WO2012143659A1 - Procede d'analyse et de synthese de bruit de moteur, son utilisation et systeme associe - Google Patents

Procede d'analyse et de synthese de bruit de moteur, son utilisation et systeme associe Download PDF

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WO2012143659A1
WO2012143659A1 PCT/FR2012/050833 FR2012050833W WO2012143659A1 WO 2012143659 A1 WO2012143659 A1 WO 2012143659A1 FR 2012050833 W FR2012050833 W FR 2012050833W WO 2012143659 A1 WO2012143659 A1 WO 2012143659A1
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WO
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engine
grains
parameters
synthesizing
analyzing
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/050833
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English (en)
Inventor
Jan JAGLA
Julien Maillard
Original Assignee
C.S.T.B Centre Scientifique Et Technique Du Batiment
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Filing date
Publication date
Application filed by C.S.T.B Centre Scientifique Et Technique Du Batiment filed Critical C.S.T.B Centre Scientifique Et Technique Du Batiment
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/02—Synthesis of acoustic waves

Definitions

  • the invention relates to the field of noise analysis and synthesis. More particularly, the invention relates to a method and system for analyzing and synthesizing engine noise, based on granular synthesis and the PSOLA speech processing method.
  • Engine noise is of particular interest on the part of automobile manufacturers in their efforts to ensure the environmental quality of a car.
  • the complex problem of the noise emitted by an engine depends on the physical nature and the sound signature of the multiple acoustic sources of the constituent elements of the engine.
  • the method comprises a step of selecting a stored original sound signal; a step of extracting several parts of said original sound signal by applying a sliding time window according to the driving parameter (s) of the vehicle; a step of synthesis over time of a restitution sound signal from said parts of said original sound signal.
  • This process uses the so-called granular synthesis technique. Indeed, the parts extracted from the original signal are reassembled by a granular synthesis technique whose control parameters are representative of the evolution over time of the driving parameters of the vehicle.
  • This method does not describe the synthesis of an engine noise itself but also encompasses the other sources of noise emitted by the vehicle.
  • the grains are read directly and extracted from records during the synthesis phase.
  • this method is not adapted to the synthesis of harmonic sounds unlike the method described in the present application.
  • Granular synthesis defines the notion of sound quantum (or grain) as an elementary sound containing an indivisible unit of information from a psychoacoustic point of view. According to this theory a granular representation makes it possible to describe any sound signal. The sound is then formed of a sequence of grains of a duration generally between 10ms and 100ms. The diversity in the choice of the intrinsic parameters of the grains (envelope, duration, spectral content) as well as their temporal positions in the synthesized signal makes it possible to easily create very complex sounds. When the temporal distribution is random we speak of granular synthesis (SG) asynchronous, whereas when it is deterministic we speak of quasi-synchronous SG.
  • the PSOLA method Pitch synchronous Overlap and Add
  • the PSOLA method was originally developed for speech synthesis. It is rarely presented as a method of granular synthesis.
  • the PSOLA method consists of a phase of analysis and segmentation of the original signal and a synthesis phase.
  • the signal analysis can be broken down into three steps: 1) the estimation of the fundamental pitch (pitch) of the speech signal, 2) the placement of the reading marks of the grains (in practice, these marks correspond to the local maxima d signal energy associated with glottal pulses), 3) the extraction of segments (grains) centered on the reading marks with generally Hann type windows of length 2 * P (t) (where P (t) is the period corresponding to the pitch of the signal).
  • the synthesis phase consists of placing the writing marks which will fix the length and the pitch of the signal, to choose the grain for each writing mark and finally to superimpose and add the grains of the synthesized signal.
  • a limitation of this method is the repetition of grains when the original signal has to be lengthened. These repetitions generate audible artifacts known as "roughness". To avoid these phenomena, it is necessary to artificially increase the size of the synthesis database by creating new grains by temporal interpolation (TDI-PSOLA) or frequency interpolation (FDI-PSOLA).
  • TDI-PSOLA temporal interpolation
  • FDI-PSOLA frequency interpolation
  • the invention provides a method of engine noise synthesis that allows a real-time synthesis of noise emitted by the powertrain of vehicles.
  • the invention aims to propose a process for synthesizing the noise emitted by an internal combustion engine consisting of N c cylinders and forming part of a vehicle, based on a PSOLA method and characterized by the following steps:
  • the phases of the fundamental frequency and its harmonics are calculated and compared to the phases of the grains already extracted for near motor parameters.
  • the reading mark is the one whose phases are closest to the phases of grains already extracted for near motor parameters.
  • the spectrum corresponding to said source signals is directly related to the rotational speed of the crankshaft of said engine.
  • the width of the extraction window allows to extract grains containing the explosions of Ne cylinders of a motor noise.
  • the extracted grains contain the instants of explosions in the N c cylinders, each grain corresponds to a reading mark and starts at zero phase on a positive or negative alternation of the explosion frequency.
  • a set of potential reading marks is determined for all engine parameters for which it is desired to extract a grain.
  • the phases of the fundamental frequency and a finite number of its harmonics are determined.
  • a mark is chosen which minimizes the phase differences with the grains already. extracts for close motor parameters.
  • the extraction windows of the grains may be of width 2 * Pm + K, where Pm is the period corresponding to the rotation frequency of the motor and K is the value of the overlap between two windows, where K can be an identical constant for all the grains or depend on the engine speed associated with each extracted grain.
  • the database consists of one or more files containing a set of grains corresponding to the engine parameters, said grains being ordered according to said engine parameters.
  • the synthesis algorithm is of overlap and add type (overlap and add in English), in which at the end of a grain is chosen the following grain according to the set parameters.
  • said engine parameters are constituted in particular by the engine speed and the load applied to the engine.
