燃烧过程的建模是整个仿真的核心难点。我们采用简化的现象学模型，主要考虑以下因素：

点火时序和燃烧持续期

燃烧速率和压力上升特性

燃烧效率和不完全燃烧

步骤 4：多缸协调仿真
对于多缸引擎，需要同时仿真所有气缸的状态，并考虑它们之间的相互影响

各缸的燃烧时序（点火顺序）

进气歧管压力的动态变化

排气系统中的压力波传播和干涉

曲轴系统的扭振

3.3 实时计算的优化策略

为了满足实时音频合成的严格时间要求，系统采用了多种优化策略：

多线程并行计算：

物理仿真线程：负责复杂的物理计算

音频合成线程：负责高频的音频处理

参数控制线程：负责用户输入和参数调节

各线程通过无锁数据结构进行通信，避免线程同步的开销。

数值稳定性优化：

采用数值稳定的积分算法

使用适当的时间步长控制

4. 音频合成算法的设计与实现

物理仿真产生的是描述引擎物理状态的信号，需要通过音频合成算法转换为最终的音频输出。这个转换过程是整个系统的关键环节，直接影响最终的音频质量。

4.1 物理信号到声学信号的转换

压力信号的声学转换：
根据声学理论，声压与压力变化率相关。我们对气缸压力信号进行时间微分，得到压力变化率，然后通过传递函数转换为声压信号。关键是要设计合适的传递函数，既要保留引擎的特征频率，又要抑制数值微分产生的高频噪声。

流体噪声的建模：
进排气系统中的气流噪声需要单独建模。我们使用基于湍流理论的经验公式来计算气流噪声的强度和频谱特性，并考虑了管道几何对声音传播的影响。

4.2 频谱塑造和谐波处理

基频和谐波结构：
四冲程引擎的基频为转速的一半（RPM/120Hz），但实际的引擎声音包含丰富的谐波成分。谐波的分布和强度由引擎的气缸数、点火顺序、以及燃烧特性决定。

非线性谐波生成：
真实引擎的声音包含由非线性效应产生的谐波成分。我们使用可控的非线性处理来模拟这些效应，包括谐波失真、互调失真等。

5. 特殊引擎技术的建模适配

现代汽车引擎采用了许多先进技术来提高性能和效率，这些技术对引擎的声学特性产生了显著影响。我们的建模系统需要能够适配这些技术。

5.1 涡轮增压系统的建模

涡轮增压技术显著改变了引擎的声学特性，需要专门的建模方法：

涡轮动力学建模：
涡轮增压器的核心是一个高速旋转的涡轮机械，其转速可达 10-20 万 RPM。涡轮的旋转产生特有的高频 "呼啸" 声，这种声音的频率与涡轮转速直接相关。我们建立了涡轮物理模型，考虑了涡轮叶片导致的气流条件变化对声音的影响。

泄压阀和排气阀的建模：
现代涡轮增压引擎通常配备泄压阀（BOV）和废气旁通阀（Wastegate）。泄压阀在节气门关闭时释放增压压力，产生特有的 "嘶嘶" 声或 "扑扑" 声。废气旁通阀控制涡轮转速，其开闭也会产生可听见的声音变化。

5.2 可变气门正时系统的适配

可变气门正时技术（如本田的 VTEC、BMW 的 Valvetronic、丰田的 VVT-i 等）在运行中动态调节配气特性，对引擎声音产生明显影响：

VTEC 系统的建模：
本田的 VTEC 系统是最具代表性的可变气门技术。在特定转速下（通常 5000-6000RPM），系统会切换到高性能凸轮型线，显著改变进气量和燃烧特性。这种切换在声音上表现为明显的 "突变"，引擎声音变得更加尖锐和激进。

我们的建模方法是采用分段处理：在 VTEC 切换点之前使用低转速凸轮的参数，切换后使用高转速凸轮的参数。切换过程本身通过平滑过渡函数来处理，避免声音的突兀变化。

6. 未来发展：游戏引擎集成与产业化展望

6.1 Unreal Engine 插件的开发规划

目前，我们正在开发针对 Unreal Engine 5 的专业音频插件，旨在将物理建模引擎声音系统无缝集成到现代游戏开发流程中。

技术架构设计：
插件采用原生 C++ 开发，充分利用 UE5 的音频引擎架构。核心的物理仿真模块运行在独立的工作线程中，通过 UE5 的 Task Graph 系统进行任务调度，确保不会影响游戏主线程的性能。音频合成部分直接集成到 UE5 的 Audio Mixer 中，利用其强大的信号处理能力。

Blueprint 集成：
为了方便游戏开发者使用，插件将关键的引擎参数暴露为 Blueprint 可编辑的属性。开发者可以通过可视化界面调节引擎类型、排量、气缸数、压缩比等参数，实时预览声音效果。同时提供了丰富的预设配置，涵盖了从经济型小排量引擎到高性能跑车引擎的各种类型。

性能优化策略：
考虑到游戏应用的性能要求，插件实现了多级 LOD（Level of Detail）系统。根据声源距离玩家的远近、重要性、以及系统性能负载，动态调整仿真精度：

近距离高重要性：全精度物理仿真

中距离中重要性：简化物理模型

远距离低重要性：基于采样的回退模式

空间音频支持：
插件支持 UE5 的空间音频系统，包括 3D 定位、多普勒效应、以及环境声学处理。引擎声音可以根据车辆在 3D 空间中的位置和运动状态自动调节音频特性。

结论与展望

在现有开源项目的基础上，我们对系统进行了一系列的改进和扩展，特别是在实时性能优化、多缸协调建模、以及特殊引擎技术适配等方面做了一些探索。虽然距离完美的解决方案还有一定距离，但这个方向的技术发展为音频合成领域开辟了新的可能性。