FEV正在位于密歇根州奧本山的技術(shù)中心使用海德聲學(xué)（HEAD Acoustics）的數(shù)字人工頭進(jìn)行NVH測試。借助兩個平行的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，海德的數(shù)字人工頭可以覆蓋整個聽覺動態(tài)范圍。（FEV）

電氣化為汽車行業(yè)與NVH問題的長期斗爭帶來了新基準(zhǔn)、新工具和新挑戰(zhàn)。

NVH領(lǐng)域的專家告訴SAE，隨著汽車行業(yè)逐步向電氣化轉(zhuǎn)型，用來分析和降低NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的復(fù)雜科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入“全新疆域”。隨著電動汽車產(chǎn)品越來越多，不再屬于最初的“高端產(chǎn)品”，部件、系統(tǒng)和整車設(shè)計與工程的新挑戰(zhàn)也不斷涌現(xiàn)。工程師指出，目前汽車行業(yè)正在“瘋狂內(nèi)卷”，對降低NVH相關(guān)的新分析和測試工具開展基準(zhǔn)化和引入工作。

Pranab Saha就職的公司Kolano & Saha Engineers專門從事聲學(xué)、噪聲和振動的分析與測試，他觀察到：“行業(yè)對提升車輛聲學(xué)性能的興趣將只增不減，而且NVH技術(shù)必須始終滿足客戶的期望。他還指出，最新的一些電動汽車設(shè)計表明，行業(yè)已經(jīng)在減少NVH來源及其傳播路徑方面取得了進(jìn)展。這降低了對“補(bǔ)丁”材料的依賴度，如填入車身空腔內(nèi)的聚氨酯泡沫和噴涂在車底的乳香脂，這些材料都會增加汽車的重量、成本和復(fù)雜度。但包括Saha在內(nèi)的眾多專家并不認(rèn)為所謂的“創(chuàng)可貼”式降噪材料將被徹底淘汰。

Saha認(rèn)為：“車內(nèi)的乘員不應(yīng)該聽到底盤中電池組和電力驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出的任何噪聲，但從車外仍能聽到噪聲。有時這些噪聲會發(fā)展成質(zhì)量問題?！?/p>

雷克薩斯首款電動汽車2023 RZ的透視圖，展示了地盤的NVH處理。 （雷克薩斯）

與現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)汽車相比，客戶對電動汽車精細(xì)化程度的期望正不斷提高。在內(nèi)燃機(jī)汽車中，大約50%的NVH問題與傳動系有關(guān)，另一半主要由道路和風(fēng)噪產(chǎn)生。FEV的動力系統(tǒng)、電動汽車和車輛高級副總裁Kiran Govindswamy解釋道：“在電動汽車中，噪聲的來源更加均衡：電驅(qū)系統(tǒng)（EDU）的噪聲、中低速行駛時的路噪和高速行駛時的風(fēng)噪，往往更加明顯?！?/p>

他說：“我們可以這樣看待這些噪聲——只有客戶在車內(nèi)能聽到時，牽引電機(jī)或齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲才值得注意，而路噪和風(fēng)噪可以在一定程度上掩蓋EDU噪聲。路噪和風(fēng)噪也不是完全不好，但也不能使其過于嘈雜，讓客戶覺得這輛車做工很差?！?/p>

不斷發(fā)展的仿真技術(shù)

Govindswamy指出，在減少路噪和風(fēng)噪方面，工藝精湛的高端電動汽車通常“表現(xiàn)非常出色”，但代價是高轉(zhuǎn)速電機(jī)和齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻轟鳴聲。此外，電源逆變器也會產(chǎn)生10000 Hz左右的高頻噪聲。

EDU噪聲的三個主要來源包括：從電機(jī)外殼發(fā)出的電機(jī)本身的電磁噪聲；齒輪系統(tǒng)噪聲；以及來自軸承、液壓油和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體機(jī)械噪聲。對NVH工程師而言，確定噪聲來源及其傳播路徑并將其控制在可接受的范圍內(nèi)，這好比是一次臨床實(shí)驗。例如，F(xiàn)EV使用了基于仿真的流程開發(fā)EDU，以滿足客戶的降噪目標(biāo)。