  • the invention further relates to a system for analyzing and synthesizing engine noise for the implementation of the above method, said system being characterized by the fact that it comprises:
  • the invention further relates to the use of said engine noise synthesis method for the simulation of the interior or exterior noise emitted by a vehicle equipped with a heat engine.
  • the invention relates to a noise synthesis process emitted by an internal combustion engine consisting of Ne cylinders and part of a vehicle, based on a PSOLA method operating on an analysis based on the following steps:
  • FIG. 1 shows the schematic diagram of the method used according to FIG. invention
  • FIG. 2 shows the spectrum of a 4-cylinder engine noise
  • FIG. 3 shows the time slot model used to extract the grains from the source signals
  • FIG. 4 shows the method of signal synthesis by overlap and addition.
  • Figure 1 shows the block diagram of the invention.
  • the blocks correspond to the different steps of the engine noise analysis and synthesis method where the blocks (A.1 to A.4) correspond to the analysis method and the blocks (S.1 to S.4) correspond to the synthesis process.
  • Engine noise treated according to the invention are signals recorded for example with omnidirectional microphones. These microphones are placed at various points near a vehicle whose engine speed is varied; the vehicle can be placed on a chassis dynamometer to vary the load applied to the engine.
  • the spectrum of recorded signals is directly related to the speed of rotation of the crankshaft, expressed in revolutions per minute.
  • the noise spectrum of an engine depends on the period of events in the engine cycle and more particularly the instants of explosions in the combustion cycle, in each of the cylinders. It is necessary to distinguish the period of the explosions of the cylinders of the global period of the engine. The overall period includes the time when all the cylinders go through an explosion. It does not depend on the number of cylinders but only the engine speed.
  • the period specific to the explosions in each cylinder depends on the number of cylinders.
  • the recorded signals are essentially harmonic.
  • the harmonicity of said signals comes from the rotation of the motor, the fundamental frequency being proportional to the speed of rotation RPM (engine speed) expressed in revolutions per minute.
  • RPM engine speed
  • Figure 2 shows the noise spectrum of a four-cylinder engine operating at 2200 rpm. This spectrum is defined by the magnitude of the signal expressed in dB, as a function of the frequency in Hz. In this case it is the spectrum of a motor noise having four cylinders, at a speed of 2200 revolutions / min. It is observed that the harmonics of the explosion frequency F e are the most energetic but as the explosions in the N c cylinders are not identical, the harmonics of the fundamental frequency (F m 12) also appear because they correspond to a cycle complete explosions of N c cylinders.
  • the estimation algorithm of F e in a motor noise signal can be a recursive algorithm based on a short-term Fourier transform maximum detection (TFCT ) with a sliding window on the whole signal.
  • TFCT short-term Fourier transform maximum detection
  • the goal is to have engine noise records covering the entire range of the engine speeds and to know at every moment the value of the fundamental frequency (F m 12).
  • the speed of variation of the engine speed is very important. For the signals to be exploitable, it is necessary to pass as slowly as possible by each engine speed. This allows on the one hand to accurately estimate the fundamental frequency and on the other hand to make the hypothesis of stationarity on the length of the grains that will be extracted, as will be exploited below.
  • This step (A.1) allows a precise extraction of the grain and its identification during the synthesis.
  • Different algorithms may be used, in order to obtain the value of the fundamental frequency, for example, the algorithm used may be a short-term Fourier transform maximum (TFCT) localization method. This method is optimized by an estimate of higher harmonics when the estimation of the predominant harmonic is difficult to obtain.
  • the algorithm chosen for fundamental frequency estimation is an iterative algorithm that determines the fundamental frequency at the current iteration based on the estimate made at the previous iteration.
  • the width of the extraction windows is proportional to the period of the fundamental frequency and that the placement of the reading marks is synchronous with the fundamental frequency.
  • the fundamental frequency or pitch
  • the estimation of the evolution of the fundamental frequency (A.1), will allow to define the limits of the signal from which each grain can be extracted. For example, a fundamental frequency grain f, - will be extracted from an interval / original signal where the fundamental frequency is between f, - - Af and f, - + Af.
  • the placement of a reading mark /, in the interval / is then based on the following criteria:
  • / is at least ⁇ distant from any other reading mark already placed in the signal, ⁇ being the duration (in samples) an explosion in a cylinder at the moment corresponding to the reading mark / ,. This makes it possible to avoid extracting twice a grain relative to the same explosions of Ne cylinders.
  • 2. / is placed in such a way that the grain centered on / starts at zero phase on a positive or negative alternation of the explosion frequency F e . Thus, since the frequency F e is generally predominant, the beginning and the end of the grain will coincide with local minima of signal energy.
  • the phases of the fundamental frequency and its harmonics are calculated and compared to the phases of the grains already extracted for close motor parameters.
  • Criterion 2 ensures the continuity of the phase of the explosion frequency Fe and its harmonics.
  • Condition 3 makes it possible to ensure the continuity of the harmonic phases of (Fm / 2) which are certainly less energetic but nevertheless important for the perception of the harmonicity of the signal.
  • the reading marks placed (A.2) it remains to choose the shape of the extraction window.
  • the energy of the motor signals is not concentrated temporally on glottal pulses, so we will not use the same type of windows as those used in a known manner for the PSOLA method.
  • the sequence of explosions in N c cylinders being perceptually significant, the extraction window will be chosen to encompass the N c explosions in the engine cylinders.
  • the window should ideally have a constant amplitude (rectangular window). However, an overlapping of the windows is still necessary to guarantee the continuity of the synthesized signal.
  • Tukey type windows of width 2 * P m + K where P m is the period corresponding to the frequency F m and K is the length of the overlap between two windows.
  • the length K will preferably be constant for all the extracted grains, thus simplifying the placement of the writing marks during the synthesis (S.3).
