如何利用仿真技术推动更出色的NVH管理

噪声、振动与声振粗糙度（NVH），是指研究和管理人类在与机器（尤其是汽车）交互时体验到的声音和振动，以及人类如何感知这些声音和振动。工程师之所以重视NVH，是因为它直接影响到客户体验，并且也会影响机器的机械耐久性。

 

NVH领域的研究是工程和心理学的结合。工程师负责预测、测量和控制噪声和振动。心理学家则通过研究心理声学，来衡量并理解人类如何感知噪声和振动。

 

NVH代表什么？

要更好地理解NVH，一个好方法是逐一考察噪声、振动和声振粗糙度在车辆上的具体表现。

 

噪声：听觉感知

噪声是指车辆内部或外部产生的不必要的声音。它可能由流经车身的风、在路面上滚动的轮胎、尖叫的制动器、近乎关闭的空调通风口发出的气流啸叫声或电机产生。音调噪声是噪声的一个子类别，其特征是具有单一频率或多个单一频率，会产生啸叫声、低鸣声、哨声或嗡嗡声。

 

振动：振源的运动状态以及人类如何通过触觉来感知它

 

振动是指任何物体的物理振荡。它会影响机器的耐久性，也可以被人类的触觉所感知。这可能包括颤抖的方向盘、怠速时抖动的电机或嘎嘎作响的手套箱门。

 

声振粗糙度：综合感知

声振粗糙度是指对声音质量的主观衡量。它关注的是哪些因素让发动机的声音听起来强劲有力、车门锁闭的声音听起来安全可靠，或者让车厢内的声音听起来宁静安稳。

 

NVH在汽车行业及其他领域的应用

尽管NVH适用于任何人机交互领域，但汽车行业在NVH的开发和应用方面处于领先地位。虽然当时的人们可能还没有将其称为NVH，但在道路被发明出来之前，早期的战车和马车就已经在处理部件嘎嘎作响和乘坐颠簸的问题了。随着时间的推移，人们增加了简单的木制弹簧、将部件绑紧并加厚了组件，以减少乘坐马车时的颠簸之苦。

 

当工程师们引入了嘈杂的发动机，并将NVH作为汽车工程的一部分时，NVH才真正开始蓬勃发展，而改善出行体验的这门技术，也随之转变为一门科学。所有主要汽车原始设备制造商（OEM）都有多个专门从事NVH研究的工程师团队，因为车内的声音和振动是驾驶体验的一部分，进而也会影响品牌印象。围绕NVH的大部分研究、技术进步、仿真工具和测试流程，都源于汽车行业对打造更安静、更愉悦驾乘体验的不懈追求。

 

不过，其他行业也同样关注与系统交互的人类是如何感知声音和振动的。一些较常见的非汽车领域NVH应用包括：

 

l 洗碗机和洗衣机等家用电器

l 吹叶机和割草机等电动草坪工具

l 飞机（尤其是客舱和驾驶舱内），以及减少机场周围因航班起降产生的社区噪声

l 电动工具和制造设备

l 风力机

 

无论在哪个行业，NVH工程的核心都在于理解噪声和振动源、传输模式以及人类对两者的感知，并努力对其进行管理，以满足法规、业务、美学、安全性和耐久性目标。工程团队会使用各种工具和流程来进行NVH分析，并支持整个产品开发团队根据需要对设计进行修改。这些工作最终有助于打造出更好的产品，并带来更佳的客户体验。

 

NVH的来源与传递路径

噪声和振动均来自车辆中机械组件发生的冲击、随机运动或周期性运动，或者是流体（通常是空气）在组件周围或内部的运动。产生振动或声音的机械运动，被称为噪声源。噪声或振动能量到达乘员的方式，被称为传递路径。工程师对两者进行研究，然后修改设计以减轻声振粗糙度——即感知到的车辆噪声和振动。车辆中NVH问题的最常见来源包括：

 

动力总成

发动机燃烧：内燃机（ICE）噪声和振动的主要来源是气缸内的燃烧。

 

机械运动与接触：内燃机中的曲轴、凸轮、气门和活塞，在滑动以及相互接触时都会产生振动。

 

电机：电动汽车（EV）电机中的周期性高频电磁载荷会产生噪声和振动，而其特征与搭载内燃机的车辆截然不同。

 

传动轴：轴承、悬置、联轴器及其他机械组件会产生噪声和振动，并在特定的临界频率下产生强烈的共振。

 

变速箱：自动变速箱和手动变速箱都会因齿轮啮合而产生噪声。

 

路面与轮胎相互作用

 

轮胎花纹：每条轮胎上独特的胎面花纹在特定速度下会产生共振，从而产生不必要的噪声。

 

路面纹理：碎石、混凝土或沥青等路面的局部纹理会引起轮胎振动，从而产生车辆噪声和振动。

 

路面不连续处：道路裂纹、凸起、伸缩缝、凹槽和坑洼会冲击轮胎，是导致乘坐粗糙度的重要来源。

 