用于測量兩種類型的車輛噪聲傳輸。 （FEV）

“‘多體系統(tǒng)仿真’技術(shù)（一種對相互關(guān)聯(lián)的多個活動部件之間的相互作用，進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)分析的技術(shù)）和有限元分析的組合可以將電磁力以及齒輪系統(tǒng)的力考慮在內(nèi)，我們使用這種技術(shù)組合對噪聲水平作出預(yù)測”。FEV正在不斷改進(jìn)預(yù)測的精度和準(zhǔn)確度以滿足客戶的目標(biāo)。Govindswamy說：“當(dāng)?shù)谝豢钤蛙囘M(jìn)入測試室時，我們就知道這離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不遠(yuǎn)了?！?/p>

專家認(rèn)為，仿真技術(shù)正在不斷發(fā)展改進(jìn)，但在相關(guān)性方面仍需完善。Saha說：“我們非常依賴仿真技術(shù)，但我認(rèn)為許多新公司（汽車初創(chuàng)公司）對其過于依賴。他們在開發(fā)末期才對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，而且他們的預(yù)測結(jié)果也可能出現(xiàn)誤差，我們甚至見過根據(jù)測量結(jié)果來調(diào)整預(yù)測的例子。我不清楚這些公司是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的?！?/p>

他指出，雖然一些正在進(jìn)軍電動汽車領(lǐng)域的老牌OEM也在使用仿真預(yù)測技術(shù)，但“他們擁有更強(qiáng)大的評估能力（經(jīng)驗）”，并能在開發(fā)早期對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證。

輕量化和仿真技術(shù)

電動卡車、大型SUV和高性能電動汽車所使用的鋰離子電池組的重量占比極高，因此，車身工程師使用輕量化材料來抵消重量。但在某些情況下，這會引起車廂的NVH問題。

Saha指出：“為了實(shí)現(xiàn)輕量化，我們使用聚合材料來代替鋼和其他金屬；使用耗散系統(tǒng)來代替屏障解耦裝置。但更輕的車身面板仍然存在振動聲學(xué)問題。乘客希望車廂更加安靜，而工程團(tuán)隊則專注于量產(chǎn)效率，在這種情況下，我們引入了不同類型的新型輕質(zhì)減振材料和其他技術(shù)?！?/p>

如何減輕由NVH和聲學(xué)部件帶來的額外質(zhì)量，這是一個需要關(guān)注的相關(guān)領(lǐng)域。Govindswamy說：“這又回到了從源頭減少噪聲的重要性的問題。我們正在進(jìn)行大量的仿真工作，非常具有挑戰(zhàn)性，但這也教會工程師如何高效地使用更輕的聲學(xué)材料?！?/p>

與其他汽車開發(fā)領(lǐng)域的情況類似，仿真技術(shù)愈發(fā)成為NVH解決方案不可或缺的一部分。VI-grade是一家NVH和車輛動力學(xué)仿真工具的制造商，該公司的產(chǎn)品管理高級主管Dave Bogema指出：“我把NVH解決方案視作一個金字塔：頂層是簽字批準(zhǔn)，底層是為了實(shí)現(xiàn)簽字目的而進(jìn)行的大量桌面工作。”NVH分析工作從桌面開始，工程師首先使用功能日益強(qiáng)大的最新款分析軟件對各種想法進(jìn)行快速處理并剔除不可行的想法；下一步是主觀感受，因為如果想要做出可靠的決策，工程師就必須親自體驗NVH。

Bogema說：“你可以在桌面上實(shí)現(xiàn)部分功能，但是物理仿真器可以讓人體驗到虛擬原型車帶來的沉浸感和真實(shí)感，這是桌面仿真無法比擬的?！?/p>

由于預(yù)測電機(jī)產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲和振動涉及多個物理學(xué)領(lǐng)域，且各領(lǐng)域之間的相互關(guān)系十分復(fù)雜，因此預(yù)測工作具有挑戰(zhàn)性。若要對電機(jī)產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲進(jìn)行精確預(yù)測，則需要對電磁學(xué)、熱力學(xué)和振動聲學(xué)分析三個學(xué)科的知識進(jìn)行整合。根據(jù)Ansys的說法，準(zhǔn)確預(yù)測聲學(xué)噪聲需要滿足四個基本條件：一個用來解釋所有相關(guān)物理學(xué)基本原理的高精度仿真解決方案；一個用來整合所有物理學(xué)基本原理的平臺；對機(jī)器設(shè)計涉及到的各種物理參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化和優(yōu)化的能力；以及用來加速實(shí)現(xiàn)仿真的高性能計算能力。