  • the extraction window described here is adequate, however other similar windows, with a value of the length K not constant for all the grains, could also offer a good quality of synthesis.
  • the synthesis database created in step A.4 of the analysis consists of one or more files containing a set of grains listed according to the engine parameters to which they correspond.
  • the parameters considered are preferably the engine speed and possibly the load applied to the engine.
  • the file (s) can then be loaded into memory so that each grain can be accessed by means of the engine parameters to which they correspond.
  • the database contains all the grains extracted during step (A.3). However this number can be reduced to limit the storage space required for storing the data, at the cost of a drop in the quality of synthesis. The number of grains to extract and therefore read marks to place depends on the quality of the desired synthesis and the available memory space.
  • the synthesis phase can be performed by updating in real time the target engine parameters. These parameters are used to select the grain (s) corresponding to the desired motor noise. These parameters can be modified manually via a graphical interface or be received from an external program including a driving parameters simulator for example. It is also possible to calculate, before the start of the synthesis, an evolution of certain motor parameters over a finite time and then to synthesize the resulting signal out of real time. This is much faster given the simplicity of the synthesis algorithm. This is the step S.1 of the synthesis algorithm according to FIG.
  • the grains in the database are ordered according to the engine parameters to which they correspond. Furthermore, since the evolution of the engine parameters is assumed to be continuous, during the synthesis, the choice of the next grain will preferably be made from the previous grain in the database. This limits the number of operations required to select the correct grain. In addition, a test can be performed to evaluate the stationarity of the target parameter (s). A random oscillation can then be added to the target parameters to avoid the sensation of roughness due to the repetition of the same grain. The number of grains in the database must be large enough that a small amplitude of oscillation around the target parameters allows the selection of different grains.
  • the motor noise synthesis method further comprises a writing mark placement step, this placement is very simple if the extraction window is that described in (A.3.) Indeed, this placement is simply to ensure the conservation of energy, that is to say that the successive windows are at 1. With a constant overlap width K this placement is trivial.
  • the writing mark of the grain N is always placed K samples before the end of the grain N - 1 whatever the engine speed. The precision of the placement of the reading marks during the analysis then guarantees the continuity of the phases between the harmonics preserving the harmonicity of the signal synthesized without any necessary calculations during the synthesis phase.
  • the synthesis algorithm is simply of the "overlap and add" type (as in the case of the PSOLA method).
  • the construction of the signal simply consists in adding the selected grains to the step (S.2). ) at the locations determined in step (S.3).
  • the synthesis then requires only K additions per grain, as illustrated in FIG. 4.
  • the invention described in this application has many advantages over known methods of engine noise synthesis. First of all, it is particularly adapted to the harmonic character of the engine noises by taking into account the phases of the different harmonics during the extraction of the sound grains. Moreover, it offers a very good sound reproduction of the stochastic components of engine noise thanks to the use of grains extracted from recordings. Moreover, almost all the algorithmic complexity of this method is concentrated in the analysis phase of the engine noise records. This phase being executed in pre-calculation, its complexity is not a limiting factor of the method. Thus, the synthesis part has a very reduced algorithmic complexity and makes it possible to synthesize in real time several hundred engine noises simultaneously on a standard computer. Indeed, the number of operations to be performed is reduced to a minimum:
  • This method of analysis and synthesis of engine noise can be applied in different fields of the industry. It can be used to simulate the interior and / or exterior noise emitted by a vehicle with an engine thermal in the context of simulations for the improvement of the sound environment emitted by a vehicle. It can also be used for any type of driving simulator with a combustion engine, to improve the realism of the simulation. Finally, this method can also be applied to the simulation of the noise impact of road traffic to evaluate the noise annoyance caused.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'analyse et de synthèse du bruit émis par un moteur à combustion interne constitué de Nc cylindres et faisant partie d'un véhicule, basé sur la méthode PSOLA caractérisé par les étapes suivantes : - enregistrer à faible distance dudit moteur des signaux source en champ libre, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques; - évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur; - placer des marques de lecture de manière synchrone avec les phases de la fondamentale du signal enregistré et de ses harmoniques - extraire des grains à partir desdits signaux source à l'aide d'une fenêtre d'extraction, lesdits grains extraits correspondent à des paramètres moteur appelés paramètres consignes; - créer une base de données constituée desdits grains; et enfin - synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition des grains correspondants auxdits paramètres consignes. L'invention concerne en outre un système d'analyse et de synthèse du bruit de moteur comportant des moyens pour mettre en œuvre le procédé ci-dessus. L'invention concerne encore l'utilisation du procédé ci-dessus pour la simulation du bruit intérieur ou extérieur émis par un véhicule équipé d'un moteur thermique.

Description

PROCEDE D'ANALYSE ET DE SYNTHESE DE BRUIT DE MOTEUR, SON UTILISATION ET SYSTEME ASSOCIE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention se rapporte au domaine de l'analyse et de la synthèse de bruit. Plus particulièrement l'invention concerne un procédé et un système d'analyse et de synthèse de bruit d'un moteur, basés sur la synthèse granulaire et la méthode de traitement de la parole PSOLA.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0002] Les études acoustiques menées jusqu'à présent sur l'impact sonore du trafic routier en milieu urbain concernent principalement des relevés de niveaux acoustiques (dBA). Ces données donnent une idée du "volume" sonore moyen mais sont difficiles à interpréter en termes de gêne occasionnée.
[0003] Le bruit des moteurs fait l'objet d'un intérêt particulier de la part des constructeurs automobiles dans leur démarche d'assurer la qualité notamment environnementale d'une voiture. La problématique complexe du bruit émis par un moteur dépend de la nature physique et de la signature sonore des multiples sources acoustiques des éléments constitutifs du moteur.
