1、汽車NVH特性研究綜述XXX(桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林541004)摘要：汽車的NVH性能是汽車的重要性能之一。NVH即是噪聲Noise、振動Vibration和聲振粗糙度Harshness3個英文單詞首字母的簡寫。隨著汽車市場競爭的日益激烈和人們對汽車性能的要求越來越高，汽車設計技術得到了飛快的發(fā)展。消費者對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，促使汽車設計工程師越來越重視在產品開發(fā)早期來分析預測車內噪聲性能。迄今為止，有限元方法(FEM)和邊界元方法(BEM)在車內低頻噪聲分析預測與控制中的應用取得了巨大成功。然而，這些方法并不適用于像汽車這樣復雜聲振系統(tǒng)的中高頻噪聲的分析研究。隨后

2、，統(tǒng)計能量分析方法(SEA)便應運而生，它主要解決了汽車的中高頻噪聲問題，然后可利用防聲材料來起到降噪的效果。關鍵詞：汽車NVH、噪聲、統(tǒng)計能量分析、防聲材料ASummaryofResearchonNVHCharacteristicsofAutomobileXXX(GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:NVHisoneoftheimportantperformanceofthecar.NVHistheshorthandoftheinitialsofthethreeEnglishwordsofNois

3、e,VibrationandHarshness.Asthemouthoftheautomobilemarketcompetitionincreasinglyfierceandpeopleareincreasinglydemandingonthepropertiesofautomobile,automobiledesigntechnologyobtainedfastdevelopment.Consumerstotherequirementofvehicleridecomfortisincreasing,automotivedesignengineerspaymoreandmoreattentio

4、ntoanalyzingin-carnoiseperformanceearlyinproductdevelopment.Finiteelementmethod(FEM)andboundaryelementmethod(BEM)havegotgreatsuccessinpredictionandcontroloflow-frequencyinteriornoisesofar.However,thesemethodscan'tbeusedtostudythemid-highfrequencyproblemofthecomplexacoustic-vibrationsystem.Aftert

5、hat,thestatisticalenergyanalysismethod(SEA)arises.,itismainlytosolvetheproblemofthehighfrequencynoiseinthecar,toplaytheeffectofnoisereductionbyusingacousticmaterials.Keywords:VehicleNVH,Noise,Statisticalenergyanalysismethod,Acousticmaterials0引言近年來，我國汽車工業(yè)正在快速發(fā)展，汽車保有量與日俱增，隨之產生的汽車噪聲污染問題也越發(fā)嚴重。汽車噪聲包括車外噪聲

6、和車內噪聲兩部分，其中，車外噪聲會對在外界環(huán)境中人們的口常生活和工作造成影響，已是現代社會噪聲的主要污染源之一，占到50-70%以上2;而車內噪聲將直接影響駕乘人員的乘坐舒適性、語言清晰度以及對各種信號的識別能力。經研究表明，惡劣的車內噪聲環(huán)境，會對駕駛員的身體健康造成損害，包括聽力損傷、神經衰弱等疾病，使人產生煩躁、疲勞、注意力不集中等心理變化，進而產生了行車安全隱患網。另外，由于車內噪聲給駕乘人員的感受是最直接的，因此成為評價汽車乘坐舒適性的重要指標之一4,越來越受到人們的重視，汽車乘坐舒適性的好壞不僅反映了一個國家汽車設計和汽車制造水平的高低，也是衡量汽車產品質量的重要指標之一，它會影響

7、客戶的購車取向和車型的市場競爭力，因此改善車內聲學環(huán)境，降低車內噪聲水平，已經成為各國政府和汽車制造廠共同關注的問題5。現代汽車噪聲分析與控制技術的發(fā)展目標就是要滿足以下兩點，即市場需求和法規(guī)限制。市場需求就是要滿足駕乘人員對舒適性的要求和對汽車產品品牌的認同。法規(guī)限制就是要通過立法和制定標準來限制汽車噪聲對人們生活的影響。早在上世紀60-70年代6,7,國外發(fā)達的工業(yè)國家就對汽車噪聲控制研究給予了充分的重視，如美國、日本及歐洲各國，已制定了許多標準和法規(guī)，而且每隔35年就進行一次修訂，每修訂一次，噪聲限值下降23dB。這些標準和法規(guī)的實施對汽車噪聲分析預測與控制技術的發(fā)展起到了巨大的推動作用