此外，車輛動力學(xué)也在許多方面與NVH息息相關(guān)，它不僅會影響虛擬原型車的評估，也會影響乘客對車輛做工優(yōu)劣的感知。因此，物理仿真工具正在不斷發(fā)展，以滿足電動汽車的各種精細(xì)化需求。

Bogema說：“在駕駛汽車時，你能同時感受到車輛的方方面面。比如涉及多個感官的運(yùn)動、振動和聲音體驗的乘坐舒適性，如果想要提高乘坐舒適性，就要把NVH和車輛動力學(xué)放在一起考慮，這樣可以提供對整體精度至關(guān)重要的可重復(fù)性和控制功能?！弊罱?，VI-grade在2023年SAE噪聲和振動大會上推出了新款緊湊型全頻譜仿真器（FSS，F(xiàn)ull-Spectrum Simulator）。緊湊型FSS可以在0.5-20 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行仿真并提供主要和次要的運(yùn)動、振動和聲音體驗。雖然沒有采用傳統(tǒng)的六足式仿真器設(shè)計，但FSS的四足設(shè)計也讓它能夠準(zhǔn)確地復(fù)制在坑洼、鵝卵石或任何其他表面行駛時產(chǎn)生的道路運(yùn)動。除了提供道路運(yùn)動外，F(xiàn)SS的振動器還可以通過方向盤和座椅產(chǎn)生高頻振動。

VI-grade還推出一款專為NVH設(shè)計的緊湊型駕駛仿真器，讓工程師能夠準(zhǔn)確地體驗NVH。它的座椅結(jié)構(gòu)允許工程師對一系列虛擬座椅設(shè)計進(jìn)行嘗試，而FSS則需要更換物理座椅。Bogema表示，專用的NVH仿真器“可以隨時改變座椅參數(shù)，讓工程師感受不同座椅之間的差異”。他說：“兩款仿真器針對不同的使用情況進(jìn)行設(shè)計：FSS在很大程度上針對乘坐舒適性；而NVH仿真器則是為了精細(xì)化調(diào)校?！?/p>

工程師也意識到他們可以在桌面上進(jìn)行交互式聲音設(shè)計，并為汽車打造不同的聲音效果，而振動功能在其中發(fā)揮了作用。Bogema說：“你真的需要在聲音設(shè)計中考慮到汽車的整體運(yùn)動嗎？也許有時并不需要?！?/p>

定制NVH組件

提高車輛精細(xì)化的門檻并非電動汽車的專利。專家表示，電動汽車和混合動力汽車的所有細(xì)分領(lǐng)域都在推動新設(shè)計和降低NVH的新方案，包括目前仍以內(nèi)燃機(jī)汽車為主的細(xì)分領(lǐng)域。不過專家指出，除非擁有極好的NVH性能，否則成本壓力會讓設(shè)計復(fù)雜的產(chǎn)品銷路不暢。

Vibroacoustic的新型、專門設(shè)計的NVH支架，用于空氣懸架硬件。（Vibroacoustic）

一直著眼于NVH的新產(chǎn)品開發(fā)，全球領(lǐng)先的汽車NVH解決方案供應(yīng)商威巴克（Vibracoustic）最近為空氣懸架供氣裝置（ASU）推出的一款新型可調(diào)節(jié)支架。如圖所示，這款簡單而精致的新型ASU擁有一塊用于減震的塑料底座（以前為鋼制）、波紋管式橡膠襯套以及減震橡膠。襯套材料的特殊特性能在滿足剛度要求的同時，抑制壓縮機(jī)產(chǎn)生的徑向和軸向勵磁。

威巴克表示，新型安裝支架比傳統(tǒng)支架更輕、更堅固，并支持在各個方向上進(jìn)行NVH調(diào)整，這是通常用于此類應(yīng)用的螺旋彈簧無法實(shí)現(xiàn)的功能。此外，波紋管式襯套設(shè)計模仿了彈簧的性能，可在低應(yīng)力下支持高位移。威巴克的工程師表示，由于橡膠化合物表現(xiàn)出的動態(tài)剛度峰值比螺旋彈簧低60%，因此橡膠材料有助于讓共振峰值保持在合理范圍內(nèi)。

據(jù)FEV的Govindswamy介紹，未來電動汽車在NVH科學(xué)和工程方面的發(fā)展關(guān)鍵是維持平衡：即在不降低車輛續(xù)航能力的同時，滿足客戶的精細(xì)化期望?！拔覀冋谂鉀Q的一個挑戰(zhàn)是在保證電機(jī)效率的前提下接受稍微高一點(diǎn)的噪聲程度，但需要車輛做出改進(jìn)以最大程度降低其對客戶的影響。而這需要進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)。”

