1、NVH基礎(chǔ)知識分享,一、聲學(xué)相關(guān),NVH的基本概念,NVHNoise, Vibration, Harshness Noise 噪聲 主要分析頻率范圍：20Hz 5000Hz 通過頻率特性、幅值和品質(zhì)來評價 Vibration 振動 主要分析頻率范圍：0.5Hz 50Hz 通過頻率特性、幅值和方向來評價 Harshness ？ 國內(nèi)有多種翻譯，如粗糙度、平順性等，但都不是很妥貼 主要指的是由于振動噪聲的綜合影響導(dǎo)致的粗糙、刺耳和不和諧的感覺 主要與路面的激勵有關(guān) 研究頻率范圍：低頻,聲音的度量,聲壓 聲功率 聲強 聲品質(zhì),聲壓,人耳能聽到20Hz到20KHz的聲壓。人耳剛能聽到的聲音叫聽閥，很大

2、的聽起來受不了的聲音叫痛閥。 聲壓從可聽閾到痛閾，范圍很大，達到若干數(shù)量級，不便于比較 噪聲的大小用聲壓來度量，即由空氣壓力波動的幅值來度量 通常用對數(shù)表示，稱為聲壓級（dB） Pe為聲壓，單位為Pa P0=210-5Pa，為人耳對1000Hz空氣聲能感覺到的最低聲音。0dB就是210-5Pa SPLSound Pressure Level 聲壓沒有方向性，是個標量,聲壓相加,聲壓相加實質(zhì)為能量相加 能量增加1倍，聲壓增加3dB 兩個相同的聲音同時作用時，聲壓增加3dB. 聲能量降低一半，才能將噪聲降低3dB 背景噪聲低于被測噪聲10dB時，對測試結(jié)果沒有影響 比如被測噪聲70dB，背景噪聲為

3、60dB，則在有背景噪聲時測試結(jié)果為： L（70dB+60dB）=10lg(107+106)=70.4dB,聲壓相加,在有若干噪聲源同時作用時，必須對最大噪聲源進行控制才能有明顯作用，而僅對多個小的噪聲源進行控制則對總的聲壓級沒有大的影響 比如：有70dB噪聲源1個， 65dB噪聲源3個，則總聲壓級為 L（70dB+65dB+65dB+65dB） = 10lg(107+3*106.5) = 71.19dB 若將3個65dB都降低3dB，總聲壓級為： L（70dB+62dB+62dB+62dB）=10lg(107+3*106.2)= 70.6dB 若將70dB的噪聲源降低3dB，總聲壓級為： L

4、（67dB+65dB+65dB+65dB） = 10lg(106.7+3*106.5) = 69.1dB,聲功率(Sound Power),聲源發(fā)出聲音的能力通常用聲功率來表示 聲功率是指單位時間內(nèi)聲源發(fā)出的聲能量或通過某塊面積上的聲能量 聲功率是標量，同樣需要用聲功率級來表示 聲功率測試有精度較低的工程法也有精度較高的精密法，既可通過聲壓測量得到也可以通過聲強測量得到 發(fā)動機的聲學(xué)性能一般用聲功率來表達，可在距發(fā)動機表面1米的球面上通過聲壓測試來計算得到,聲強（Sound Intensity，SI）,聲強則是通過單位面積的聲功率 聲強是個矢量，能夠表達聲音傳播的方向，是描述聲場特性的一個重要

5、方法，也是測量聲功率的方法之一 聲強可通過兩個相隔一定距離的傳聲器進行聲壓測量來計算得到 聲強測量是聲場測試的有效方法之一，但通常只能對穩(wěn)態(tài)工況進行測試，如發(fā)動機的定轉(zhuǎn)速,聲品質(zhì)（Sound Quality）,僅用聲壓級不足以完全描述一個聲音 兩個相同聲級的聲音可能由于頻率結(jié)構(gòu)等因素的差異而讓人有完全不同的感覺 由于聲音遮掩效應(yīng)的存在，單頻率的純音總是比多頻率成分的聲音讓人覺得煩躁，更讓人覺得刺耳 常說的汽車轟鳴聲主要是因為在某個時刻，汽車噪聲中某個頻率的單頻聲占的絕對優(yōu)勢 變化不定，沒有規(guī)律的聲音總是會比能夠預(yù)期的聲音讓人感覺不安 波動大的聲音總是會比平穩(wěn)變化的聲音讓人覺得煩躁,聲品質(zhì)的描述