8、。1國內外汽車NVH的研究現狀國際上汽車NVH試驗技術的研究已經展開了數十年，國外各大汽車生產家，例如通用、福特、大眾、寶馬、奔馳、豐田等均有自己的NVH試驗室，同時許多國外零部件公司也有自己的NVH試驗室，從事零部件的噪聲振動研究。他們一方面用于滿足于自己國家或地區(qū)的噪聲法規(guī)要求（例如汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法）和汽車車內噪聲振動性能的改善，另一方面用于整車、發(fā)動機等汽車產品的NVH試驗開發(fā)。他們也都己經形成自己一套試驗流程，試驗規(guī)范、標準。現今這些大公司在噪聲振動及舒適性方面的發(fā)展大都超過了傳統(tǒng)的降低噪聲和滿足法規(guī)要求階段，他們更加注重的是聲品質的提高、聲音品牌的發(fā)展（歐洲大多數汽

9、車廠家已經開始著手），同時不斷完善相應的試驗法規(guī)以提高產品NVH性能。這些汽車生產廠家均具有多種NVH性能測試能力和測試儀器的計量試驗能力，基本上囊括汽車大多數噪聲源的測試分析。由于我國汽車行業(yè)起步晚，在汽車NVH理論研究和試驗研究領域都與發(fā)達國家該領域相差很大。懸置系統(tǒng)等進我國在20世紀末才有一些汽車生產廠家和一些研究機構對汽車一些零部件如動力總成、行相關的NVH特性研究，但是都沒有達到對整車NVH性能進行研究的高度和深度。隨著國外NVH理論研究的深入和我國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的國內汽車生產廠家開始對汽車NVH問題越來越重視，如一汽、奇瑞、江淮等汽車公司專門成立了NVH部門，并且投入

10、大量資金建了整車NVH試驗室。國內的一些研究機構在汽車NVH研究領域也都較早的開展了相關的研究工作，如合肥工業(yè)大學噪聲振動工程研究所、上海泛亞研究中心、上海同濟同捷科技股份有限公司、吉林大學汽車工程學院等8。隨著近年來我國汽車產業(yè)的飛速發(fā)展，我國汽車產業(yè)已從模仿制造階段發(fā)展到了提高產品性能階段。其中，NVH性能占有非常重要的地位9。在國家新出臺的汽車產業(yè)振興規(guī)劃中，也將汽車的NVH問題列為今后汽車行業(yè)要解決的關鍵技術問題之一，而車內噪聲又是汽車NVH性能研究的主要內容。因此，對車內噪聲分析預測與控制技術進行研究與應用，將對國產汽車的正向開發(fā)設計和汽車工業(yè)的自主研發(fā)和科技創(chuàng)新能力的提升有重要的理

11、論意義和工程實用價值，它可以提高我國自主品牌汽車技術附加值和市場競爭力。由于市場競爭的日益激烈和人們對汽車乘坐舒適性要求的提高，迫使各汽車廠商要用最短的時間和最低的成本來設計出令客戶滿意的、舒適安靜的汽車產品。伴隨計算機技術發(fā)展起來的CAE分析方法便成為現在研究汽車噪聲與振動的有利工具，并且在車內噪聲的分析預測與控制中發(fā)揮了巨大作用102常用的汽車噪聲CAE分析方法對于目前廣泛采用的車內噪聲CAE分析方法，從原理上可分為離散方法和能量方法，離散方法主要包括有限元法(FiniteElementMethod-FEM)和邊界元法(BoundaryElementMethod-BEM);能量方法主要包括

12、統(tǒng)計能量分析方法(StatisticalEnergyAnalysisMethod-SEA),下面分別加以介紹。2.1 有限元法(FEM)有限元方法是分析幾何形狀和邊界條件復雜的振動一聲學問題的有效工具之一，目前已成功地應用于對車內低頻噪聲分析預測與控制當中。在利用FEM對車內噪聲進行預測的過程中，將整個藕合系統(tǒng)分為車內聲腔系統(tǒng)和車身結構系統(tǒng)，并利用有限元方法進行離散11,得到聲腔有限元方程和結構有限元方程，將這兩式合并，便可得到聲腔一結構藕合系統(tǒng)的有限元方程式。通過對有限元方程的求解，可對車身結構與車內聲腔所組成的藕合系統(tǒng)進行結構聲腔藕合模態(tài)分析12,車內噪聲響應的靈敏度分析以及板件貢獻量分析

