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汽车NVH 技术研究与应用现状东北大学车辆工程1002班 白国星20102255摘要：汽车的NVH 技术研究如何解决车辆运行中的噪声、振动、舒适性的问题，汽车NVH性能是评价整车性能重要指标之一。其中NVH性能测试技术自然成为汽车工程界关注的焦点。NVH性能测试流程大致如下：首先，运用整车NVH性能摸底测试方法验证轿车NVH主观感受；其次，介绍传递路径分析基本原理，并构建基本分析模型，结合传递路径分析方法与国际先进的声振数据测试系统，对可能产生问题的路径进行了声振测试、分析，并通过排除法得出该工程问题的初步诊断结论；最后，在分析、总结工程实例基础之上，建立起了整车NVH性能测试与分析一般技术流程，为工程上解决相关整车NVH问题提供参考和依据，提出整车NVH性能测试技术流程研究的意义。主题词：汽车; 噪声; 振动; NVH 技术Auto NVH technology research and application statusAbstract: Auto NVH technology research how to solve the vehicle noise, vibration, the problem of comfort, and auto NVH performance is one of the important indicators of performance evaluation. The NVH performance test technology nature has become the focus of automotive engineering. : NVH testing process is roughly as follows. First, use the vehicle NVH performance baseline test methods validation sedan NVH subjective feeling; Secondly, introducing the basic principle of transfer path analysis, and building a basic analysis model, combining transfer path analysis method with the international advanced acoustic data testing system, test and analysis the problem of path which may be produced, and through the exclusion method obtain the engineering problems conclusion preliminary; Finally, based on the analysis, summarizes the engineering examples, establishing the harshness NVH of the vehicle performance test and analysis of the general technical process, providing a reference and the basis for engineering vehicle NVH problems, putting forward the vehicle NVH the significance of performance testing technology processKeywords: Car; Noise; Vibration; NVH technology 目录1引言12现代汽车NVH技术的发展13汽车NVH问题的研究方法34汽车NVH性能测试技术流程44.1 NVH性能摸底测试44.2传递路径分析54.2.1传递路径分析基本原理54.2.2传递路径试验测试分析64.2.3整车NVH性能测试初步诊断结论64.3一般技术流程65汽车NVH控制与改善措施66结语77参考文献71引言近年来人们环境、健康意识不断提高，人们越来越关注车辆的舒适度及声品质，较高噪声和振动的车辆不仅对周围环境产生声污染，同时也危害驾驶员和乘客的健康。