汽车(NVH)测试与分析
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汽车振动与噪声(NVH)测试与分析
华南理工大学 机械与汽车工程学院 丁 康 教授 2012年10月9日
主要内容
第一部分：汽车NVH概述
第二部分：汽车NVH测试内容
第三部分：NVH测试实例
第一部分：汽车NVH概述
1. NVH的定义 2. 必要性和意义 3. 汽车噪声法规和标准 4. 汽车NVH的分类和控制方法 5. 我国汽车NVH研发设计水平 6. 国内外汽车噪声预测理论方法
GxdB ( f ) 10log Gx ( f ) 20log Gxrms ( f )
幅值谱：
自谱：
对数谱：
信号离散引起的误差
采样
加窗
采样定理与频率混淆
采样定理为：连续的时域信号x(t)，如果其频率只分布在 有限频率区域内，即
X f 0 当 f fc
则它可由等时间间隔序列唯一确定的条件是
函数测试结果的可靠性的，只有相干函数值高（最大为 1）点
的传递才有意义。 设系统的输入函数为 x (t )，输出为 y (t )，系统的传递函数 定义为：
Y( f ) H( f ) C ( f ) jD( f ) X(f )
相干函数(凝聚函数)定义为：
rxy ( f )
G xy ( f )
倍频程
定义：
若使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率之比为2， 这样划分的每一个频程称 1倍频程，简称倍频程。如果在一个倍 频程的上、下限频率之间再插入两个频率，使4个频率之间的比
值相同（相邻两频率比值=1.26倍）。这样将一个倍频程划分为3
个频程，称这种频程为1/3倍频程。
将频谱分为若干个频段，每个频段为一个频程，以直方图表示。
结构噪声控制—车身声灵敏度
仿真 试验
车身有限元模型
车身灵敏度试验
路面噪声是路面/轮胎系统的振动经悬架系统,使车身发生振动 的车内噪声。因此车身是把悬架传递过来的振动变换为声的关键 要素设计时要尽可能地减少变换效率(即车身声灵敏度)。 车身声灵敏度是指给车体的悬架安装点加振时车室内声压。 为了使车身声灵敏度减小,常见方法是增加悬架安装点车体刚度和 优化地板等发音部分刚度和阻尼。
fs f N
X ( k ) k 0,1, 2,, N 1
fs N 直流分量： f , 2f ,,( 1) f f 2 2
理想无泄露状态下，一般时频域幅值之间有下列关系： 时域：
x(t ) Asin(2 f0t )
A Gxrms ( f ) ( f f0 ) 2 2 A Gx ( f ) ( f f0 ) 2
3. 结构声灵敏度测试分析
4. 声隔离测试分析
5. 声源识别
6. 发动机悬置性能测试分析
1、汽车NVH试验
汽车NVH试验系统
测试设施与设备
3. 数据采集系统 1. 传感器
4. 便携式计算机
2. 电荷放大器
94dB(A)
Байду номын сангаас •频谱分析
2. 测试中的信号处理
频谱分析是现代信号处理技术最基本和最常用的方法之 一，在机械、电力、图像处理、电子对抗、仪器仪表等 许多领域的生产实践和科学研究中获得极为广泛的应用。
传递函数的 H 4 估计算法：
H4 ( f )
H1 ( f ) H 2 ( f )
传递函数
激振器法
力锤法
•相干函数
某金属框架实测的传递函数实频和虚频特性
注意: 只有在幅频特性或虚频特性峰值处的频率附近的相干系数 很高(工程测试一般要求大于0.7)频率才是系统的固有频率。
某金属框架实测的传递函数幅频特性和相干函数
结构噪声控制—板件声贡献量分析
仿真
建立白车身分析模型 结构优化
仿真方法分析计算
验 证
提 高 刚 度
增 加 阻 尼