[0004] Le document de Thèse de doctorat présentée par Irina Zhekova Université de la Méditerranée Aix-Marseille II « Analyse temps-fréquence et synthèse granulaire des bruits de moteur diesel au ralenti » publié en juin 2010, décrit des méthodes d'analyse et de synthèse de bruit de moteur diesel au ralenti et son application pour une étude dans le contexte des scènes auditives. Lesdites méthodes reposent sur une modélisation granulaire du signal et consistent à présenter le signal comme une somme d'atomes temps-fréquence. Cependant cette méthode est propre à la synthèse d'un seul régime moteur : le ralenti moteur. Elle n'est par ailleurs pas adaptée à une synthèse en temps réel. Finalement, cette méthode n'est pas très proche de la méthode utilisée dans la présente invention. [0005] Le document WO 2010146275 décrit un procédé de synthèse d'une ambiance sonore au niveau d'un véhicule. Le procédé comprend une étape de sélection d'un signal sonore d'origine stocké; une étape d'extraction de plusieurs parties dudit signal sonore d'origine par application d'une fenêtre temporelle glissante en fonction du ou des paramètres de conduite du véhicule; une étape de synthèse au cours du temps d'un signal sonore de restitution à partir desdites parties dudit signal sonore d'origine. Ce procédé utilise la technique de synthèse dite granulaire. En effet les parties extraites du signal d'origine sont réassemblées par une technique de synthèse granulaire dont les paramètres de contrôle sont représentatifs de l'évolution au cours du temps du ou des paramètres de conduite du véhicule. Ce procédé ne décrit pas la synthèse d'un bruit de moteur en lui- même mais englobe aussi les autres sources de bruit émis par le véhicule. De plus les grains sont directement lus et extraits à partir d'enregistrements lors de la phase de synthèse. Par ailleurs cette méthode n'est pas adaptée à la synthèse de sons harmoniques contrairement à la méthode décrite dans la présente demande.
[0006] La synthèse granulaire définit la notion de quantum sonore (ou grain) comme un son élémentaire contenant une unité d'information indivisible d'un point de vue psychoacoustique. Selon cette théorie une représentation granulaire permet de décrire tout signal sonore. Le son est alors formé d'une séquence de grains d'une durée comprise généralement entre 10ms et 100ms. La diversité dans le choix des paramètres intrinsèques des grains (enveloppe, durée, contenu spectral) ainsi que de leurs positions temporelles dans le signal synthétisé, permet de créer facilement des sons très complexes. Lorsque la distribution temporelle est aléatoire on parle de synthèse granulaire (SG) asynchrone, alors que lorsqu'elle est déterministe on parle de SG quasi-synchrone. La méthode PSOLA (Pitch synchronous Overlap and Add) est un cas particulier de synthèse quasi synchrone et sera appliqué dans le cadre de la présente invention, à la synthèse de bruit de moteur.
[0007] La méthode PSOLA a été développée à l'origine pour la synthèse de parole. Elle est rarement présentée comme une méthode de synthèse granulaire. La méthode PSOLA est constituée d'une phase d'analyse et de segmentation du signal original et d'une phase de synthèse. L'analyse du signal peut être décomposée en trois étapes : 1 ) l'estimation de la fréquence fondamentale (pitch) du signal de parole, 2) le placement des marques de lecture des grains (en pratique, ces marques correspondent aux maxima locaux d'énergie du signal associés aux impulsions glottales), 3) l'extraction des segments (grains) centrés sur les marques de lecture avec des fenêtres généralement de type Hann de longueur 2 * P(t) (où P(t) est la période correspondant au pitch du signal). La phase de synthèse consiste à placer les marques d'écriture qui vont fixer la longueur ainsi que le pitch du signal, à choisir le grain pour chaque marque d'écriture et enfin à superposer et ajouter les grains du signal synthétisé. Une limite de cette méthode vient de la répétition de grains lorsque le signal original doit être allongé. Ces répétitions engendrent des artéfacts audibles qualifiés de "rugosité". Pour éviter ces phénomènes, il faut augmenter artificiellement la taille de la base de données de synthèse en créant de nouveaux grains par interpolation temporelle (TDI-PSOLA) ou fréquentielle (FDI-PSOLA). Cependant, ces méthodes s'avèrent très sensibles aux choix des marques de lecture et peu efficaces sur des signaux autres que les signaux de parole où la forme d'onde n'est pas concentrée temporellement sur les impulsions glottales.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0008] L'invention propose une méthode de synthèse de bruit de moteur qui permet une synthèse en temps réel du bruit émis par le groupe motopropulseur de véhicules. Notamment l'invention vise à proposer un procédé de synthèse du bruit émis par un moteur à combustion interne constitué de Nc cylindres et faisant partie d'un véhicule, basé sur une méthode PSOLA et caractérisé par les étapes suivantes :
- enregistrer à faible distance dudit moteur des signaux source en champ libre, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques ;
- évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur donné ;
- placer des marques de lectures de manière synchrone avec les phases de la fondamentale du signal et de ses harmoniques ; - extraire des grains à partir desdits signaux source, à l'aide d'une fenêtre d'extraction, lesdits grains extraits correspondant à des paramètres moteur, appelés paramètres consignes ;
- créer une base de données constituées desdits grains, et
- synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition les grains correspondants auxdits paramètres consignes.
[0009]Avantageusement, pour chaque grain correspondant à une marque de lecture potentielle, les phases de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques sont calculées et comparées aux phases des grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches. La marque de lecture étant celle dont les phases sont les plus proches des phases des grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches. [0010] Conformément à une caractéristique de l'invention, le spectre correspondant audits signaux source est directement lié à la vitesse de rotation du vilebrequin dudit moteur.
