FEV正在位于密歇根州奧本山的技術中心使用海德聲學（HEAD Acoustics）的數(shù)字人工頭進行NVH測試。借助兩個平行的模數(shù)轉換器，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、新工具和新挑戰(zhàn)。

NVH領域的專家告訴SAE，隨著汽車行業(yè)逐步向電氣化轉型，用來分析和降低NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的復雜科學已經(jīng)進入“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相關的新分析和測試工具開展基準化和引入工作。

Pranab Saha就職的公司Kolano & Saha Engineers專門從事聲學、噪聲和振動的分析與測試，他觀察到：“行業(yè)對提升車輛聲學性能的興趣將只增不減，而且NVH技術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展。這降低了對“補丁”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、成本和復雜度。但包括Saha在內(nèi)的眾多專家并不認為所謂的“創(chuàng)可貼”式降噪材料將被徹底淘汰。

Saha認為：“車內(nèi)的乘員不應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)燃機汽車相比，客戶對電動汽車精細化程度的期望正不斷提高。在內(nèi)燃機汽車中，大約50%的NVH問題與傳動系有關，另一半主要由道路和風噪產(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，牽引電機或齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲才值得注意，而路噪和風噪可以在一定程度上掩蓋EDU噪聲。路噪和風噪也不是完全不好，但也不能使其過于嘈雜，讓客戶覺得這輛車做工很差。”

不斷發(fā)展的仿真技術

Govindswamy指出，在減少路噪和風噪方面，工藝精湛的高端電動汽車通?！氨憩F(xiàn)非常出色”，但代價是高轉速電機和齒輪系統(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：從電機外殼發(fā)出的電機本身的電磁噪聲；齒輪系統(tǒng)噪聲；以及來自軸承、液壓油和轉向系統(tǒng)的整體機械噪聲。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。

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（一種對相互關聯(lián)的多個活動部件之間的相互作用，進行動態(tài)系統(tǒng)分析的技術）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)，我們使用這種技術組合對噪聲水平作出預測”。FEV正在不斷改進預測的精度和準確度以滿足客戶的目標。Govindswamy說：“當?shù)谝豢钤蛙囘M入測試室時，我們就知道這離實現(xiàn)目標不遠了?！?/p>

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

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

輕量化和仿真技術

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問題。乘客希望車廂更加安靜，而工程團隊則專注于量產(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?！?/p>

如何減輕由NVH和聲學部件帶來的額外質(zhì)量，這是一個需要關注的相關領域。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材料?！?/p>

與其他汽車開發(fā)領域的情況類似，仿真技術愈發(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，底層是為了實現(xiàn)簽字目的而進行的大量桌面工作?！盢VH分析工作從桌面開始，工程師首先使用功能日益強大的最新款分析軟件對各種想法進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感，這是桌面仿真無法比擬的?！?/p>

由于預測電機產(chǎn)生的聲學噪聲和振動涉及多個物理學領域，且各領域之間的相互關系十分復雜，因此預測工作具有挑戰(zhàn)性。若要對電機產(chǎn)生的聲學噪聲進行精確預測，則需要對電磁學、熱力學和振動聲學分析三個學科的知識進行整合。根據(jù)Ansys的說法，準確預測聲學噪聲需要滿足四個基本條件：一個用來解釋所有相關物理學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基本原理的平臺；對機器設計涉及到的各種物理參數(shù)進行參數(shù)化和優(yōu)化的能力；以及用來加速實現(xiàn)仿真的高性能計算能力。

此外，車輛動力學也在許多方面與NVH息息相關，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和車輛動力學放在一起考慮，這樣可以提供對整體精度至關重要的可重復性和控制功能。”最近，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)進行仿真并提供主要和次要的運動、振動和聲音體驗。雖然沒有采用傳統(tǒng)的六足式仿真器設計，但FSS的四足設計也讓它能夠準確地復制在坑洼、鵝卵石或任何其他表面行駛時產(chǎn)生的道路運動。除了提供道路運動外，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設計的緊湊型駕駛仿真器，讓工程師能夠準確地體驗NVH。它的座椅結構允許工程師對一系列虛擬座椅設計進行嘗試，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行設計：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化調(diào)校?！?/p>

工程師也意識到他們可以在桌面上進行交互式聲音設計，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計中考慮到汽車的整體運動嗎？也許有時并不需要。”

定制NVH組件

提高車輛精細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分領域都在推動新設計和降低NVH的新方案，包括目前仍以內(nèi)燃機汽車為主的細分領域。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計復雜的產(chǎn)品銷路不暢。

Vibroacoustic的新型、專門設計的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)，全球領先的汽車NVH解決方案供應商威巴克（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行NVH調(diào)整，這是通常用于此類應用的螺旋彈簧無法實現(xiàn)的功能。此外，波紋管式襯套設計模仿了彈簧的性能，可在低應力下支持高位移。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科學和工程方面的發(fā)展關鍵是維持平衡：即在不降低車輛續(xù)航能力的同時，滿足客戶的精細化期望?！拔覀冋谂鉀Q的一個挑戰(zhàn)是在保證電機效率的前提下接受稍微高一點的噪聲程度，但需要車輛做出改進以最大程度降低其對客戶的影響。而這需要進行系統(tǒng)優(yōu)化才能實現(xiàn)?！?/p>

NVH軟件仿真解決方案

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

Actran

Actran是?？怂箍礎B（Hexagon AB，詳見下文）旗下的一款針對機械系統(tǒng)和部件聲學行為的有限元（FE）建模工具。它被廣泛應用于解決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計至關重要。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）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）的噪聲源進行研究。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、荷載設置和后處理在內(nèi)的全流程，從而實現(xiàn)NVH分析任務的自動化，以減少整車NVH的仿真時間。

Ansys

Ansys允許在概念設計階段進行快速NVH工作流以對不同電機設計/拓撲結構的噪聲水平進行比較，從而對各種車速下的噪聲進行預測。借助此工具，工程師可以盡早發(fā)現(xiàn)電機噪聲的產(chǎn)生原因，平衡電機的各種性能目標，變更相關設計，并同時對NVH、熱力和電磁行為進行研究。Ansys Motor-CAD集成了NVH工作流，可以為設計師提供各種力、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中進行振動聲學分析。

AVL

X-FEM NVH是一個4通道采集模塊，適用于所有常見的聲學傳感器輸出類型，比如電壓、電荷和ICP/IEPE。每個通道都可以進行單獨配置，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)外噪聲進行設計和評估；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)相結合，打造沉浸式的真實環(huán)境。

達索（Dassault）

其應用廣泛的標志性SIMULIA套件為NVH工作提供了全面的仿真工具集。

Dewesoft

在與NVH相關的工具中，Sound Quality Measurement能滿足以實證方式評估人耳如何感知不同機器產(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。

海克斯康（Hexagon）

該公司的Romax Spectrum套件能夠?qū)崿F(xiàn)電機傳動系的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，這些工具可以準確地預測車輛內(nèi)部和外部的NVH性能。