NVH介绍

一：定义
汽车NVH是指汽车的Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(舒适性)。

汽车NVH研究以提高顾客的听觉、触觉、视觉等感官舒适度、改善汽车乘坐舒适性为目的，以提高车辆结构动态响应性能为手段，实现汽车的舒适性设计。

Noise(噪声)是指引起人烦躁、音量过强而危害人体健康的声音。

汽车噪音不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。

它是NVH问题中最主要的部分，常用声压级评价。

汽车噪声主要包括车身壁板产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声。

噪声是NVH问题中最主要的部分，汽车上的噪声主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声。

人耳能分辩的声音频率一般在lkHz以下，噪声常用声压和声压级评价。

国家标准规定：汽车加速行驶时车外噪声要小于88dB，M1类汽车应小于77dBN；而车内噪声会影响乘员的语言交流，损伤驾驶员的听力，美国在1965年就规定公共汽车的车内噪声不得超过88dB。

主要通过频率、级别和音质来描述。

Vibration(振动)描述的是系统状态的参量(如位移)在其基准值上下交替变化的过程。

汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、发动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆动等，还有方向盘、仪表板等振动，一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要表现为座椅、地板对人体输入的低频振动，其频率范围在1～80HZ。

主要通过频率、振幅和方向来描述。

Harshness(舒适性)指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来直接度量。

总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人感到疲劳的程度。

二：现象
车辆的NVH基本上可以分为车身NVH、发动机NVH和底盘NVH三个部分；类型可以细分为道路NVH、制动NVH、空调系统NVH、空气动力NVH等数个部分。

从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源、振动传递器和响应器组成的系统，NVH激励源主要包括发动机、动力总成、车轮和轮胎、不平路面和风等。

这些激励产生的振动、噪声经过悬架系统、车身结构系统等传递器的放大器传入车室内空腔形成声学响碰，最终表现为座椅、地板和转向盘的触觉振动，驾驶员和乘客的耳旁噪声，仪表板、后视镜的视觉振动等现象。

（燃烧的噪声、风的噪声、齿轮传动的声音、轴承的敲击声、柴油机的敲击声、遮阳顶棚的噪声、齿轮的声音、电动窗的噪声、气阀机构的噪声、门的砰的声音、变速杆换档的噪声、轮胎的噪声、FEAD噪声、中央门锁的噪声、动力传动系统的噪声、排气噪声、动力转向系统的声音、开关的噪声、动力传动系统的噪声、吱吱声和喀嚓声、燃油泵的噪声、指示器的滴答声、道路的噪声、水溅的噪声、交流发电机的噪声、挡风玻璃的噪声、撞击振动声、通风口的噪声）
整车NVH特性传递系统
整车的NVH特性的表现形式也非常的不同，主要有以下几种状态：
三：目标
汽车NVH特性研究的就是汽车振动和噪声问题，但它和以往的研究有着较大的区别。

首先，汽车NVH特性的研究是建立在大型的CAD/CAE/CAM开发分析软件基础之上的，建立的模型更加准确，更能反映原车的实际情况，日益完善的算法更加保证了计算结果的可信程度。

这也说明计算机仿真技术在车辆振动噪声研究领域中的地位已经大大提高了。

其次，汽车NVH特性的研究不仅仅局限于振动噪声的范畴，还包括汽车零部件设计以及强度和可靠性分析等内容，其中最重要的就是在高行驶里程下汽车关键零部件的磨损对NVH特性的影响以及灵敏度分析等问题。

另外，汽车NVH特性的研究应用于汽车产品的设计过程中，基本上与整个开发过程同步进行的，在分析中发现的问题可以在开发过程中及时得到修改，而不必等到生产出样车之后，从而节省了大量的时间和资金。

汽车NVH研究的最终目标：在设计阶段对汽车产品进行分析、预测和设计，建立汽车NVH设计方法、汽车整车CAE与动力学仿真分析方法、各系统(悬架、转向、制动、动力传动、排气系统)NVH设计方法，汽车内部的声品质设计、虚拟样机噪声评估技术等。