随着人们对汽车乘坐舒适性期望越来越高以及世界各国有关环境保护的法规越来越严格，在竞争激烈的汽车市场上，提高车辆噪声水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向，当前汽车NVH（Noise, Vibration & Harshness）研究也愈发受到相关科研机构和汽车生产厂家的重视。汽车的NVH特性是研究如何解决和降低车辆运行中的噪声、振动、舒适性的问题。汽车NVH性能可能受很多因素影响，振动和噪声可以是来自多方面的。工程上解决整车NVH性能问题时，很重要的一个环节就是对整车进行测试，通过一系列工程方法得出初步诊断结果。该环节必须引起高度重视，因为一旦初步诊断出错，接下来的工作都会因此而变得毫无意义，大大降低工作效率。2现代汽车NVH技术的发展传统意义上噪声控制就是降低声音的大小，仅仅考虑声级的大小和频率成分，20世纪80年代后，汽车界开始使用声品质，声品质主导的NVH开发，如发动机的声音、喷气飞机的声调组成或电动剃须刀的声学表现，都体现了声音品质某个方面。对产品声音品质的感知是表征其特点的一个重要因素。声品质不再局限于噪声的削减，塑造恰当的产品声音是一个复杂的任务，产品开发过程涉及多个步骤及工具。被国际学术界广泛认同的完整声品质定义首先由BLAUER给出：“声品质是在特定技术目标或任务内涵中声音的适宜性，声品质中定义的声不是指声波这样一个物理事件，是由人耳对声音事件的听觉感知过程，并最终做出的主观判断。”汽车行业内部的声品质问题已经由最初的整车、发动机等主要部件的研究，进入各个部件和方面的研究。未来汽车的发展，环保、安全、舒适、低成本是主线，而这些主线中NVH性能占据很大比重。统计表明整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关的。良好的NVH匹配，不仅能够实现良好的动力学特性也能节省生产成本。20世纪6070年代，西方各主要汽车公司开始关注汽车的NVH问题，我国NVH研究起步较晚，自主品牌发展到现在只有10多年的时间，从国际NVH水平来看，日本在这方面做得最好，美国也不错，欧洲次之。各国政府在NVH法规方面，并没有过于严格的规定，大多来自于顾客对车辆性能日益苛刻的要求，欧洲法规要求轿车通过噪声小于74dB，中国M2柴油机为77dB，M1类柴油机机车为75dB。良好的NVH特性可以提高汽车部件由于振动引起的早期失效风险，提高部件的可靠性。相比于国外，我国NVH水平存在着一定的差距。比如空调开时车辆怠速的噪声值，日本、北美车辆为4345dB，而我国本土车辆往往达到50dB。汽车是一个由激励源（发动机、变速器、路面等）、振动传递器（由悬挂系统、悬置系统和边接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。它包含3大声品质问题：（1）动力系统的声品质控制技术；（2）车身声品质控制技术；（3）电器系统的声品质控制技术。一般来说车辆的噪声源，主要包括：发动机，变速箱，排气系统，高速行驶时的风噪声、轮胎噪声。其他任何运动的部件都有可能发出噪声。车辆的振源，主要包括：发动机，传动系统，不平的路面。国内企业中NVH能力已达到了一定的水准，如上海通用/泛亚汽车技术中心，有一定的开发能力，其余合资企业在国内的NVH工作主要就是物理试验认证；而国内自主品牌大多处在样车试验改进（通常与国外试验咨询公司合作）阶段，CAE能力及其与试验的糅合仍需加强。