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2024.12.12

匠心傳承：V10發(fā)動機的和諧音

在豐田時報往期的連載中，我們深入探討了斯巴魯、馬自達等，多家汽車制造商的發(fā)動機聲浪?；蛟S有些讀者早已翹首以盼，急切地詢問：“怎么還不聊豐田的發(fā)動機？”那么，讓您久等了。從本期開始，我們將聚焦豐田發(fā)動機的聲浪設(shè)計，帶您領(lǐng)略其獨特的魅力。

豐田汽車旗下?lián)碛蠺OYOTA、GAZOO Racing（GR）和雷克薩斯三大品牌。盡管過去在美國市場還曾推出過Scion這一品牌，但目前的品牌數(shù)依然是3個。在本連載中，時報將打破品牌間的界限，將旗下所有品牌產(chǎn)品統(tǒng)一視為豐田的產(chǎn)品進行探討。

雖然個人喜好因人而異，但提起豐田的發(fā)動機聲浪，依然會有許多人首先想到的是，在連載第3回中曾被提及的雷克薩斯LFA吧。

LFA以其獨特的高亢發(fā)動機聲浪而聞名，2009年10月，在東京車展首次亮相時，該款車型“嗡嗡”作響的通透發(fā)動機音給人們留下了深刻的印象。彼時，任職社長的豐田章男，從車中走出，說了這樣一段話。

2009東京車展。

豐田社長（時任）

我自身在研發(fā)初期就參與了LFA的車輛調(diào)性設(shè)計。在我看來雷克薩斯所追求的“極致”，是那種對汽車有著深刻理解的人所渴望的點睛之筆，一旦感受過，就會想與之相伴終生。

LFA的誕生，正是為了將這種雅致且迷人的氣質(zhì)融入其中。同時，在LFA的研發(fā)過程中，我們不斷突破極限，確保無論時代如何更迭，技術(shù)和工藝都能得到傳承與升華，從而為汽車制造的核心本質(zhì)作出貢獻。

LFA集合了當時最先進的技術(shù)，極致探求駕駛樂趣給人所帶來的“感動與感官”體驗。在打造悅耳的發(fā)動機聲浪設(shè)計上，豐田更是不遺余力地追求完美，甚至與專業(yè)的音響設(shè)備制造廠商雅馬哈合作，挑戰(zhàn)前所未有的發(fā)動機研發(fā)方式。

LFA的聲浪能隨著油門踏板的踩踏力度而變化，后方的排氣聲和前方的進氣聲形成絕妙的和諧音，駕駛者可以像一名指揮家一般，控制聲音的變換。

請各位讀者再次享受一下，LFA這被稱為“天使咆哮”的聲浪吧。

在討論LFA的聲浪之前，讓我們回顧一下豐田聲浪設(shè)計的歷史吧。

初衷本是消除聲音

那么，豐田的發(fā)動機聲浪是怎樣制作出來的呢？

為了深入探究這一問題，時報記者采訪了負責聲音制造的技術(shù)人員。據(jù)雷克薩斯性能研發(fā)部感性性能研發(fā)室的佐野真一主任透露，豐田在聲浪設(shè)計上的探索始于20世紀80年代，彼時的目標是打造高靜謐性的汽車。也就是說，那時豐田追求的不是制造聲浪，而是如何有效地消除尾音。

佐野主任

20世紀80年代時期，開始出現(xiàn)NVH（Noise，Vibration，Harshness：噪聲、振動、聲振粗糙度）概念。1989年發(fā)售的初代雷克薩斯LS，以其出色的靜謐性震驚了全球。

之所以能實現(xiàn)如此出色的靜謐性，得益于結(jié)構(gòu)非常平衡的V8發(fā)動機。該款發(fā)動機在初代LS研發(fā)負責人鈴木一郎主查的理念指導(dǎo)下誕生，其核心研發(fā)思想是將發(fā)動機的驅(qū)動力直接傳遞到輪胎上，避免產(chǎn)生不必要的震動。

另一方面，根據(jù)資料顯示，在研發(fā)初代LS時，就已經(jīng)萌生了“不僅要追求極致的靜謐，更要消除那些令人不快的噪聲，僅保留通透尾音”的聲浪設(shè)計理念。

在80年代前半期，盡管已經(jīng)研發(fā)出了能夠根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生合成音效的聲音模擬器，但由于設(shè)備尺寸的問題，這些模擬器無法直接安裝在汽車上。因此，研發(fā)人員們還特別建立了一間聲音模擬室，用來確認發(fā)動機的音效。