最终的汽车NVH应用研究目标：
l、建立汽车NVH正向设计分析系统，制订开发流程、设计规范、建立基础数据库，建立汽车NVH正向设计软件系统等。

2、研究汽车噪声振动控制施工工艺，建立汽车减振降噪的工艺方法，形成车内噪声的主动与半主动控制方法体系，建立吸声隔声材料与阻尼材料库。

3、研究汽车噪声振动测量分析试验技术，建立测试分方法、试验技术、试验规范等。

四：NVH性能评价参数
NVH最重要的衡量标准是顾客的反应。

然而，很难用语言描述来表达顾客的偏爱，所以，建立一些客观评价的状态参数是很重要的。

NVH评价状态参数表
1、声品质
一个产品的声品质是指它带给人特有的听觉感受。

声品质包括响度、音色、音调、锐度、纯音度、声音的调制和语音清晰度等方面的指标。

响度是指人对声音的主观感受。

锐度是指高频部分与低频成分的比值，如果高频的成分多，声音的锐度高。

当某个频率的声音掩盖了其他频率的声音且听得非常清楚，则称其为纯音。

声品质是一种主观感受。

人们说一个产品的声品质好是指该声音不让人烦恼，而声品质坏是指噪声使人不舒服并让人有烦恼的感觉。

汽车NVH操作条件列表
2、主观评价与定级评分
主观评价是顾客对车内噪声、振动和舒适性的直观感觉，感觉声音是安静还是吵闹，是和谐还是刺耳，感觉振动大小和舒适性。

内NVH的主观评价指标包括主观定级和声品质。

主观定级评分是人为地把噪声或者振动分成l0个级别。

第1级表示噪声或者振动非常大，人绝对不能接受。

第l0级表示噪声或者振动非常小，以至乘客在车里面感觉不到噪声与振动的存在。

其他的8个级别介于第1级和第l0级之间，噪声振动依次从大到小。

3、客观评价
3．1车内噪声评价
车内噪声评价反映了一部汽车整体噪声与振动水准，所以又叫整车评价。

内噪声
的评价包括噪声量级的大小和声品质。

发动机的振动与噪声是与阶次密切相关的，因此车内噪声也是由不同阶次组成。

如果知道了子振动级或者噪声级与转速和频率的关系，阶次曲线也就确定了，这对于寻找噪声源就非常有帮助。

还有一些噪声是与转速没有关系的。

若这个噪声的频率不随转速而变化，那么很可能是由共振引起的噪声。

如果这个噪声杂乱无章，那么这个噪声很可能是摩擦噪声。

3．1．1怠速和加速的声音评价
声压或者声功率是频率的函数，求出所有频率下的声压或者声功率的均方根值，然后得到其声压级或者声功率级。

这种声级用来作为怠速时声音的评价指标。

3．1．2语音清晰度
语音清晰度是Beranek提出来的。

这个参数描述了在噪声环境下说话的清晰程度。

语音清晰废是用百分数来表示，100％表示说话完全听得清楚，0％表示说话完全听不清楚。

说话的声音有它的频谱。

这个频谱是用l、3倍频程来表示。

3．2整车振动的评价
3．2．1人体对振动的反映特性
乘坐质量(Ride quality)是车内振动最主要的衡量指标。

各种振动源将振动传递到座椅、方向盘和地板，车内的顾客会感受到这些振动。

地板(或者是椅子的支架)的振动反应了车体本身的特性，同时又是对椅子的振动输人。

椅子的振动与地板的输人和椅子的结构特征有关12]。

所以知道这些结构的振动特性对提高人体的舒适性非常重要。

人体各个部位对振动敏感频率是不一样的。

手的敏感频率是8-16 Hz。

坐着的时候，各个方向的敏感频率不同：在垂直方向为4-8 Hz，而在横向为1-2Hz。

3．2．1．1怠速和加速的振动评价指标
人体在4-8 Hz之间对垂向振动最为敏感。

在8 Hz以上，敏感度随频率的增加而减小。

如果加速度曲线在频域内从8 Hz开始积分，那么得到的速度曲线将是一条水平线。

发动机的激振频率大于8 Hz，因此用速度来评价振动的响应比加速度更方便。

3．3系统和零部件性能评价
在开发的初期，车内噪声与振动指标确定后，这个指标就分解到各个系统和零部件。

在以后的开发过程中，所有系统和零部件的开发就是以车内指标为中心进行的。

比如车内噪声分解到排气系统，排气系统就设立排气尾管的噪声指标、辐射噪声指标、消声器的传递损失指标和挂钩传递力的指标等。

能否达到系统和零部件的噪声与振动指标就完全取决于汽车公司和供应商的技术水平和制造能力。

这些决定了一家公司在市场上的竞争力。

3.3.1通过噪声评价
汽车在通过街道和居民区时会产生噪声。

过大的噪声会影响人们的休息和生活，于是政府颁布法规，规定当汽车通过街道时，在一定的距离内，其噪声不能超过某个标准，这就是通过噪声。

汽车高速行驶时，其噪声源有两大类：一类是汽车本身的噪声源，另一类是汽车与之接触的物体的摩擦噪声。