空气动力载荷

外部湍流：湍流中的涡旋是产生不必要噪声的重要来源。车辆上的任何突出部分（如接缝、后视镜、雨刮器或立柱），都可能产生引发噪声的湍流，这通常被称为风噪。

 

空气泄漏：空气快速流过车窗或车门接缝处的微小缝隙时，会产生高频啸叫声。

 

空腔共振：打开车窗会引起车厢内的压力共振，从而产生脉动噪声。

 

排气系统：在搭载内燃机的车辆中，发动机的废气会穿过排气系统，由此产生的压力波会发生共振，从而产生振动和噪声。

 

 

辅助子系统

 

制动器尖啸：制动片与制动盘或制动鼓的摩擦会引起共振，产生明显而刺耳的尖啸声。

 

HVAC系统：加热和冷却系统中有多个噪声源，包括鼓风机噪声、管道内的啸叫声以及通风口处的湍流噪声。现代汽车的风噪和路噪均有所降低，因此其HVAC系统可能成为了主要的噪声源，尤其是对于电动汽车（EV）而言。

 

涡轮增压器：涡轮增压器的涡轮和压气机在特定转速下，会产生显著的高频噪声。

 

冷却风扇：为发动机或电池降温的皮带和风扇，通常在车辆静止甚至电机或发动机关闭时仍会运行。

 

锁扣：用于锁止车门、安全带和储物箱的机械装置，在打开或关闭时，都会产生噪声和振动。

 

执行器：现代汽车包含数十个电动执行器，当它们驱动车窗、座椅、车门锁、驻车制动器、雨刮器以及其他组件时，会发出嗡嗡声和啸叫声。

 

嗡鸣声、擦噪声与碰撞异响（BSR）：松动的车辆组件（如车身面板、扬声器格栅、饰板卡扣和隔热罩）可能会在高频下产生共振（嗡鸣声）、与其他部件摩擦（擦噪声）或撞击其他物体（碰撞异响）。

 

NVH分析中的传递路径

一旦工程师确定了振源或声源，下一步就是量化噪声和振动如何从源头传递给乘员。噪声通常通过空气传播，这种方式称为空气传导。振动能量通过固体组件传递，称为结构声传导。这一区分非常重要，因为传递路径会影响乘员感知噪声或振动的方式，并决定了工程师可以采用哪些方法来控制粗糙度。

 

 

该图展示了来自动力总成的噪声和振动如何在车身和空气中传播

 

测量NVH

汽车工程师会使用各种传感器来测量原型车和量产车中的振动和声音。然后，他们使用分析软件将测试数据转换为有用的信息。最常见的测量NVH的传感器包括：

 

l 加速度传感器：可在三个维度上同时测量随时间变化的运动，从而得出车辆上给定点的加速度的设备。

l 力传感器：放置在组件之间的仪器（通常称为载荷传感器），用于测量组件之间随时间变化的载荷。

l 扭矩传感器：测量轴中的应变，并将其转换为随时间而变化的旋转载荷的传感器。

l 应变计：测量物体表面随时间发生变形的设备。

l 传声器：测量空气压力随时间变化（即声音）的传感器。

 

激光测振仪：此类光学系统用于测量从振动表面反射回来的激光束的多普勒频移，从而得出该表面随时间变化且平行于激光束方向的位移。

 

NVH优化方法

汽车工程师有多种优化车辆噪声和振动的方法，可将声振粗糙度降至最低。汽车制造商会尝试在设计流程中尽早部署这些改进措施，因为该阶段进行设计变更的成本最低。

 

工程师会尝试消除信号、降低其能量或降低其刺耳程度。信号中各频率分量的振荡和振幅，共同决定了特定振动或噪声的特征。对各频率及其振幅的分析结果构成了频谱。某一特定频率的振动多次重复时，就会形成一个或多个可被人耳听到的音调。这些基频振动的振幅决定了声音的音量。用于描述人类感知音量的准确术语是“响度”，它可以使用心理声学中的响度指标进行估算。

 

降低振幅或改变频率的四种最常见方法是：源头改进、能量吸收、隔离和主动抑制。

 

源头改进

在应对NVH挑战时，首先应从源头上消除、降低或改变噪声或振动。如果该信号由共振引起，工程师将改变刚度或几何结构，使固有频率远离激励频率，或者在受到激励时将能量降至最低。通过更牢固地连接组件，可以减少或消除异响。为了从源头上减少音调噪声，工程师会使用节距排列设计来拓宽频率范围，或者改变转速（RPM），将频率转移到更令人愉悦的范围内。

 

能量吸收

一旦信号离开源头，工程师便会使用各种方法将其能量转化为热能，这通常是通过阻尼或吸收来实现的。一个很好的例子是使用外壳、减振器，或者在车顶饰板中使用吸音海绵，以吸收来自外部的噪声并减少车厢内部噪声的反射。吸能材料常被用于机械连接中，以吸收振动。