13、等13。這些分析結果在新車型的開發(fā)階段，對縮短開發(fā)周期、節(jié)省設計成本具有重要實際意義，對于現有產品，可以指導結構改進，從而實現對車內噪聲的有效控制。這一方法主要適用于車輛低頻聲振特性的分析研究。2.2 邊界元法（BEM）邊界元法的基本思想是將問題的控制方程轉換成邊界上的積分方程，然后引入位于邊界上的有限個單元將積分方程離散求解。與有限元方法相比，經離散化后的方程組只含有邊界上的節(jié)點未知量，因而降低了問題的維數，使求解方程的階數降低，數據準備方便，計算時間縮短。另外，邊界元法引用了問題的基本解，具有解析與離散相結合的特點，使計算精度提高。正是由于BEM方法的這些顯著優(yōu)點，使其一出現就得到了迅速的

14、發(fā)展。當采用邊界元法對包括車身結構和聲腔的整車模型進行分析計算時：首先需要知道系統(tǒng)的邊界條件，即車身結構表面的復振動速度，可通過試驗或計算獲得；其次，將利用流固藕合面的邊界條件及波動方程所推倒出的赫姆霍茲積分方程進行離散。再次，將邊界條件與離散后的赫姆霍茲積分方程聯立得到邊界元求解方程，通過計算獲得邊界表面聲壓；最后，通過赫姆霍茲數值積分得到車內聲場中任何一點的聲壓。另外，利用所建立的車身結構一聲腔的邊界元分析模型還可以進行板面聲學貢獻度分析14和聲學一結構靈敏度分析15,為車身結構設計和修改提供可靠依據。該方法同樣主要適用于車輛低頻聲振特性的分析研究。2.3 統(tǒng)計能量分析方法（SEA）在上世

15、紀60年代初期出現了用于高頻聲振系統(tǒng)分析的SEA方法，SEA方法的實質就是按照一定的原則將復雜系統(tǒng)劃分成若干個獨立的結構一聲腔子系統(tǒng)，以能量為基本變量來描述各子系統(tǒng)在外界激勵下穩(wěn)態(tài)振動中的能量損耗、能量儲存和相鄰子系統(tǒng)之間的能量傳遞。對于一個由兩個子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)如圖3.1所示，其功率流平衡方程式為pb-pltJrBit卜市蠢|子系統(tǒng)i|子系統(tǒng)2式中：仃、1AJ為子系統(tǒng)的外部輸入功率；再1為頻帶中心角頻率；昌、乃為子系統(tǒng)的內損耗因子；子球1.子敏2為子系統(tǒng)在所分析頻帶中儲存的總能量；為子系統(tǒng)間的耦合損耗因子。通過確定方程組中各系數，然后分頻段解方程組求得子系統(tǒng)在各個分析頻段的平均響應能量，再根

16、據需要轉換成振動級、聲壓級等動力學參數。P1P2圖3.1傳遞SEA模型在過去幾十年中，FEM,BEM在車內低頻噪聲分析預測與控制中得到了深入的研究和廣泛應用，并取得了很大成功。但這些CAE分析方法并不適用于復雜系統(tǒng)中高頻范圍的振動噪聲分析，其原因在于，系統(tǒng)在中高頻范圍內具有高模態(tài)密度、高模態(tài)重疊度和短的波長等特點，致使確定性求解非常困難，且伴有龐大計算量。而這些限制FEM,BEM在中高頻范圍內應用的因素正是應用SEA方法的前提條件，因此，在國外汽車行業(yè)中已將SEA方法應用到了產品的開發(fā)設計中，目前在我國SEA方法在汽車行業(yè)中的應用還處在初級階段。圖3.2展示了FEA,BEM和SEA方法的適用頻