板件声音贡献量分析
轿车乘坐室内噪声是由组成乘坐室的所有板件振动引起的,车身板件的不同区 域对于乘坐室内部任意位置声压的贡献是不同的。因此在结构修改之前有必要 进行面板声学贡献度分析(PACA),以确定对乘坐室内噪声影响最大的结构板件, 这是进行乘坐室低噪声设计的重要环节和有效手段。
•FFT谱图和Order谱图
3. 结构声灵敏度测试分析
• 结构噪声和空气传播噪声相互叠加形成车内噪声。
仿真分析 结构噪声 分析方法 试验分析 相互补充
噪声源 振动源
结构传递途径
接受体 主观感受
外界激励源直接激励或传递到车身，引起车体及壁板件振动 并与车内声腔耦合而产生的车内噪声，简称为“结构声”。“结 构声”主要通过车身结构的模态匹配、声灵敏度等进行控制。
在时频域的转化关系中设：
fs
采样频率 采样点数，FFT和谱分析点数 采样时间间隔 转化为频域的频率分辨率（离散频谱 相邻两谱线间的频率间隔）
N t f
时间与频率之间存在下列关系： （1）采样频率与采样时间间隔互为反比
（2）频率分辨率
1 fs t
时域： 频域：
x(i )
i 0,1, 2,, N 1
传递函数的 H 2 估计算法：
Y ( f ) Y ( f )Y ( f ) G xx ( f ) H2( f ) X ( f ) X ( f )Y ( f ) G yx ( f )
传递函数的 H 3 估计算法：
1 H 3 ( f ) [ H 1 ( f ) H 2 ( f )] 2
原装车状态 油管连接拆除后
43.6 43.4 43.3 42.6
dB(A)
排气管连接拆除后 油管、排气管连接均拆 除后
驾驶员内耳
后排乘车内耳
排气管 采用消去法找到声 源后效果明显！
•消去法+频谱分析法
88HZ
原始状态，某试制车前座47.1dB(A),后座47.6dB(A)。88HZ频 率为燃油泵频率，该频率在前后噪声的频谱图上幅值相差不大， 前座噪声(红色)较小一些。
数据发生混淆。 根本原因：时域离散化和连续信号中具有的最高频率
成分 fmax 大于采样频率 f S 的一半。
fc f max f S 时的频率混叠现象
消除频率混淆的方法有两种: 一：提高采样频率；
二：在进行采样之前用模拟式低通滤波器 抗混滤波器
进行低通滤波。 低 通 滤 波 器 滤 波 特 征
1. NVH的定义
1 2 3
Noise （噪声）
Vibration (振动)
Harshness (声振粗糙 度)
噪声和振动的品质 主观评价
车辆NVH系统的内在关系
NVH问题产生的后果
2. 必要性和意义
(1) 汽车约有1/3的故障问题与NVH有关，而各大公司有 近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上， 中高档轿车在研发期间与NVH有关的实验量最大； (2) 汽车的NVH性能已被越来越多的用户所重视，用户 需求是企业动力 ； (3) 良好的NVH性能是汽车企业竞争力的体现，高档汽 车对NVH 性能要求很高； (4) 噪音污染是三大污染之一，国家制定法规和标准来 控制噪声的污染和对人体的危害。
可以看到整车及各子结构在某个频率或某个频率段 的声压分布，从而找到漏声严重区域。
防火墙漏声严重
后视镜
前后门 把手
5. 声源识别
•声源识别常用方法
消去法： 最常用方法
简单易行，直观性强，声源定位粗略。
覆盖法：
避免了分别运转消去法的一些部件停止转动带来 的不利影响，较高的精度，低频段由于覆盖物的 隔声效果较差，因而容易有较大的测量误差。
fu / fl 2
N
N=1: 一倍频程，简称倍频程 N=1/3: 三分之一倍频程 N=1/12: 十二分之一倍频程 …
中心频率：
带宽：
fc
fu fl
w fu fl (2
N
2
2