其他企业的现状如下：（1）上汽同济噪声与振动工程中心、同济大学汽车学院的NVH实验室硬件一流，且比较完备，其消声室（带低噪声转毂）为远东最大，达到1200m3，混响室为268m3，测试系统为LMS等主流设备；（2）奇瑞常规的NVH试验工程及研究与合肥工业大学的噪声振动实验室合作，而针对部分产品的NVH性能提升，主要通过与国外试验咨询公司合作的方式来完成。如：通过与意大利Prototipo试验公司的合作，针对东方之子与新旗云等车型的NVH方面多个小项目进行改进，提升产品竞争力的同时也大大提高了技术人员的水平。奇瑞已具有4套LMS的振动噪声测试系统等主流设备，成立了NVH科室，CAE方面有专门NVH分析人员；（3）一汽的NVH试验能力较早就已建立。其中噪声试验室是按国际标准所建，包括：整车噪声试验室；动力总成噪声试验室。其中整车噪声试验室为半消声室，可以进行整备质量50012000kg，轴距在2.26.5m范围的各类轿车、轻型车、中型卡车、厢式车、大客车等车型的车外、车内噪声试验，动力总成噪声试验；也可以进行最大功率200kW、最大扭矩400Nm、最高转速7500r/min的发动机及其动力总成振动噪声试验研究；（4）二汽NVH方面起步较早，有专门的NVH研究组织，其消声室为6.8m5.2m6.0m，混响室5.6m6.7m5.8m。早在19961998年，叶志刚曾带领其团队对“乘用车内噪声试验研究分析及控制”做了比较深入的研究，其成果在东风汽车公司乘用车产品开发中得到应用，解决了乘用车车内噪声大的问题，取得了较好的效果。该项目在车身结构分析及控制中创造性应用结构声响感度函数较好地解决了发动机悬架对车内噪声的影响，后获2001年中国汽车工业科学技术进步奖；（5）重庆长安主要与朗德科技合作，2006年新建立了整车消声室，测试系统亦是用的Head Acoustic等行业内主流设备；（6）福田由德国Fiast为其建造消声室，测试系统配备有32通道LMS振动模态分析系统、60通道BK通过噪声测试分析系统和36通道BBM噪声源分析及音质评价分析系统等；（7）江淮具有常规的NVH性能测试评价的能力，已有2套LMS等主流厂家的振动噪声测试系统；（8）吉利硬件方面已有常规的振动噪声测试设备，可以完成常规的试验工作，其研究院亦有专人搞NVH方面的CAE工作，对消声室等大型实验室的筹备工作亦开始了初期调研，对产品NVH性能的改善主要通过与国外专业公司合作来实现。如在金刚设计开发过程中，专门聘请专业的汽车降噪公司意大利Alipalia公司SCS技术中心的专业团队进行专项NVH工程处理。近些年来，NVH已经不只是整车厂关注的重点，汽车零部件企业也开始重视零部件的NVH性能开发，如专业生产变速箱的法士特集团已经建成行业领先的消声室，投入精力开发低噪声的变速器产品。总体来说，乘用车NVH走在前列，商用车也开始建立自己的NVH开发团队，配备了主流的噪声振动测试系统和专业的消声室以及专业的NVH工程人员。综上所述，国内的NVH开发越来越受到重视，在追逐国外技术的同时也注重培养自己的专业团队，取得了一些成就。目前，国内汽车厂家不太注意早期NVH开发，整车设计与零配件企业产品之间的特性匹配度有待提高。零部件企业在向整车开发提供高质量零部件的同时也促使整车开发方式转变，整车开发已成为除车身结构设计外，主要是零部件的（结构）整合和（性能）匹配（标定）行为。整车开发已不再是单纯的结构设计和机构的实现，如何在取得优质零部件总成的基础上，整合匹配出满足法规和标准要求或最优的整车系统性能，已成为整车开发的核心。另外，传统汽车设计针对的是零里程汽车，有良好的NVH性能，而忽略高里程的NVH性能，如今高里程的NVH性能对顾客长期的满意度来说越来越重要，因此提高NVH的稳健性也是重要课题。通过近些年的发展，中国汽车NVH领域具备了基本的试验条件，但是数量上远远不够；具备了基本的CAE条件，但硬件和软件支撑上还不够强大；开展了不少NVH领域，但是专业人员工程实践经验不足。