汽车本身的噪声源包括：进气系统的噪声、排气系统的噪声和发动机的辐射噪声。

而汽车与之接触的物体的摩擦噪声包括：车胎——路面摩擦噪声和车体一空气摩擦产生的风激噪声。

五：CAE技术在NVH设计中的应用的方法理论
研究汽车的NVH特性首先必须利用CAE技术建立汽车动力学模型，主要有以下几种比较成熟的理论和方法。

(1)多体(MB)系统动力学方法
多体系统动力学方法将系统内各部件抽象为刚体或弹性体，研究它们在大范围空间运动时的动力学特性。

在汽车NVH特性的研究中，多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。

(2)有限元方法(FEM)
有限元方法是把连续的弹性体划分成有限个单元，通过在计算机上划分网格建立有限元模型，计算系统的变形和应力以及动力学特性。

由于有限元方法的日益完善以及相应分析软件的成熟，使它成为研究汽车NVH特性的重要方法。

一方面，它适用于车身结构振动，车室内部空腔噪声的建模分析；另一方面，与多体系统动力学方法相结合来分析汽车底盘系统的动力学特性，其准确度也大大提
高。

在汽车噪声问题中，声学有限元法主要用于分析汽车结构振动引起的车内噪声问题。

声学有限元法是用有限单元将声传播的空气域如汽车的内部空间离散化，根据声学波动方程求解空气域中的声特性。

通常，使用结构有限单元将声传播空气域周围的结构振动进行离散化，同时考虑结构一空腔耦合问题求解，在解得结构振动的同时，也解得空气中的声传播。

为了求解其中的结构振动一声学耦合问题，空气动力方程和空气连续性方程在一定条件下都转化为声学波动方程。

(3)边界元方法(BEM)
与有限元方法相比，边界元方法降低了求解问题的维数，能方便地处理无界区域问题，并且在计算机上也可以轻松地生成高效率的网格，但计算速度较慢。

对于汽车车身结构和车室内部空腔的声固耦合系统也可以采用边界元法进行分析，由于边界元法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点，因此正在得到广泛的应用。

北美汽车工业界经常使用的边界元商业软件包括SYSNOISE和COMET／ACOUSTICS。

边界元网格划分可以通过软件自动生成。

常用的网格包括四边形和三角形单元。

单元的阶次可以是线性，也可以是二次单元。

(4)统计能量分析(SEA)方法
以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析(SEA)方法是将系统分解为多个子系统，研究它们之间能量流动和模态响应的统计特性。

它适用于结构、声学等系统的动力学分析。

对于中高频(300HZ)的汽车NVH特性预测，如果采用FEM 或BEM建立模型，将大大增加工作量而且其结果准确度并不高，因此这时采用统计能量分析方法是合理的。

计能量分析作为一种分析方法，其更重要的作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不同设计对车内噪声的相对影响。

统计能量分析模型一旦通过验证，就可以精确描述这种微小的噪声性能变化，体现出分析方法的应用阶值。

NVH特性分析方法
六：汽车NVH系统的仿真分析
利用CAE进行汽车低频NVH特性分析时，一般采用有限元方法和多体系统动力学方法相结合预测车身的振动和车室内的声压。

1、刚弹耦合系统的仿真分析
①分析的一般过程
汽车底盘NVH特性的研究是以多体动力学和有限元方法的仿真计算为基础的，通过仿真模似可以直接计算出大量汽车NVH特性参数，对于低频运动，车身、轮毂、车桥和车架可以视为刚体，彼此之间用理想铰链连接并由弹簧，减振器等元素约束，利用MSC/ADAMS等多体软件可以直接建立整车模型并分析求解。

试验表明：利用多体系统动力学车模型对40Hz以下NVH特性的模拟非常准确。

但对于较高频率(40Hz～200Hz)的NVH特性研究，由于车身、车架模态的影响，系统既包括大范围的运动又含有小范围的变形，采用单一的理论方法建立模型非常困难，一般采用刚体、弹性体(也称为柔体)相结合的建模方法，既刚弹耦合方法。

②模型的建立与仿真分析在建立刚弹耦合模型时，由于有限元模型的自由度数目巨大，因此必须利用部件模态综合等方法对其进行动力缩减，在MSC．Nastran 软件中是通过超单元(Superelement)分析实现的。

MSC、ADAMS／Flex模块可以将有限元分析时生成的超单元模型转换为模态中性文件(MNF)，它由柔体的模态组成，包含着模态频率、模态坐标、模态转换矩阵、模态质量以及模态刚度矩阵等所有的模态信息。