6、,在汽車噪聲評價中，主要用以下術(shù)語來描述聲品質(zhì) 響度 尖銳度 粗糙度 波動度 語言清晰度,聲壓計權(quán),不同頻率的噪聲對人的影響不一樣 同樣聲壓級的高頻聲感覺會吵鬧一些，低頻聲則感覺安靜一些 為使聲壓級更能表達人對噪聲的感受，采用了不同的計權(quán)聲壓級，如A、C、D計權(quán)。 通常所說的聲壓級都是指A計權(quán)聲壓，用dB(A)表示,與人對噪聲的感覺最接近。 A計權(quán)中以1000Hz為基準，低于1000Hz乘以小于1的系數(shù)，而大于1000Hz則乘以大于1的系數(shù) 在以低頻噪聲為主的汽車噪聲中，A計權(quán)聲壓級比不計權(quán)的聲壓級低得多 多普勒效應(yīng)：聲源相對于接收者運動時，其聲音頻率會發(fā)生變化,聲壓級結(jié)果,時間軸,分貝值軸（

7、請注意是否加權(quán)）,模擬信號：未經(jīng)數(shù)字化處理的連續(xù)信號。 數(shù)字信號：數(shù)字化的離散信號，適用于計算機處理。,信號及FFT,數(shù)字信號處理傅里葉變換,傅里葉變換（離散）,快速傅里葉變換 FFT :乃是 DFT 在計算機上實施的一種快速算法， 該算法（稱基2 算法）要求N=2 M （M=log2N）， M 為正整數(shù)。方法的基礎(chǔ)是對數(shù)據(jù)序列實行奇偶分 解，使長序列的DFT 變?yōu)槎绦蛄械腄FT,重疊,在有加窗的情況下，重疊處理能更好地利用無重疊情況下被忽視的數(shù)據(jù)。,采樣(Sample),采樣也就是將連續(xù)信號離散化，包括時間離散和幅值離散兩方面，是用計算機進行分析的必經(jīng)步驟 采樣步驟： 時間離散：按一定規(guī)則（

8、如等時間間隔）將無限時間，離散到有限的時間點上，即有限的時間點來近似地表示無限的時間 幅值離散：將量程離散為有限幅值點，一般為2的n次方個點，然后用這個尺度去量時間離散點的幅值，度量的結(jié)果作為該時間點的采樣值 時間離散和幅值離散是同時進行的,采樣示意圖,這個信號采樣后得到序列: 6,11,9,4,1,6,11,10,5,1,5,10,10,5,1,5 計算機也就是用這個序列來表示和存儲這個信號,混淆,采樣率過低會使混淆問題變得嚴重，甚至導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，如下圖所示。,采樣定理：采樣率 fs 應(yīng)大于感興趣最高頻率 fm 的二倍，即: fs 2fm,fs 2fm,fs 2fm,采樣頻率的設(shè)置,越高的

9、采樣頻率，信號的時域特征表達得越清楚，但進行頻譜分析時，相同譜線數(shù)的頻率分辨率越低 運用FFT進行頻譜分析時，得到的頻譜也是離散的，每個頻率離散點稱為一條譜線，且譜線數(shù)為2的n次方冪，譜線數(shù)越多，頻率分辨率越高 設(shè)采樣頻率為fs，則分析頻率fc= fs/2。若譜線數(shù)為1024，則頻率分辨率f= fc/1024 可以通過降低采樣頻率和增大譜線數(shù)來提高頻率分辨率,能量泄露,由于信號僅在一個采樣周期T 內(nèi)被測量，而DFT 卻假定其表征了所有時刻的值。如果一正弦波在采樣時窗內(nèi)不是整周期采樣，其結(jié)果由于邊緣的不連續(xù)性，使得能量從本來的譜線處顯著地泄漏至相鄰頻域。,泄漏是伴隨數(shù)字信號處理最嚴重的問題之一！