17、帶：SEA圖3.2FEA、BEM和SEA方法的應用頻帶3SEA方法的發(fā)展及其在汽車噪聲控制中的應用3.1 SEA方法的發(fā)展統(tǒng)計能量分析方法是一種新發(fā)展起來的聲振分析方法，被公眾接受和使用也只有二三十年的歷史，但對其研究早在上世紀60年代就開始了。在1960年前后開展統(tǒng)計能量分析研究的是美國麻省理工學院的R.H.Lyon和G.Manikin等學者，他們受到之前A.Powell和E.Skudrzyk所提出的統(tǒng)計思想的影響和室內聲學與統(tǒng)計熱力學的啟發(fā)，認為使用統(tǒng)計能量分析方法可以有效解決復雜聲振系統(tǒng)的中高頻動力學問題，并于1962年發(fā)表了一篇在聲振領域引起巨大轟動的論文，在文中首次推導出了兩個獨立的

18、受隨機激勵的弱藕合線性保守振子間的功率流動與兩個振子的平均能量差成正比，它為SEA方法奠定了的理論基礎。在隨后的幾年里，R.H.Lyon總結了至1962年以來統(tǒng)計能量分析方法的研究和應用成果，并對統(tǒng)計能量分析方法未來的研究問題進行了探索，并出版了一部關于SEA方法的權威性著作16.在1975年到1980年期間，統(tǒng)計能量分析應用發(fā)展較為緩慢，主要原因在于：很難通過采用理論方法獲得復雜動力學系統(tǒng)的SEA參數。它是經典SEA理論的局限性，即需要滿足保守系統(tǒng)、弱藕合條件的基本假設，使實際工程應用受到了限制。為此，國內外的學者在這些方面做了大量的研究工作，并取得了顯著的效果，使SEA方法的限制條件得到了

19、放寬，從保守系統(tǒng)到非保守系統(tǒng)，從弱藕合到強藕合，其應用范圍也得到了擴展。隨著SEA理論的進一步完善及航空航天工業(yè)對中高頻聲振環(huán)境預測的迫切需要，之后國外相繼出現了基于SEA理論的計算機分析軟件。1995年北京理工大學的姚德源和王其政在吸收了R.H.Lyon著作的精華及那以后近二十年的研究成果編寫了統(tǒng)計能量分析原理及應用一書，該書成為國內關于SEA方法的第一本專著，從而奠定了SEA方法在國內發(fā)展和應用的基礎。3.2SEA方法在汽車噪聲控制中的應用車身結構和車內聲腔所組成的系統(tǒng)是一典型的復雜結構聲振系統(tǒng)，利用SEA方法可對車內中高頻噪聲進行有效預測，并且已在實踐中得到了證實。1983年VCole等

20、人將運輸車駕駛室噪聲環(huán)境模擬成一個密封方盒模型的聲傳遞，用SEA方法進行了聲級衰減量的理論預估與試驗17。1985年，GD.Richard將越野車簡化成一系列板、梁、桿和聲腔等理想動態(tài)子系統(tǒng)的結合體，通過計算各子系統(tǒng)間的功率流，以確定影響車內噪聲的主要激勵源18。從此，開始了SEA方法在車輛噪聲領域的應用。國外的許多研究機構和汽車企業(yè)取得了很多研究成果。福特公司為了對汽車應用新材料實現輕量化，同時不影響汽車內部噪聲水平，建立了整車聲振系統(tǒng)的SEA模型，通過仿真分析獲得了多種設計方案13。日本豐田汽車公司建立了描述道路噪聲和振動通過空氣以及結構傳遞到車內的SEA模型14。LEAR公司通過統(tǒng)計能量

21、分析方法，對汽車整體噪聲水平進行優(yōu)化，同時開發(fā)一系列用于噪聲控制的產品。戴姆勒克萊斯勒公司的NVH實驗室采用SEA方法把對噪聲和內飾材料的設計與分析提前到產品開發(fā)初期，不僅降低了產品的開發(fā)成本和周期，且獲得了好的聲學性能。SEA方法在車輛噪聲領域的應用，主要分為在產品開發(fā)早期和對已有車型的改進兩個方面：(1) SEA方法應用于車輛產品開發(fā)早期SEA方法有很強的適用性，可應用于汽車的聲振設計，并適合于對未定型車的聲振特性分析、成本核算的最終確定。在產品開發(fā)早期的評價階段，SEA方法可以對不同的材料、成本、重量等要求作出對比評價，以適應在汽車聲學性能方面高性價比的設計要求。這樣可以避免由于對車身聲