今后应该建立NVH数据库，完善NVH设计流程与部分规范，加强规范的执行力，培养自己的专家队伍。3汽车NVH问题的研究方法汽车噪声来源主要来自发动机、进排气系统、风扇噪声、传动系统、轮胎噪声、制动噪声、车声结构噪声、气动噪声。各个总成的噪声贡献度要达到合理匹配，NVH的特性研究应该是以整车为研究对象，合理匹配各个系统，要求各个子系统的噪声贡献降到最低。通常对汽车噪声和振动问题进行控制主要理论方法有有限元法、边界元法、统计能量法，有限元法适用分析结构动态特性；边界元法适合处理噪声的辐射问题；统计能量法是将一个复杂结构系统或声系统划分成若干耦合的子系统，每个子系统在相应某个频率范围都有若干个共振频率，根据系统的各种参数建立起各个子系统间能量流动的关系。现阶段，计算机仿真分析技术（CAE）在汽车产品设计开发中的应用已相当普遍，大大方便了工程人员对设计机制的理解与把握，提高了设计开发效率，推动产品加速更新换代。然而，CAE分析的置信度是一个“瓶颈”问题，对于机制和模型高度复杂的车辆NVH性能，其仿真分析的置信度很难保证。为了解决这个“瓶颈”，通常的做法是将CAE技术与试验测试相结合，通过对比仿真和测试结果的吻合度来确定仿真的有效性。然而，测试结果对于测试流程、条件及环境非常敏感，在很多情况下测试结果本身就具有较大的分散性，为了扭转这种被动局面，国外已有研究者将重点转向“试验可靠性”的提高1。另一方面，当前应用领域出现了多种支持NVH仿真分析的CAE软件系统，如ADAMS、SYSNOISE、AUTOSEA、LMS等。基于不同内核技术的软件系统，其处理问题的适用范围各有侧重。为确保仿真分析的置信度，应充分考虑具体问题的特点而合理选择软件工具。例如：声振耦合有限元技术主要适用于低频范围，是分析车内低频结构辐射噪声（Booming）的有效工具；而统计能量法则更适合于模态密集的中、高频段噪声分析，等等。值得注意的是，为完善仿真分析所必需的基础数据条件，国外汽车工程界进行了不懈的努力。目前已有机构建立了车内噪声数据库系统，能够覆盖15种车型的典型行驶工况，从而有效地支持了仿真分析过程并有助于确保其置信度。为进一步从根本上提高NVH仿真分析的置信度，须立足于有关理论及方法的创新，针对整车结构的多个系统，集成声学、结构振动及系统动力学理论，解析其学科耦合关系，建立多学科综合的车辆NVH性能仿真分析模型，并进一步研制开发适用于工程领域的CAE软件系统；针对仿真分析建模、求解、检验及修正的全过程，确定NVH仿真与试验流程的交互方式，建立分析与试验研究一体化的车辆NVH混合仿真模型，并研制开发相应的软件及试验支持系统；以动力学系统的输入识别理论为基础，引入试验模态分析及KBE技术，通过简单的设计性试验以反求仿真分析的输入条件，同时确保其具有较高的精度，从而缓解仿真分析基础数据不完备的矛盾；揭示车辆内在结构、性能及使用环境中相关不确定性因素对其NVH性能的影响规律，预测在不确定性因素情况下的仿真分析置信度，并建立相应的评价准则。在汽车开发过程中，要明确法规和客户要求、诊断故障识别噪声、控制降低噪声是研究NVH的重要三步骤，由于三步骤之间的关联性，在实际的开发过程中相辅相成。明确客户要求，客户对乘坐舒适性的要求越来越高，加之日益激烈的市场竞争，NVH问题已从原有的法规强制转变为客户强制。因此在实际开发过程中，应根据客户的要求进行测量，除了提交测量结果外，还给出一定程度的结论或主客观评价。所有提供给客户的“产品”应保证正确、公正，并满足客户要求。客观评价是用描述振动噪声的参数如加速度、声压等来评价车辆NVH性能，可以用试验分析手段得到这些客观参数。系统的动态特性或系统的响应均可作为客观参数如：静态和动态刚度、传递函数、模态频率和振型、声压级等，但是NVH问题最终应该由主观评价来完成。客户通过直接接触来体验感觉车辆情况，客户的反应来自于他们的感觉、印象或是否喜欢这款车。客户往往会给出定性的描述：如感觉太硬或太吵。不同的人对同一辆车的评价往往不同，这取决于个人的背景、经历、期望、心情及其他与车辆无关的因素。