10、,能量泄露的解決方法,一是保證采樣周期同步于信號整周期； 二是保證在采樣周期的起點和終點處，信號的幅值均為零（該方法的實現(xiàn)通常使用加窗的方式）。,各種窗函數(shù)的選擇,漢寧（Hanning）窗 這是在對隨機信號作一般目的分析時最常采用的窗。它具有拱形的濾波特性。區(qū)分小幅值鄰近頻率的能力較低，因此不適合小信號的精確測量。 力（Force）窗 這種窗用于錘擊法模態(tài)試驗情況下的瞬態(tài)信號分析。它專用于削減激勵通道的雜散噪聲，如圖所示。在脈沖作用期間其取值為1，其余時間取值為0。 指數(shù)（Exponential）窗 這種窗也是用于瞬態(tài)信號的分析。目標是使信號在采樣周期的終點衰減到接近于零。指數(shù)窗的數(shù)學(xué)表示式為

11、et。由衰減指數(shù)可以確定在時窗的終點信號衰減的百分率。,FFT分析結(jié)果-2維頻譜圖,某車型制動噪聲的頻率分析結(jié)果,頻率軸,分貝值軸,FFT分析結(jié)果-3維頻譜圖,某車型制動噪聲的頻率分析結(jié)果,分貝值軸,頻率軸,顏色的深淺表示分貝值大小,時間軸,二、振動相關(guān),模態(tài)-,是指結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有其特定的參數(shù)：固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼、極點、留數(shù)等。如平時我們說白車身一階彎曲模態(tài)頻率為40Hz，這就指出了模態(tài)振型與固有頻率。,如圖所示，某一零部件的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為28.9Hz，阻尼比為1.01%。以上就是模態(tài)測試得出的結(jié)果。,單自由度系統(tǒng),多自由度系統(tǒng),mx+

12、 cx + kx = f (t),運動微分方程：,運動微分方程：,單自由度系統(tǒng),多自由度系統(tǒng),我們把結(jié)構(gòu)中的全部阻尼均近似為一般粘性阻尼，把上面的時間域方程變換到拉氏域（復(fù)變量p），并假定初始位移和速度為零，得拉氏域方程：,(Mp2+ Cp + K)X(p) = F(p),Z(p )X(p) = F(p),同上得：,H(p ) = Z-1(p)=,Z：動剛度,(p2【M】+ p 【C】+ 【K】)X(p) =F(p), Z(p ) X(p) =F(p),Z(p)：動剛度矩陣,傳遞函數(shù):,傳遞函數(shù)矩陣:H(p)=Z(p)-1= adjZ(p)/detZ(p),伴隨矩陣,行列式,單自由度系統(tǒng),多自

13、由度系統(tǒng),使傳遞函數(shù)分母為零的方程為系統(tǒng)特征方程，它的根，即為系統(tǒng)極點：,無阻尼固有頻率：n=k/m,臨界阻尼：c0=2mk/m=2mn,衰減系數(shù)：=c/2m= n,阻尼比：=c/c0,或,有阻尼固有頻率,sr= = =,同上系統(tǒng)極點：,p1 0 pn,p1* 0 pn*,-1+j1 0 -n+jn,-1-j1 0 -n+jn,有阻尼固有頻率,單自由度系統(tǒng),多自由度系統(tǒng),單自由度傳遞函數(shù)可以表達為：,同上：,H(p ) = Z-1(p)= = =,上式中的A1和A1*即為留數(shù)。,H(p)=Z(p)-1= adjZ(p)/detZ(p),式中的Ar和Ar*即為留數(shù)。,習(xí)題,1、考慮一個M=2kg，C=4N/(m/s),K=5000N/M的單自由度系統(tǒng)，求其 無阻尼固有頻率、阻尼比、極點、留數(shù)、傳遞函數(shù)。 2、試討論質(zhì)量、阻尼、剛度三大振動要素如何影響單自由度系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。,答案,無阻尼固有頻率：7.9577Hz 極點：-1+j49.9900rad/s 阻尼比：0.02 留數(shù)：A1=(1/M)/j2w1=-j5.001*10-3g/kg 傳遞函數(shù)：,剛度增加，頻率增加； 質(zhì)量增加，頻率減小； 阻尼增加，頻率約小，振幅大幅降低。,單點頻率響應(yīng)-,多點頻率響應(yīng)