NVH軟件仿真解決方案

在數(shù)十家NVH仿真軟件工具供應(yīng)商中，以下是我較為熟知的產(chǎn)品：

Actran

Actran是?？怂箍礎(chǔ)B（Hexagon AB，詳見下文）旗下的一款針對機(jī)械系統(tǒng)和部件聲學(xué)行為的有限元（FE）建模工具。它被廣泛應(yīng)用于解決400-1500 Hz的中頻噪聲問題，該頻率范圍的噪聲對電動汽車的設(shè)計至關(guān)重要。作為一款“開放式”工具，Actran利用現(xiàn)有的FE和CFD（計算流體動力學(xué)）仿真模型對來自電動汽車傳動系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)（車載泵、壓縮機(jī)）的噪聲源進(jìn)行研究。在通用，汽車工程師使用Actran來優(yōu)化凱迪拉克Lyric電動汽車的降噪效果。

Altair

HyperWorks仿真套件包含與NVH建模、裝配、診斷、分析和優(yōu)化有關(guān)的一系列解決方案。套件中的自定義NVH Director可以整合包括網(wǎng)格劃分、裝配、荷載設(shè)置和后處理在內(nèi)的全流程，從而實(shí)現(xiàn)NVH分析任務(wù)的自動化，以減少整車NVH的仿真時間。

Ansys

Ansys允許在概念設(shè)計階段進(jìn)行快速NVH工作流以對不同電機(jī)設(shè)計/拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的噪聲水平進(jìn)行比較，從而對各種車速下的噪聲進(jìn)行預(yù)測。借助此工具，工程師可以盡早發(fā)現(xiàn)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因，平衡電機(jī)的各種性能目標(biāo)，變更相關(guān)設(shè)計，并同時對NVH、熱力和電磁行為進(jìn)行研究。Ansys Motor-CAD集成了NVH工作流，可以為設(shè)計師提供各種力、位移和聲功率的呈現(xiàn)方式。接著可在Ansys Maxwell中生成2D和3D模型，并在Ansys Mechanical中進(jìn)行振動聲學(xué)分析。

AVL

X-FEM NVH是一個4通道采集模塊，適用于所有常見的聲學(xué)傳感器輸出類型，比如電壓、電荷和ICP/IEPE。每個通道都可以進(jìn)行單獨(dú)配置，原始信號則以高分辨率和時間同步的格式存儲為壓縮文件。AVL IndiCom或AVL Concerto的可選NVH工具箱包括最常見的NVH分析工具和在線NVH宏。

Brüel & Kj?r

Desktop NVH、SimSound、Source Path Contribution和Vsound等工具可以讓工程師為各種配置的車輛的車內(nèi)外噪聲進(jìn)行設(shè)計和評估；Insight+可以直接從CAE模型中創(chuàng)建讓NVH工程師聽到并感覺到的噪聲，以便NVH工程師全面體驗NVH數(shù)據(jù)。此外，CAE模型數(shù)據(jù)還可以與測試數(shù)據(jù)相結(jié)合，打造沉浸式的真實(shí)環(huán)境。

達(dá)索（Dassault）

其應(yīng)用廣泛的標(biāo)志性SIMULIA套件為NVH工作提供了全面的仿真工具集。

Dewesoft

在與NVH相關(guān)的工具中，Sound Quality Measurement能滿足以實(shí)證方式評估人耳如何感知不同機(jī)器產(chǎn)生的噪聲的需求。這款工具能幫助工程師確定人耳的噪聲感知方式、調(diào)整噪聲，使其讓客戶感到悅耳。

?？怂箍担℉exagon）

該公司的Romax Spectrum套件能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)傳動系的NVH仿真功能，并提供完整的、參數(shù)化的完整傳動系建模，包括齒輪和軸承的接觸面。Romax套件也提供第三方CAE工具接口，包括用于聲學(xué)的Actran、用于多體仿真的Adams、用于電磁仿真的JMAG和Maxwell、用于FE建模的Nastran以及用于車輛NVH和噪聲質(zhì)量的VI-grade。

西門子數(shù)字化工業(yè)（Siemens Digital Industries）

西門子的Simcenter套件不斷添加NVH分析工具。得益于數(shù)字孿生方案，這些工具可以準(zhǔn)確地預(yù)測車輛內(nèi)部和外部的NVH性能。