[0011] Par ailleurs, la largeur de la fenêtre d'extraction permet d'extraire des grains contenant les explosions des Ne cylindres d'un bruit de moteur. [0012]Selon l'invention, les grains extraits contiennent les instants d'explosions dans les Nc cylindres, chaque grain correspond à une marque de lecture et débute à phase nulle sur une alternance positive ou négative de la fréquence d'explosion. [0013] Conformément à l'invention, pour tous les paramètres moteur pour lesquels on souhaite extraire un grain, un ensemble de marques de lecture potentielles est déterminé.
[0014]Selon un aspect de l'invention, pour chaque grain correspondant à une marque de lecture potentielle, les phases de la fréquence fondamentale et un nombre fini de ses harmoniques sont déterminés. [0015] Conformément à une caractéristique intéressante de l'invention, pour tous les paramètres moteur pour lesquels on souhaite extraire un grain et parmi l'ensemble des marques de lecture potentielles, on choisit une marque qui minimise les écarts de phases avec les grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches.
[0016] Conformément à l'invention, les fenêtres d'extraction des grains peuvent être de largeur 2 * Pm + K, où Pm est la période correspondant à la fréquence de rotation du moteur et K est la valeur du chevauchement entre deux fenêtres, où K peut être une constante identique pour tous les grains ou dépendre du régime moteur associé à chaque grain extrait.
[0017] Selon l'invention, la base de données est constituée d'un ou plusieurs fichiers contenant un ensemble de grains correspondants aux paramètres moteur, lesdits grains étant ordonnés en fonction desdits paramètres moteur.
[0018] Conformément à l'invention, l'algorithme de synthèse est de type chevauchement et addition (overlap and add en anglais), dans lequel à la fin d'un grain on choisit le grain suivant en fonction des paramètres consignes.
[0019] Préférentiellement, lesdits paramètres moteur sont constitués en particulier par le régime moteur et la charge appliquée au moteur.
[0020] L'invention concerne en outre un système d'analyse et de synthèse de bruit de moteur pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus, ledit système est caractérisé par le fait qu'il comprend :
- des moyens pour enregistrer à faible distance dudit moteur des signaux source en champ libre, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques ;
- des moyens pour évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur donné ;
- des moyens pour placer des marques de lecture de manière synchrone avec les phases de la fondamentale des signaux enregistrés et de ses harmoniques ; - des moyens pour extraire des grains à partir desdits signaux source à l'aide d'un générateur d'extraction, lesdits grains extraits correspondant à des paramètres moteur appelés paramètres consignes;
- des moyens pour créer une base de données constituée desdits grains ; et - des moyens pour synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition des grains correspondant auxdits paramètres consignes.
[0021] L'invention concerne en outre l'utilisation dudit procédé de synthèse de bruit de moteur pour la simulation du bruit intérieur ou extérieur émis par un véhicule équipé d'un moteur thermique.
[0022] En variante, l'invention concerne un procédé de synthèse du bruit émis par un moteur à combustion interne constitué de Ne cylindres et faisant partie d'un véhicule, basé sur une méthode PSOLA opérant sur une analyse basée sur les étapes suivantes :
- enregistrer à faible distance dudit moteur des signaux source en champ libre, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques ;
- évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur donné ;
- placer des marques de lecture de manière synchrone avec les phases de la fondamentale du signal enregistré et de ses harmoniques ;
- extraire des grains à partir desdits signaux source à l'aide d'une fenêtre d'extraction, lesdits grains extraits correspondant à des paramètres moteur appelés paramètres consignes ;
- créer une base de données constituées desdits grains procédé de synthèse caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante :
- synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition de grains correspondants auxdits paramètres consignes. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0023] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent: - la figure 1 montre le schéma de principe de la méthode utilisée selon l'invention ;
- la figure 2 montre le spectre d'un bruit de moteur 4 cylindres ;
- la figure 3 montre le modèle de fenêtre temporelle utilisé pour extraire les grains des signaux source ; et
- la figure 4 montre la méthode de synthèse de signal par chevauchement et addition.
[0024] La figure 1 montre le schéma de principe de l'invention. Les blocs correspondent aux différentes étapes du procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur où les blocs (A.1 à A.4) correspondent au procédé d'analyse et les blocs (S.1 à S.4) correspondent au procédé de synthèse.