而到了80年代后半期，盡管聲音模擬器的尺寸已經(jīng)大幅減小，但仍然要占用汽車后備箱的大部分空間。據(jù)資料顯示，彼時研發(fā)人員還曾將聲音模擬器搭載到世極車型上，播放MR2等車型的合成音效。在實驗過程中，他們發(fā)現(xiàn)如果聲音與振動和駕乘感不匹配，便會產(chǎn)生極大的不協(xié)調(diào)感。這也說明每款車都有著符合其音質(zhì)特征的音效。

盡管得出了上述結(jié)論，但當時豐田的研發(fā)方向仍未全面轉(zhuǎn)向“打造能發(fā)出悅耳發(fā)動機聲浪的汽車”。雖然抑制噪音，尤其是低頻噪音最好的手段就是提高汽車質(zhì)量，但在不斷追求汽車輕量化的時代中，豐田的研發(fā)人員們只能從中權(quán)衡，努力制造出更加安靜的汽車。

初代LS

發(fā)動機聲浪代表品牌

1996年至1997年間，為了增強產(chǎn)品的商業(yè)性，人們開始研究發(fā)動機聲浪，即“品牌聲浪”。

由于一開始推進這項工作的是負責前置驅(qū)動汽車的部門，因此研發(fā)對象不是運動車型，而是四缸中型轎車。

他們主要采用了歐洲的基準，特別是參考了寶馬，因為寶馬的車刻意強調(diào)發(fā)動機聲浪，并創(chuàng)造了該品牌獨有的聲音。這種聲音不僅適用于配備六缸發(fā)動機的汽車，也適用于配備四缸發(fā)動機的汽車。

在研發(fā)過程中，他們首先使用FFT地圖*分析了日本、美國和歐洲制造商的發(fā)動機聲浪特性。此外，他們還在這三個國家和地區(qū)使用他們自制的聲源進行了聲浪偏好調(diào)查，并分析了擁有不同文化背景的地區(qū)對聲浪的不同感受。

＊“FFT（Fast Fourier Transform）地圖”用于直觀顯示和分析不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下振動和噪聲的聲音頻率分布特征。

在此我們先回顧一下第3期中介紹過的階次聲。

當我們將發(fā)動機在完成“吸氣、壓縮、燃燒和膨脹、排出”一連串動作時所發(fā)出的聲音可視化時，不難發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定向右側(cè)斜上方延伸的線被稱為階次聲。

在第1期中我們了解到，活塞式發(fā)動機每個氣缸在其曲軸旋轉(zhuǎn)兩次時就會燃燒一次。曲軸的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生振動，這種振動會以聲音的形式傳入我們的耳朵。

請看上面的圖表，發(fā)動機轉(zhuǎn)1圈時會產(chǎn)生1次振動，我們將其記為“1階”，轉(zhuǎn)2圈時就是“2階”，以此類推。在直列四缸發(fā)動機中，1次轉(zhuǎn)動會帶來2次燃燒，因此在2階、4階這樣的偶數(shù)階段時，聲音頻率的線會更加清晰明顯?；蛟S這有點難懂，但各位讀者只需要把階數(shù)看作是每轉(zhuǎn)振動次數(shù)的數(shù)值化表現(xiàn)即可。

那么什么是半階次聲呢？

為了使汽車平穩(wěn)行駛，每個氣缸的燃燒時間都會略微錯開。下圖顯示了四缸發(fā)動機中一連串振動聲的示例。

在第2期中，我們討論了因不等長氣缸而產(chǎn)生的BOXER（拳擊手發(fā)動機）的聲音。雖然這次的排氣管長度差異沒有發(fā)出BOXER的聲音時那么大，但由于發(fā)動機內(nèi)部空間的原因，每個氣缸的排氣管長度并不相同，因此，每個氣缸產(chǎn)生的聲音都是不同的。

打個比方，我們小時候吹豎笛，吹出來的聲音會隨著按下的孔不同和孔距離嘴巴的遠近而改變。如果將排氣管和進氣管比作豎笛，那么進氣和排氣的聲音就會根據(jù)管道的長度而發(fā)生變化。

請看上面的圖，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)出“嘣嘣嘣”聲浪的第3個氣缸是第2個燃燒的，它發(fā)出的聲音比其他氣缸大，這種差異就會用半階次聲表示。

日本、美國和歐洲的分析數(shù)據(jù)表明，在低轉(zhuǎn)速階段中，發(fā)動機簡單的階次聲很悅耳，但在高轉(zhuǎn)速階段中，僅有階次聲就欠缺了力度。與之相對的，許多人認為，在高轉(zhuǎn)速時半階次聲會顯得更有力度和厚度，可在低轉(zhuǎn)速時，半階次聲聽起來很沉悶，就像有東西卡在發(fā)動機里一樣。