MSC．ADAMS直接调用MNF生成柔体元件并将它连接到多体系统动力学模型中就可以生成系统的则弹耦合模型。

2、声固耦合系统的仿真分析
在车型的开发过程中，车身的NVH模型是逐渐细化的，从概念阶段到设计完善再到最后的审批，单元、节点的数目从l万可以发展到十几万甚至几十万。

在此期间，汽车内部的噪声预测是通过对车身结构和封闭空腔之间声固耦合(Fluid---Stmeture—Interaction)作用的模似得到的。

其数学模型必须能够反映出车身结构和车室内空气的动力学特性以及两者在边界上的相互作用，采用有限方法可以有效地解决这一问题。

①模型的建立
通过对声学和结构力学平衡方程式的类比，可以发现流体压力相当于结构位移，流体的体积模量相当于结构材料密度的倒数，而流体密度则相当于结构的弹性模量的倒数。

这说明如果声学空腔用结构实体单元建立模型，只要材料的平衡方程式得到节点X方向的位移就是空腔中该节点的压力。

利用MSC．Msstran建立声固耦合模型时，车身结构模型和车室空腔声学模型是利用MSC．Patran提供的壳单元和三维实体(六面体等)单元分别建立的。

为了与车身结构模型相耦合，空腔表面的节点必须与车身结构节点全部重合。

在MSC．Nastran中利用‘'ACMODL．IDENT'’卡使两个模型中相重合的节点连接(耦合)在一起，保证它们在分析时一起运动，就得到了声固耦合系统模型。

②系统模态分析
车室空腔系统的声学特征表现为与固有频率和振型(声压分布)相联系的声学振动模态。

强迫振动下车室内部各点的总压力响应取决于各个声学模态被激励的方式，车室空腔的共振会明显增大噪声响应。

对声固耦合系统进行模态分析可以识别出系统的模态频率和振型，为预测并分析声学响应准备必须的条件。

由于耦合系统是由结构和空腔相互作用形成的，因此它的模态与结构和空腔两个系统的模态是对应的。

耦合系统的模态振型由两部分组成：结构的变形和空腔流体中声压的分布，这些模态可能是由于结构的振动引起声压分布的变化(即结构变形占主要地位)，也可能是声压变化引起结构的振动面产生的(即声压变化为主)，它们分别与结构和空腔两个系统的模态相对应。

③系统响应分析
车室内部噪声的预测是汽车NVH特性研究的重要内容。

与耦合系统的模态分析相比，计算车身壁板振动引起的车室噪声可以获得更详细的设计资料，更有利于帮助评价结构改进的效果。

分析整车刚弹耦合模型，得到的车身连接点处的力，作用于声固耦合模型中相应的结构节点处，进行瞬态响应分析，得到驾驶员耳旁噪声的声压时间历程曲线。

由于车身结构模型比较简单，没有考虑车身上减振吸声结构的作用，因此瞬态声压的幅度值比较大。

另外，人耳对噪声的频率结构比较敏感，为了详细分析噪声的影响，应进行频率响应分析。

综上所述，利用MB／FEM建立整车REC模型和车室空腔FSI模型并进行仿真分析，计算出车身振动和车室内部声压，就可以评价不同工况下汽车的NVH特性，其基本步骤如图所示。

整车低频NVH特性的研究过程
七：NVH参数采集分析软件介绍
目前用于NVH分析的软件主要有HEAD Artemis、Coinv DASP、NI公司的LabVIEW、Brlel&Kj公司的PULSE、LMS Virtual．Lab、MSC．NVHManager、VPG(Virtual Provmg Oround)虚拟试验场、SIGHTNA公司的iSIGHT-FD 2．0软件和Samrt Office等。

1.HEAD Acoustics公司的Artemis数据采集和分析软件
它具有高精度的数据采集功能：其数据采集系统——sQl_ab III的总采样频率为1280k，运用外部通道采集转速信号，通过SCIS卡进行数据传输，数据采集和数据分析采用同一套软件系统，具有24位采样分辨率。

同时具有齐全的数据分析功能：主要包括Basis(Analysis(a11)，Average，Rpm，Time)、Advanced、Order、System、Psychoacoustie、Special等分析功能。

2.DASP声学平台软件
Comv DASP声学平台是一套运行在Witidows98／Me／2000／XP平台上的多通道声学测量分析的专业软件，主要内容包括大容量声波形采集、声压测量和分析、声强测量和分析、声功率测量分析、三维声强谱和等声强线测量分析、频响曲线测量分析等，基本包含了声学测量的各项主要功能。