[0025] Les bruits de moteur traités selon l'invention sont des signaux enregistrés par exemple avec des microphones omnidirectionnels. Ces microphones sont placés en divers points à proximité d'un véhicule dont on fait varier le régime moteur ; le véhicule peut être placé sur un banc à rouleaux pour pouvoir faire varier la charge appliquée au moteur. Le spectre des signaux enregistrés est directement lié à la vitesse de rotation du vilebrequin, exprimée en tours par minute. Le spectre du bruit d'un moteur dépend de la période des événements dans le cycle moteur et plus particulièrement des instants d'explosions dans le cycle de la combustion, dans chacun des cylindres. Il faut distinguer la période des explosions des cylindres de la période globale du moteur. La période globale englobe le temps où tous les cylindres passent par une explosion. Elle ne dépend pas du nombre de cylindres mais uniquement du régime moteur. En revanche la période propre aux explosions dans chaque cylindre dépend du nombre de cylindres. [0026] Les signaux enregistrés sont essentiellement harmoniques. L'harmonicité desdits signaux provient de la rotation du moteur, la fréquence fondamentale étant proportionnelle à la vitesse de rotation RPM (régime moteur) exprimée en tours par minute. Dans le cas d'un moteur thermique comportant Nc = 4 cylindres, des explosions se produisent successivement dans les quatre cylindres à raison de deux explosions par tour de moteur. Pour un moteur à Nc = 6 cylindres par exemple, il y a trois explosions par tour de moteur. Dans les deux cas, deux tours de moteur sont nécessaires à l'explosion de tous les cylindres. Ainsi, les fréquences caractérisant dans le bruit d'un moteur sont : fréquence moteur = Fmoteur = Fm = RPM/60 [Hz] (1 ) fréquence d'explosion = Fexpiosion = Fe =Nc/2 * RPM/60 [Hz] (2)
[0027] La figure 2 montre le spectre de bruit d'un moteur quatre cylindres fonctionnant à régime de 2200 tours/min. Ce spectre est défini par la magnitude du signal exprimé en dB, en fonction de la fréquence en Hz. Dans le cas présent il s'agit du spectre d'un bruit de moteur ayant quatre cylindres, à un régime de 2200 tours/min. On observe que les harmoniques de la fréquence d'explosion Fe sont les plus énergiques mais comme les explosions dans les Nc cylindres ne sont pas identiques, les harmoniques de la fréquence fondamentale (Fm 12) apparaissent aussi car elles correspondent à un cycle complet des explosions des Nc cylindres. Compte tenu des amplitudes relatives des harmoniques, l'estimation de la fréquence fondamentale (Fm/2) du signal se fera préférentiellement sur l'harmonique prédominante du signal qui est en général Fe. On déduira ensuite (Fm 12) grâce aux équations 1 et 2. L'algorithme d'estimation de Fe dans un signal de bruit moteur peut être un algorithme récursif basé sur une détection de maximum de transformée de Fourier à court terme (TFCT) avec une fenêtre glissante sur l'ensemble du signal. Le but étant de disposer d'enregistrements de bruit moteur couvrant l'ensemble de la plage des régimes du moteur et de connaître à chaque instant la valeur de la fréquence fondamentale (Fm 12). [0028] Lors de l'enregistrement des signaux des bruits du moteur, la vitesse de variation du régime moteur est très importante. Pour que les signaux soient exploitables, il faut passer le plus lentement possible par chaque régime moteur. Cela permet d'une part d'estimer avec précision la fréquence fondamentale et d'autre part de faire l'hypothèse de stationnarité sur la longueur des grains qui vont être extraits, comme il sera exploité ci-après.
[0029] Pour pouvoir extraire les grains du signal enregistré, il faut disposer à tout instant de la valeur de la fréquence fondamentale du signal. Cette étape (A.1 ) permet une extraction précise du grain et son identification lors de la synthèse. Différents algorithmes peuvent être utilisés, afin d'obtenir la valeur de la fréquence fondamentale, par exemple, l'algorithme utilisé peut être une méthode de localisation de maximum de transformée de Fourier à court terme (TFCT). Cette méthode est optimisée par une estimation des harmoniques supérieures lorsque l'estimation de l'harmonique prédominante est difficile à obtenir. L'algorithme choisi pour l'estimation de la fréquence fondamentale est un algorithme itératif qui détermine la fréquence fondamentale à l'itération courante en se basant sur l'estimation faite à l'itération précédente.
[0030] Comme pour la méthode PSOLA, il faut que la largeur des fenêtres d'extraction soit proportionnelle à la période de la fréquence fondamentale et que le placement des marques de lecture soit synchrone avec la fréquence fondamentale. Dans le cas de signaux de parole, la fréquence fondamentale (ou pitch) est constante puisque propre à chaque individu. Dans le cas de bruit de moteur, l'estimation de l'évolution de la fréquence fondamentale (A.1 ), va permettre de définir les limites du signal d'où chaque grain pourra être extrait. Par exemple, un grain de fréquence fondamentale f,- sera extrait d'un intervalle / du signal original où la fréquence fondamentale est comprise entre f,- - Af et f,- + Af. Le placement d'une marque de lecture /, dans l'intervalle / est alors basé sur les critères suivants :
1 . /, est éloignée d'au moins ΔΝ échantillons de toute autre marque de lecture déjà placée dans le signal, ΔΝ étant la durée (en échantillons) d'une explosion dans un cylindre à l'instant correspondant à la marque de lecture /,. Ceci permet d'éviter d'extraire deux fois un grain relatif aux mêmes explosions des Ne cylindres. 2. /, est placée de manière à ce que le grain centré sur /, commence à phase nulle sur une alternance positive ou négative de la fréquence d'explosion Fe. Ainsi, comme la fréquence Fe est en général prédominante, le début et la fin du grain coïncideront avec des minima locaux d'énergie du signal.
3. Pour chaque grain correspondant à une marque de lecture potentielle vérifiant les critères 1 et 2, les phases de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques sont calculées et comparées aux phases des grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches. On choisit la marque de lecture /, dont les phases sont les plus proches des phases des grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches.
Le critère 2 assure la continuité de la phase de la fréquence d'explosion Fe et de ses harmoniques. La condition 3 permet d'assurer la continuité des phases des harmoniques de (Fm/2) qui sont certes moins énergiques mais tout de même importantes pour la perception de l'harmonicité du signal.
[0031] Une fois les marques de lectures placées (A.2), il reste à choisir la forme de la fenêtre d'extraction. Contrairement aux signaux de parole l'énergie des signaux moteur n'est pas concentrée temporellement sur des impulsions glottales, on ne va donc pas utiliser le même type de fenêtres que celles utilisées de façon connue pour la méthode PSOLA. L'enchaînement des explosions dans les Nc cylindres étant perceptivement important, la fenêtre d'extraction sera choisie de manière à englober les Nc explosions dans les cylindres du moteur. Chacune des Nc explosions étant théoriquement aussi importante, la fenêtre devrait idéalement avoir une amplitude constante (fenêtre rectangulaire). Cependant un chevauchement des fenêtres est tout de même nécessaire pour garantir la continuité du signal synthétisé. Ainsi comme illustré sur la figure 3 on utilisera préférentiellement des fenêtres de type Tukey de largeur : 2 * Pm + K où Pm est la période correspondante à la fréquence Fm et K est la longueur du chevauchement entre deux fenêtres. La longueur K sera préférentiellement constante pour l'ensemble des grains extraits, simplifiant ainsi le placement des marques d'écriture lors de la synthèse (S.3). La fenêtre d'extraction décrite ici est adéquate, cependant d'autres fenêtres similaires, avec une valeur de la longueur K non constante pour tous les grains, pourraient également offrir une bonne qualité de synthèse.