从心理声学的角度来分析，无论如何，汽车总是要发出声音的；车厢的隔音措施再好，也不能把所有的声音都挡在外面。另一方面，人们也需要、或喜欢汽车发出的某些声音。因此当车辆的总体噪声水平显著降低后，人们开始愈来愈讲究他们听到的声音的“品质”；人耳是灵敏的，原本被发动机和排气管的轰鸣声、尖啸声淹盖的其他噪声，此时都显露了出来，有不少是令人不快的，有些则反映了零部件的故障。这些都对NVH的测量、分析和零部件的改进提出了更高的要求。心理声学用量化指标来反映人们对音品质“好坏”的感觉，例如响度、粗糙度、尖锐度。人是汽车产品的惟一使用者，其评价优劣是产品成败的关键所在之一，降低噪声级的同时提高声品质是车辆及其零部件质量检验的最终目标。4汽车NVH性能测试技术流程4.1 NVH性能摸底测试摸底测试的目的是考察测试结果是否和人的主观感受相吻合，尤其是在1500转左右是否有明显的共振现象。在正驾驶、副驾驶座椅及后排座椅上人的右耳处布置声传感器，在前排地板上正、副驾驶处及车身玻璃处安装振动传感器。试验工况包括：驻车状态：半油门加速（idlePOT）、全油门加速（idleWOT）。行车状态：半油门加速（POT）、全油门加速（WOT）。不论是噪声还是振动，在14001500r/min之间都存在一个最大值，并且与发动机的二阶次有关，这与对该车的主观评价相符在1500r/min左右振动强烈。在1500r/min左右，不论是驾驶员侧、副驾驶侧还是在后排座椅处，该车在50Hz左右的幅值最大。在1500r/min左右，不论是地板还是玻璃，其振动都在50Hz处取得了最大值，也就是说50Hz的频率最各处的振动影响最大。综上所述，如果一辆汽车在主观上感觉低转速时振动噪声较大，是因为该车在14001500r/min区间的噪声和振动都出现了峰值，并且与发动机的二阶次关联最大。50Hz是对噪声和振动影响最大的频率，也处在引起人主观感觉不舒适的主要频率带内（20Hz200Hz）。4.2传递路径分析4.2.1传递路径分析基本原理汽车内部噪声和振动现象，往往是由多个激励，经由不同的传递路径抵达目标位置后叠加而成的。当今汽车工业新产品研发过程中，为了进一步优化整车NVH性能，往往要综合考虑各个激励和传递路径的情况，传递路径分析（TPA：TransferPathAnalysis）就是一个行之有效的方法。通过传递路径分析，确定各途径流入的激励能量在整个问题中所占的比例，找出传递途径上对车内噪声起主导作用的环节，通过控制这些主要环节，如使声源的强度，路径的声学灵敏度等参数在合理的范围里，以使车内噪声控制在预定的目标值内。总体上可按结构声和空气声两种情况进行处理。在结构声情况下，激励源和目标点分属于两个不同的系统，激励源一侧的结构称为主动方，目标点一侧的结构称为受动方，一般两者在分界处（可称之为耦合点）通过某种耦合元件连接起来，具体可表现为发动机、底盘部件在车身上的支撑、铰连及橡胶轴套等。比如作为激励源的发动机为主动方，车身结构为受动方，其间的支撑为耦合元件。而目标可以是某点的声压，也可以该点某一自由度上的振动。在空气声的情况，路径上不存在耦合点，如果有N个辐射声源就形成N条传递路径。图4-2-1传递路径分析模型假设系统是线性时不变的，则车内目标点的声压或振动水平等于各激励源以工作载荷激励时沿不同路径传播到车内的能量的叠加，如图4-2-1所示。TPA的目的是研究能量在这些路径上的传播情况。进行传递路径分析的主要工作包括：（1）工作载荷的获取。对于结构声，是各耦合点处每个自由度上的工作力输入；对于空气声则是声源的体积速度/加速度。该项工作需要大量的试验数据作为输入，是TPA最繁重的部分，也直接决定分析结果的可信程度。（2）路径频响函数的获取。对于结构声，测量耦合点处每个自由度到响应位置的频响函数，测量时受动方与主动方应在各耦合点处应解耦。对空气声，测量目标点到声源的频响函数。