22、振特性不切實際的要求而帶來的時間和成本上的浪費，并可以給后續(xù)的研發(fā)提供進一步的信息19。(2) SEA方法應用于已有車型的改進針對已有車型的改進，SEA方法可用于優(yōu)化車內聲腔的聲振特性20,以及用于轎車結構部件(如車門)的設計優(yōu)化21,和車身的安全系統(tǒng)的設計優(yōu)化等22。綜合運用FEM和SEA方法，可對車內噪聲性能的改進作出較好的評估25。這種FEM和SEA相結合的方法，也可以用于車身局部聲振特性的評彳23,24。由于已有車型的數據比較完整，綜合運用FEM仿真數據和一些試驗測量數據，能夠較大地提高SEA方法的建模與仿真分析精度。實車的試驗測量對于用SEA方法分析和控制車內噪聲，能夠發(fā)揮很大的作用

23、。例如，實車試驗測量動力總成對車身結構的振動激勵和動力總成的聲輻射激勵4結論1）在汽車產品設計開發(fā)初期，建立汽車的SEA模型，對汽車的聲學包裝進行設計，并對車內噪聲水平進行預測，能夠縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本；但SEA方法只能對中高頻噪聲進行分析預測，并不適用于低頻噪聲預測。2）國外許多學者和公司都在致力于研究全頻段噪聲分析、預測方法，使用SEA、FEA和BEA相結合的方法，可擴展SEA的適用頻率范圍。3）能量有限元方法是近幾年新發(fā)展起來的一種高頻結構噪聲預測方法，是SEA方法的拓展，可以提高高頻SEA方法預測的精度，由于能量有限元方法尚處在起步階段，有待于做進一步深入的研究工作。參考文獻1樊月珍

24、.汽車運動噪聲研究現狀及展望J.交通科技與經濟，2008,46:58592翁海蓉.汽車車內噪聲控制技術研究進展田J.機械管理開發(fā)，2008,24(2):133王寶卓.汽車噪聲對駕駛員聽力損傷的調查分析J.錦州醫(yī)學院學報，2005,02:754張靈聰，王正國等.汽車駕駛疲勞研究綜述J.人類工效學，2003,09(01):39425李洪亮，丁渭平等.汽車噪聲控制技術的最新進展與發(fā)展趨勢J.汽車技術，2007,04:146吳冰萍.汽車噪聲法規(guī)和NVH研究方法的發(fā)展及現狀J.汽車與配件，2009,31:28297劉宗巍.車內噪聲聲品質建模分析與自適應主動控制研究D.吉林大學汽車學院，2007,068韓

25、曉峰.幾種汽車NVH試驗方法研究D.合肥工業(yè)大學，2008,059盧曉莉，劉曉晴等.車內噪聲產生機理及降噪措施J.客車技術與研究，2009,01:414410李在偉.利用計算機仿真技術進行汽車聲學特性分析J.江南大學學報(自然科學版)2007,6(02):197-19911宋繼強.商用車駕駛室內中高頻噪聲的分析預測與控制D.吉林大學汽車學院，2010,1212惠巍，劉更等.車內噪聲預測與面板聲學貢獻度分析J.噪聲與振動控制，2006.5:626613靳曉龍|等.車身板件振動聲學貢獻的計算機模擬J.汽車工程，2000.22,4:236-23914劉鵬，劉更等.有限元/邊界元方法在卡車駕駛室聲學分

26、析中的應用J.振動與噪聲控制，2005.3:252815白楊，汪鴻振.聲學一結構設計靈敏度分析田.振動與沖擊，2003,22,03:43-4516 RichardH.Lyon.StatisticalEnergyAnalysisofDynamicalSystems:TheoryandApplicationsM.London:CambridgeMassachusetts.197517 ColeV,CrockerMJ,RajuPK.TheoreticalandExperimentalStudiesofNoiseReductionofAnIdealizedCabinEnclosureJ.NoiseControlEngineeringJournal,May-June,1983,120:12218 RichardGD.AStudyofVehicleInteriorNoiseUsingStatisticalEnergyAnalysisC.SurfaceVehicleNoiseandVibrationConferenceProceedings,MiamiUSA,1985.519 ChadwyckTM.SoundPackagePerformance,Weight,andCostOptimiz