( N ) 2
) fc
连续频段：一个频段的上限频率是下一个频段的下限频率。
•阶次
•阶次分析实现方法
• • • • • • 目标及分解不明确 没有足够的多方案设计 不能再开发的前期发现问题 在前期不能做到与其他性能间的平衡 与D&R工程师的合作不密切 不能预测工装车NVH性能
6. 国内外汽车噪声预测理论方法
中低频 有限元法 边界元法 高频 统计能量法
第二部分：汽车NVH内容
1. 汽车NVH试验 2. 测试中的信号处理
f s 2 fc
或
t 1 2 f c
从物理意义上讲，条件如果不满足，采样频率小于信号 可能具有最大频率的 2倍，那么在此信号的一个周期内采样的
数据不超过2个，采样的离散序列不足以表现信号的周期性，
因此会产生假频或称频率混淆。
当采样频率确定后，如果信号中包含有高于采样频率一 半的频率成分，将折叠到分析频率范围内，并与该频率内的
88HZ
分离油箱后，前座噪声降为42.7dB(A)。88HZ在前座噪 声频谱图上的幅值明显降低，符合预期该频率由燃油泵 引起。
6. 发动机悬置性能测试分析
汽车动力总成悬置系统是指动力总 成与车架或车身之间的弹性连接系统， 包括汽车动力总成和悬置元件。
1）用实部和虚部表示；
2）用幅值和相位表示。
实频特性： C ( f ) 幅频特性：
虚频特性： D( f )
2 2
H( f ) C ( f ) D ( f )
相频特性： ( f
) tg [ D( f ) / C ( f )]
1
H 1、H 2、H 3、H 4 在实际计算中，传递函数有四种计算方法，称为 H1
烟雾发生器实验
在车内布置烟雾发生器，通过 转向管柱孔连接鼓风机通风管 至车内，利用鼓风机吹散车内 烟雾，观察车身各部位漏气情 况。
渗漏检测仪
通过接受置于车外的发射器发 射的超声波的声平来评估渗漏 级别。
车身隔声测量
建立车身结 构模型
车内布置声 源，调节车 内声压近似 相等
根据模型布置 测点 依次测量车外 测点处声压值
2
G xx ( f )G yy ( f )
G xx ( f )、G yy ( f ) 分别为输入和输出信号的自谱， 式中：
G xy ( f ) 为输入信号与输出信号的互谱。
在多段平均时，相干系数才有意义，相干系数 0 rxy ( f ) 1 只进行一段传递函数分析，相干系数恒为1。 传递函数两种表示法：
估计方法，其中 H 1、H 2 估计是传递函数的有偏估计，H 3、H 4估计
是传递函数的无偏估计。实际使用中， 递函数计算方法。 估计是应用最广泛的传
传递函数的 H 1 估计算法：
Y ( f ) Y ( f ) X ( f ) Gxy ( f ) H1 ( f ) X ( f ) X ( f ) X ( f ) Gxx ( f )
实际产生混频折叠方式：
第一、三、五等奇次折叠以 f S 为对称轴产生折叠。 第二、四、六等偶次折叠以零频率为对称轴产生折叠。
传递函数和相关分析
传递分析的目的是研究系统的固有特性。通过测量力和响 应，研究两者随频率变化的比例来估计系统的固有特性，主要 是研究系统的固有频率、阻尼比等。相干函数是用来检验传递
噪声源都有不同的频率特性，如发动机噪声与点 频谱分析法：火频率有关，风扇噪声与叶片数有关，进、排气 噪声与进、排气门的开闭频率有关，齿轮噪声与 基节频率有关等。
声强测试法：
声强是矢量，能区分出声波入射的方向，从而找 出噪声声源，并可测量可能声源的位置。
•消去法
46.0 45.5 45.0 44.5 44.0 43.5 43.0 42.5 42.0 41.5 41.0 43.2 43.0 44.7 45.6
3. 汽车噪声法规和标准
GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》