[0032] Synthétiser un bruit de moteur quel que soit les paramètres consignes nécessite un grand nombre de grains. Dans le cas le plus critique où les paramètres consignes sont constants, il ne faut pas répéter un même grain indéfiniment. Pour cela il faut pouvoir disposer de plusieurs grains correspondant à des paramètres consignes proches. Il n'est pas nécessaire d'essayer de créer de nouveaux grains avec les méthodes de TDI-PSOLA ou FDI-PSOLA (interpolations temporelle et fréquentielle). Il suffit de disposer d'un enregistrement où la vitesse de variation des paramètres moteur est lente et d'en extraire un nombre de grains suffisants. C'est l'étape A.3 de l'analyse.
[0033] La base de données de synthèse créée à l'étape A.4 de l'analyse est constituée d'un ou plusieurs fichiers contenant un ensemble de grains répertoriés suivant les paramètres moteur auxquels ils correspondent. Les paramètres considérés sont préférentiellement le régime moteur et éventuellement la charge appliquée au moteur. Pour synthétiser un signal sonore le ou les fichiers peuvent alors être chargés en mémoire de manière à pouvoir accéder à chaque grain grâce aux paramètres moteur auxquels ils correspondent. Préférentiellement la base de données contient l'ensemble des grains extraits lors de l'étape (A.3). Cependant ce nombre peut être réduit pour limiter l'espace mémoire nécessaire au stockage des données, au prix d'une baisse de la qualité de synthèse. Le nombre de grains à extraire et donc de marques de lecture à placer dépend de la qualité de la synthèse souhaitée et de l'espace mémoire disponible.
[0034] En pratique, pour une excellente qualité de synthèse de toute évolution de régime moteur, environ 1000 grains peuvent être extraits pour l'ensemble de la plage des régimes moteur. Dans le cas où on souhaite prendre en compte la charge appliquée au moteur, ce nombre doit être revu à la hausse.
[0035] La phase de synthèse peut être réalisée en actualisant en temps réel les paramètres moteur cibles. Ces paramètres sont utilisés pour sélectionner le ou les grains correspondant au bruit moteur souhaité. Ces paramètres peuvent être modifiés manuellement via une interface graphique ou être reçus d'un programme externe comprenant un simulateur de paramètres de conduite par exemple. Il est aussi possible de calculer avant le début de la synthèse une évolution de certains paramètres moteur sur un temps fini puis de synthétiser le signal résultant hors temps réel. Ceci est bien plus rapide compte tenu de la simplicité de l'algorithme de synthèse. C'est l'étape S.1 de l'algorithme de synthèse selon la figure 1
[0036] Les grains dans la base de données sont ordonnés en fonction des paramètres moteur auxquels ils correspondent. Par ailleurs, l'évolution des paramètres moteur étant supposée continue, lors de la synthèse, le choix du grain suivant se fera préférentiellement à partir du grain précédent dans la base de données. On limite ainsi le nombre d'opérations nécessaires pour sélectionner le grain adéquat. De plus, un test peut être réalisé pour évaluer la stationnarité du/des paramètres cibles. Une oscillation aléatoire peut alors être ajoutée aux paramètres cibles pour éviter la sensation de rugosité due à la répétition d'un même grain. Le nombre de grains dans la base de données doit être assez grand pour qu'une faible amplitude d'oscillation autour des paramètres cibles permette la sélection de grains différents.
[0037] Le procédé de synthèse de bruit de moteur comprend en outre une étape de placement des marques d'écriture, ce placement est très simple si la fenêtre d'extraction est celle décrite en (A.3.) En effet, ce placement consiste simplement à garantir la conservation d'énergie, c'est-à-dire que les fenêtres successives se somment à 1 . Avec une largeur de chevauchement K constant ce placement est trivial. La marque d'écriture du grain N étant toujours placée K échantillons avant la fin du grain N - 1 quel que soit le régime moteur. La précision du placement des marques de lecture lors de l'analyse garantit alors la continuité des phases entre les harmoniques préservant l'harmonicité du signal synthétisé sans calculs nécessaires durant la phase de synthèse.
[0038] L'algorithme de synthèse est simplement de type "chevauchement et addition" ("overlap and add" en anglais) comme pour la méthode PSOLA la construction du signal consiste simplement à additionner les grains sélectionnés à l'étape (S.2) aux emplacements déterminés à l'étape (S.3). La synthèse ne nécessite alors que K additions par grain, comme illustré sur la figure 4.