4.2.2传递路径试验测试分析就本项目而言，从结构方面看，其振动传递主要有两个途径：一是由路面激励，经悬架系统作用在车身上；二是由发动机激励，经由发动机悬置或排气管，作用于前副车架，再最终作用在车身上。针对这两条传递路径分别布置相应的振动传感器，进行传递路径的分析。4.2.3整车NVH性能测试初步诊断结论通过摸底测试以及声振传递路径分析，在1500r/min低转速工况下的共振现象是由发动机工作产生的不平衡的力或力矩，经悬置系统传至副车架，然后引起车身振动，在车内形成声振耦合而产生共振现象。并且该发动机是直列四缸四冲程发动机，该发动机在1500r/min时二阶振动的激振频率为50Hz，由摸底测试知道，动力总成悬置系统（包括副车架）的激振频率，这是产生共振的最根本原因。4.3一般技术流程工程中经常遇到对整车NVH性能测试与诊断问题，工程人员一般都是根据自己的工程经验，对整车NVH性能做出初步诊断。这样经常导致工作效率降低，诊断结论与实际问题不一致。本章结合对某国产乘用车的整车NVH性能初步诊断，总结出对整车NVH性能测试与诊断的一般技术流程，如图3-1所示，希望对工程应用产生实际的效果。图4-3-1整车NVH性能摸底测试与诊断一般技术流程5汽车NVH控制与改善措施噪声的控制主要有主动措施和被动措施两方面。主动措施要求从噪声源头降低噪声，如改进机械结构、提高激振频率，降低发动机低速噪声，同时提高零部件的加工精度和装配质量，减少运动噪声，改善部件的悬挂系统，阻断振动传递，改进车身结构、提高刚度、提高一阶模态，减少局部模态数量等。被动措施要求要好的吸音、吸振、密封、隔音、隔振、阻尼材料。迄今为止，阻尼、吸声材料及结构在汽车噪声控制领域获得了极为广泛的应用，例如：阻尼涂层，泡沫材料，约束层阻尼结构，内饰吸声表面，以及最近出现的ABA隔热墙衬垫，等等。这些已成为改善车辆NVH性能最主要的工程处理手段。英国谢菲尔德工学院的MKLING研究了一种由钢板、泡沫聚氨醋层和减振层组成的隔离层，布置在汽车驾驶室和乘客室底板底下，用以降低内部噪声，并对隔音效果进行了分析和研究。由于吸声材料对高频噪声效用明显，对低频噪声效果欠佳，降低低频噪声和低频振动是困难大、成本高的一项工程，采取主动控制降低低频噪声已成为主要研究方向。ActiveNoiseControl是近年来发展的一种全新的噪声控制方法，它可以在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级信号去控制初级信号，达到降噪的目的。20世纪80年代中期开始研究封闭空间声场的有源控制，80年代末发展了自适应有源降噪技术，可实现选择性降噪。日本尼桑公司1991年在BlueBird轿车上开始装备有源降噪系统，降低车内噪声5.6dB。1967年苏联学者ASKyazey发表了第一篇采用振动控制方法降低辐射噪声的论文，开启了ActiveVibrationControl方法，即在原有振动上用另一种振动与其叠加达到减振、隔振、吸振的目的的先河。目前美国和澳大利亚等在主动控制的研究方面处于领先地位。在NVH理论、试验验证和经验积累基础上，加强对供应商零部件质量管理，对同一车型基本型、高档型以下指标作出明确技术规定，从而真正形成设计标准化、档次明确化、达到生产一致性，来指导设计、生产、质量改进，并使客户感到物有所值，提高产品竞争力。降低NVH不只是噪声或振动的问题，是一个系统性的问题。6结语长期以来主要发达国家对汽车噪声控制问题给予了高度重视，积累了较为丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验。然而由于问题的复杂性，该领域目前仍然存在着大量的理论和技术空白，其中有许多是世界性的难题。国内汽车行业应当充分把握这一时机，在跟踪、学习国外先进技术以形成“后发优势”的同时，通过自主创新力求在短期内取得某些方面的率先突破，从而带动汽车噪声控制技术的整体跨越式发展。7参考文献1 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