3.NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发平台
美国NI公司生产的LabVIEW图形化虚拟仪器开发平台能灵活方便地构建振动测试分析系统、快速准确地测量汽车NVH数据、迅速进行后处理分析、为提高汽车整体NVH水平提供强有力的支持。

LabVIEW(Laboratory Virtualinstrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

4.丹麦B＆K公司的PULSE系统
丹麦Brtiel&Kj公司是全世界最大的声学、振动测量分析仪器的研究及制造公司，拥有用途广泛的传感器、前置放大器和测量分析仪器，产品的型号种类有二千多种。

BrQel&Kj烈公司的PULSE系统是噪声振动测量领域应用最为广泛的系统之一。

在其提供的组件对象模型的基础上，基于微软COM的Automation技术用VisualC++6.0设计应用软件，实现了PULSE软件系统与微软的office程序之间的数据交换，能够自动生成测量word报告和计算结果Excel文件，使得噪
声振动测量数据的处理批量化、自动化，极大地提高了工作效率。

5.比利时LMS公司Virtual．Lab软件包
比利时LMS公司成立于1979年，LMS依据其在振动．噪声方面的特有技术服务于汽车、航天、航空领域。

LMS国际公司最新推出LMS Virtual．Lab第4A 版，即荣获大奖的功能品质工程仿真环境。

LMS Virtual．Lab可以提供集成软件包，模拟机械系统的性能属性，如结构完整性，舒适性，声音品质，系统动力学特性，操纵性和耐久性等等。

第4A版增加了一个新模块，即LMS Virtual．LabMesh Mophering(网格变形)模块，它可以帮助用户快速地将原有的有限元模型修改成新的模型，并在完整的CAD或新的有限元模型建成之前进行大量的分析。

LMS VLrtual．Lab第4A版也提高其所有集成仿真应用软件的性能和功能，包括运动学与动力学、振动噪声、内外场声学、以及耐久性等。

6.美国MTS公司的力学性能测试分析及模拟系统
美国MTS系统公司是全球最大的力学性能测试分析及模拟系统设备供应商。

其产品主要包括：动静态材料试验系统、汽车零部件及整车台架试验系统、飞机零部件及整机结构试验系统、各种类型载荷、位移及应变传感器、线性伺服马达、液压作动缸、各类伺服控制设备等。

7.美国ETA公司的VPG软件
VPG(Virtual Proving Ground)软件是ETA(Engineedng TechnologyAssociates，Inc．)在对各大汽车厂商(如FORD、GM、DAIMLERCHRYsLER、KIA等)近20年合作的过程中，积累了丰富的汽车业CAE技术服务经验而开发出的整车仿真软件。

应用范围包括汽车碰撞及安全性分析，NVH 分析，汽车耐久性分析，汽车子系统和部件分析等等。

VPG分为三个模块：VPG ／PrePost，VPG／Structure，VPG／Safety。

8.赛特达(北京)公司的iSIGHT-FD_2．0软件
iSIGHT-FD_2．0软件是一种提供流程集成和综合设计平台的软件。

可对整车及个主要部件进行设计流程自动化，获得多目标、多学科优化可靠和稳健的包括：试验设计、近似建模、设计优化、质量工程等各种方案。

它的集成能力非常突出，能识别、兼容绝大多数CAD、CAE软件，能从流程管理的角度进行控制优化。

八： CAE在NVH设计的应用
在NVH性能开发中，CAE解析是不可或缺的重要手段。

通过设计阶段的CAE 分析，可以大大缩短开发周期，节约样车阶段调校的时间和费用。

CAE的分析包括以下几个方面：200Hz以内低中频的结构声学耦合解析；基于能量统计法、用于400Hz以上的高频声压分析；用于动力总成悬置匹配设计的多刚体分析：进排气噪声分析等等。

风噪的分析方法还处于学术研究阶段。

汉高除了拥有全球网络的工程服务平台外，在中国还建立了工程设计团队，其采用V-one软件，从事声学包（Sound Package）仿真和旁路密封的仿真分析，从而实现优化设计。

汉高结构加强材料在汽车上的应用
汉高的PiFi仿真分析
1983年起，清华大学徐石安等人就开始对悬置系统进行了研究，在优化问题上以悬置处动反力幅值最小为目标函数，适当控制系统的固有频率，取得了较好的效果。

1992年，华理工大学上官文斌等人从工程实用角度出发，给出了动力总成悬置优化设计的办法，在扭矩轴坐标系中建立优化模型，以系统固有频率为目标函数，充分考虑到系统解耦、撞击中心理论应用、一阶弯曲模态节点选取等原则，并以此为约束进行优化计算，取得了良好的效果。

2003年，浙江骆氏。