 

 

汽车车顶中用于吸收声波能量的工程吸声结构示例

 

隔离

汽车工程师使用的另一种方法是阻断信号的传播，而不是吸收信号的能量。设计人员利用衬套、橡胶、液压悬置和柔性接头来阻断振动在车辆中的传递。

 

主动抑制

工程师还可以采用更先进的解决方案，即在特定频率下播放经过放大的声音，这被称为主动降噪（ANC），即通过相消干涉来降低信号的振幅。相消干涉利用了一种人工信号，该信号与工程师想要减弱的信号在相位上相差180度。另一种主动抑制方法，是添加一种令人愉悦的声音，以掩蔽刺耳的噪声。

 

利用仿真推动更出色的NVH管理

产品开发领域有一句著名的格言：在早期设计阶段进行修改，成本几乎总是最低的。然而，工程师直到拥有了可以进行测试的原型车或量产车后，才能测量NVH。这正是仿真的用武之地：它能在实体部件制造出来之前，提前为设计团队提供相关信息。在大多数情况下，团队会结合使用多种类型的仿真来分析和改善NVH性能。

 

工程师首先使用结构动力学来确定NVH源和传递路径的固有振动与受迫振动响应。像Ansys Mechanical软件这样全面且高效的软件包，可以进行广泛的结构动力学仿真，包括模态分析、受迫振动、随机振动分析以及针对大型装配体（如车辆的承载式车身结构）的组件模态综合法（CMS）。

 

对于电驱动系统，仿真工程师会使用像Ansys Maxwell软件这样的通用工具，来表征由电磁力产生的振动和噪声。特别是对于电机和执行器，他们可以使用像Ansys Motor-CAD软件软件这样的专用仿真工具，来更快速地对噪声源进行建模并评估NVH改进措施。Motor-CAD软件也是一个极佳的范例，充分体现了NVH专用后处理工具如何加速仿真流程，并为工程师提供更有意义的信息。

 

他们还可以使用像Ansys Motion软件这样的工具，通过多体动力学（MBD）结构分析来评估信号传递和BSR异响。此类仿真简化了结构，将重点放在各种组件的连接方式以及它们如何进行动态运动上。针对NVH的MBD仿真，通常侧重研究车辆的悬架或传动系统。

 

 

各种形式的噪声、振动与声振粗糙度（NVH）可视化结果，均可在Ansys Motor-CAD软件中获取

 

最后，工程师会使用计算流体力学（CFD）软件（如Ansys Fluent软件）来预测和控制气动噪声。气动声学分析将流体力学与声学相结合，以预测和控制风噪。准确预测气动噪声的一个重要因素，是对湍流进行精确建模，并预测气流在何时何地从层流转变为湍流。

 

 

汽车CFD仿真中不同类型噪声与湍流关系的示例

 

一旦工程师了解了噪声和振动的来源及传递路径，他们就可以使用像Ansys Sound软件这样的工具，来试听虚拟原型构建的声学效果。工程师可以通过听音评审测试评估乘员对声音的主观感受，或者直接通过计算响度、音调特性和尖锐度等心理声学指标来估算声音引起的烦扰程度。其中，大多数指标都遵循ANSI、DIN和ECMA等标准。下一步是在仿真工具集中迭代修改设计，通过改变材料、几何结构、组件和连接方式来降低响度与声振粗糙度。

 

 

声学工程师利用声音的时频表示，对升速（Run-up）过程中的声音进行试听、分析和调整

 

除了这类工具之外，团队通常会部署Ansys optiSLang软件这样的优化平台，以应对必须在众多输入和输出之间进行权衡的复杂情况。

 

NVH的未来趋势

NVH控制领域最显著的变化，来自电动汽车的快速发展，以及对电机高频振动控制技术的不断探索。此外，由于失去了内燃机噪声的掩蔽作用，其他噪声变得更加明显，因此工程团队必须对这些突显出来的噪声进行识别和最大程度地抑制。

 

除了应对电动汽车带来的挑战之外，NVH工程的三大趋势还包括吸声、主动降噪以及主动声设计（ASD）方面的创新。业界企业正在研究新材料和新颖的制造方法（例如3D打印），以创造能够抑制或吸收声音与振动的结构。研究人员也在探索车载边缘计算的改进、传感器技术的提升以及更高效的发声装置，以便更准确地测量和减少不必要的噪声。一旦通过被动或主动手段降低了噪声，就有了创造新声音的发挥空间。例如，借助ASD，可以开发出极具未来感的声音，以提供电驱动系统高转矩的听觉反馈，或者为高级驾驶辅助系统（ADAS）报生成微妙的3D声音。电动汽车必须配备的一种主动声音是低速行驶时的外部声音，即车辆低速提示音系统（AVAS）。

 

目前最具前景的方向，是研发团队使用人工智能（AI）来理解和量化声振粗糙度，将其从一种主观感知转变为客观、可测量的指标。