于是，基于對協(xié)和音、不協(xié)和音等和弦方面問題的考慮，他們確定了每個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)聲浪的理想分布情況，并設(shè)定了品牌聲浪的目標。

此時，他們不再一味追求“靜謐性”，即不再一味追求“零”的價值，而是萌發(fā)了“創(chuàng)造一種能夠提高商品性和品牌力的發(fā)動機聲浪”的想法。

佐野主任表示：“事實上，在雷克薩斯GS的研發(fā)過程中，我們就想開發(fā)出更加激進的聲音。也正是在這時候，我們開始嘗試利用發(fā)聲器進行聲浪的研發(fā)工作，后來又將其延續(xù)到豐田86等其他車型上。即便如此，我們當時仍沒能打破名為‘靜謐性’的壁壘。”

LFA的突破

那么，“靜謐性的壁壘”什么時候被打破的呢？

“從LFA開始?！币宰粢爸魅螢槭祝邮懿稍L的技術(shù)人員們異口同聲地說。

經(jīng)過近十年的規(guī)劃，LFA于2010年發(fā)售，全球限量500輛。

這是一款LEXUS旗艦跑車，搭載V10發(fā)動機，由于其每一個部件都是專門為V10發(fā)動機研發(fā)，因此擁有比V8發(fā)動機更小的體積。

LFA（攝影：小川義文）

V10發(fā)動機（攝影：小川義文）

佐野主任

當時統(tǒng)籌聲音設(shè)計的負責人說道：“如果一階、二階、三階的階次聲沒有正確呈現(xiàn)，那就不算是我們想要做出來的聲音。”因此，他們致力于讓排氣音呈現(xiàn)出清晰的八度和聲，而高轉(zhuǎn)速區(qū)間的進氣音則加入了半階次聲，打造出復(fù)雜而厚重的音色。

進氣音采用了雅馬哈的原創(chuàng)技術(shù)，經(jīng)過多次試制與評估，反復(fù)打磨。

此外，為了開發(fā)出理想的排氣音，使其在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有震撼力，而在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)展現(xiàn)出更尖銳的音色，他們還引入了語音學(xué)*領(lǐng)域使用的分析方法等方法技巧。

＊語音學(xué)：以科學(xué)的方式研究人類發(fā)出的語言聲音如何產(chǎn)生、傳播以及被聽取的學(xué)科。

融入音樂性和語音學(xué)等不同于常規(guī)的思維方式，不斷試制和評價，反復(fù)嘗試后加以改進，推進LFA的研發(fā)完成。

參與LEXUS LC聲音設(shè)計的中山裕介主任（雷克薩斯性能研發(fā)部感性性能研發(fā)室），將LFA的聲音特質(zhì)作為雷克薩斯DNA，致力于傳承。他表示：“LFA的發(fā)動機是以完全等間隔爆發(fā)的V10發(fā)動機，能夠產(chǎn)生被稱為‘天使的咆哮’的戲劇性聲音。據(jù)我所知，其72°的氣缸夾角就是為了聲音而特別設(shè)計的?！?/p>

為了證實這一點，回顧當時的排氣系統(tǒng)資料，可以看到相關(guān)記載——在V8發(fā)動機上以90°夾角增添兩個氣缸，產(chǎn)生不等間隔爆發(fā)，無法實現(xiàn)理想的聲音設(shè)計，基于此模擬結(jié)果，“最終決定研發(fā)72°夾角的發(fā)動機！”。

關(guān)于氣缸夾角，在第1期也提到過。V型發(fā)動機擁有兩列氣缸組，這些氣缸組被V字形夾角所挾，稱為“氣缸夾角”。這個夾角對發(fā)動機的振動有重大影響，因此也直接影響發(fā)動機的聲音效果。

72°夾角的V型10氣缸發(fā)動機，各氣缸爆發(fā)的間隔均勻，減少了振動，使得發(fā)動機運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)自然。這樣，聲音的雜質(zhì)也隨之減少，音質(zhì)更加純凈。

那么，是否其他車款也可以將夾角設(shè)為72°，從而成為平順性更好的發(fā)動機，并獲得出色的聲音呢？實際運用中涉及到發(fā)動機艙空間、發(fā)動機各部件的大小和布局等問題，無法簡單地復(fù)刻。72°夾角這一設(shè)計也是因為每一款車都要經(jīng)過專門的研發(fā)才得以實現(xiàn)。

而實現(xiàn)理想的發(fā)動機聲浪的愿景，最終在LFA中得以實現(xiàn)。