[0039] L'invention décrite dans la présente demande présente de multiples avantages par rapport aux méthodes connues de synthèse de bruit de moteur. Tout d'abord, elle est particulièrement adaptée au caractère harmonique des bruits de moteur grâce à la prise en compte des phases des différentes harmoniques lors de l'extraction des grains sonores. Par ailleurs elle offre un très bon rendu sonore des composantes stochastiques des bruits de moteur grâce à l'utilisation de grains extraits d'enregistrements. De plus, la quasi-totalité de la complexité algorithmique de cette méthode se concentre dans la phase d'analyse des enregistrements de bruit moteur. Cette phase étant exécutée en pré-calcul, sa complexité n'est pas un facteur limitant de la méthode. Ainsi, la partie synthèse présente une complexité algorithmique très réduite et rend possible la synthèse en temps réel de plusieurs centaines de bruits de moteurs simultanément sur un ordinateur standard. En effet, le nombre d'opérations à effectuer est réduit au minimum :
- Choix du grain (la recherche de l'index du grain suivant est très simple en connaissant l'index du grain courant) - Lecture en mémoire des valeurs ; placement de marques d'écriture
- Chevauchement et addition
[0040] Cette méthode d'analyse et de synthèse de bruit de moteur peut s'appliquer dans différents domaines de l'industrie. Elle peut être utilisée pour simuler le bruit intérieur et/ou extérieur émis par un véhicule avec un moteur thermique dans le cadre de simulations pour l'amélioration de l'ambiance sonore émise par un véhicule. Elle peut également être utilisée pour tout type de simulateur de conduite de véhicule à moteur thermique, pour améliorer le réalisme de la simulation. Enfin, cette méthode peut également être appliquée à la simulation de l'impact sonore du trafic routier pour évaluer la gêne sonore occasionnée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'analyse et de synthèse du bruit émis par un moteur à combustion interne constitué de Ne cylindres et faisant partie d'un véhicule, basé sur une méthode PSOLA caractérisé par les étapes suivantes :
- enregistrer à faible distance dudit moteur des signaux source en champ libre, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques ;
- évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur donné ;
- placer des marques de lecture de manière synchrone avec les phases de la fondamentale du signal enregistré et de ses harmoniques ;
- extraire des grains à partir desdits signaux source à l'aide d'une fenêtre d'extraction, lesdits grains extraits correspondant à des paramètres moteur appelés paramètres consignes ;
- créer une base de données constituées desdits grains ; et
- synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition de grains correspondants auxdits paramètres consignes.
2. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication 1 , selon lequel, pour chaque grain correspondant à une marque de lecture potentielle, les phases de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques sont calculées et comparées aux phases des grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches. La marque de lecture étant celle dont les phases sont les plus proches des phases des grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches.
3. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication 1 ou 2 dont le spectre correspondant audits signaux source est directement lié à la vitesse de rotation du vilebrequin dudit moteur.
4. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon l'une des revendications précédentes dont la largeur de la fenêtre d'extraction permet d'extraire des grains contenant les explosions des Ne cylindres d'un bruit de moteur.
5. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les grains extraits correspondent à des instants d'explosions dans les Nc cylindres, chaque grain correspond à une marque de lecture, et débute à phase nulle et sur une alternance positive ou négative de la fréquence d'explosion.
6. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication précédente dans lequel pour tous les paramètres moteur pour lesquels on souhaite extraire un grain, un ensemble de marques de lecture potentielles est déterminé.
7. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication précédente dans lequel, pour chaque grain correspondant à une marque de lecture potentielle, les phases de la fréquence fondamentale et un nombre fini de ses harmoniques sont déterminées.
8. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication précédente dans lequel, pour tous les paramètres moteur pour lesquels on souhaite extraire un grain, et parmi l'ensemble des marques de lecture potentielles on choisit, une marque qui minimise les écarts de phases avec les grains déjà extraits pour des paramètres moteur proches.
9. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication précédente dans lequel les fenêtres d'extraction des grains peuvent être de largeur 2 * Pm + K, où Pm est la période correspondant à la fréquence de rotation du moteur et K est la valeur du chevauchement entre deux fenêtres, où K peut être une constante identique pour tous les grains ou dépendre du régime moteur associé à chaque grain extrait.
10. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication 1 dont la base de données est constituée d'un ou plusieurs fichiers contenant un ensemble de grains correspondants aux paramètres moteur, lesdits grains sont ordonnés en fonction desdits paramètres moteur.
1 1 . Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon la revendication précédente dont lesdits paramètres moteur sont constitués en particulier par le régime moteur et la charge appliquée au moteur.
12. Procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon l'une des revendications précédentes, dont l'algorithme de synthèse est de type « chevauchement et addition », dans lequel, à la fin d'un grain, on choisit le grain suivant en fonction des paramètres consignes.
13. Système d'analyse et de synthèse de bruit de moteur pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comprend : - des moyens pour enregistrer des signaux source en champ libre à faible distance dudit moteur, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques ;
- des moyens pour évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur donné ;
- des moyens pour placer des marques de lecture de manière synchrone avec les phases de la fondamentale des signaux enregistrés et de ses harmoniques ;
- des moyens pour extraire des grains à partir desdits signaux source à l'aide d'une fenêtre d'extraction, lesdits grains extraits correspondant à des paramètres moteur appelés paramètres consignes ;
- des moyens pour créer une base de données constituée desdits grains ; et - des moyens pour synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition des grains correspondant auxdits paramètres consignes.
14. Utilisation du procédé d'analyse et de synthèse de bruit de moteur selon l'une des revendications 1 à 12 pour la simulation du bruit intérieur ou extérieur émis par un véhicule équipé d'un moteur thermique.
15 Procédé de synthèse du bruit émis par un moteur à combustion interne constitué de Ne cylindres et faisant partie d'un véhicule, basé sur une méthode PSOLA opérant sur une analyse basée sur les étapes suivantes :
- enregistrer à faible distance dudit moteur des signaux source en champ libre, lesdits signaux étant essentiellement harmoniques ;
- évaluer la fréquence fondamentale desdits signaux enregistrés, ladite fréquence étant proportionnelle à un régime moteur donné ;
- placer des marques de lecture de manière synchrone avec les phases de la fondamentale du signal enregistré et de ses harmoniques ;
- extraire des grains à partir desdits signaux source à l'aide d'une fenêtre d'extraction, lesdits grains extraits correspondant à des paramètres moteur appelés paramètres consignes ;
- créer une base de données constituées desdits grains procédé de synthèse caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante :
- synthétiser en temps réel un signal de bruit de moteur en assemblant séquentiellement par chevauchement et addition de grains correspondants auxdits paramètres consignes.
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