(M1是包括驾驶员在内不超过9座，最大质量不超过1000KG)
GB 16170—1996 汽车定置噪声限值
4. 汽车NVH的分类和控制
5. 我国汽车NVH研发设计水平
• 较国外先进水平滞后15-20年，相当于国外 90年代中期水平。国内较领先的是长安、 奇瑞等。 • 自主品牌NVH性能开发现状：
结构噪声控制—板件声贡献量分析
试验 顶棚 后背箱 高灵敏度频率
前围板
地板
车身主要板件示意图
板件声振频谱
验 证
板件结构优化和阻尼片布置 板件声振模态和贡献量分析
4. 声隔离测试分析
车内噪声 空气声(中高频)
结构声(低频)
密 封 是 关 键
相关实验方法
气密性实验
该装置用于轿车仓内漏气量测量，采用低噪声风机，抽取气 体，加注到轿车仓内，手动调节风机变频器改变空气流量， 保持一定的压力，通过空气流量计测量轿车仓内的正压泄露 量。
华南理工大学 机械与汽车工程学院 丁 康 教授 2012年10月9日
主要内容
第一部分：汽车NVH概述
第二部分：汽车NVH测试内容
第三部分：NVH测试实例
第一部分：汽车NVH概述
1. NVH的定义 2. 必要性和意义 3. 汽车噪声法规和标准 4. 汽车NVH的分类和控制方法 5. 我国汽车NVH研发设计水平 6. 国内外汽车噪声预测理论方法
GxdB ( f ) 10log Gx ( f ) 20log Gxrms ( f )
幅值谱：
自谱：
对数谱：
信号离散引起的误差
采样
加窗
采样定理与频率混淆
采样定理为：连续的时域信号x(t)，如果其频率只分布在 有限频率区域内，即
X f 0 当 f fc
则它可由等时间间隔序列唯一确定的条件是
函数测试结果的可靠性的，只有相干函数值高（最大为 1）点
的传递才有意义。 设系统的输入函数为 x (t )，输出为 y (t )，系统的传递函数 定义为：
Y( f ) H( f ) C ( f ) jD( f ) X(f )
相干函数(凝聚函数)定义为：
rxy ( f )
G xy ( f )
倍频程
定义：
若使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率之比为2， 这样划分的每一个频程称 1倍频程，简称倍频程。如果在一个倍 频程的上、下限频率之间再插入两个频率，使4个频率之间的比
值相同（相邻两频率比值=1.26倍）。这样将一个倍频程划分为3
个频程，称这种频程为1/3倍频程。
将频谱分为若干个频段，每个频段为一个频程，以直方图表示。
结构噪声控制—车身声灵敏度
仿真 试验
车身有限元模型
车身灵敏度试验
路面噪声是路面/轮胎系统的振动经悬架系统,使车身发生振动 的车内噪声。因此车身是把悬架传递过来的振动变换为声的关键 要素设计时要尽可能地减少变换效率(即车身声灵敏度)。 车身声灵敏度是指给车体的悬架安装点加振时车室内声压。 为了使车身声灵敏度减小,常见方法是增加悬架安装点车体刚度和 优化地板等发音部分刚度和阻尼。
fs f N
X ( k ) k 0,1, 2,, N 1
fs N 直流分量： f , 2f ,,( 1) f f 2 2
理想无泄露状态下，一般时频域幅值之间有下列关系： 时域：
x(t ) Asin(2 f0t )
A Gxrms ( f ) ( f f0 ) 2 2 A Gx ( f ) ( f f0 ) 2
3. 结构声灵敏度测试分析
4. 声隔离测试分析
5. 声源识别
6. 发动机悬置性能测试分析
1、汽车NVH试验
汽车NVH试验系统
测试设施与设备
3. 数据采集系统 1. 传感器
4. 便携式计算机
2. 电荷放大器
94dB(A)
Байду номын сангаас •频谱分析
2. 测试中的信号处理
频谱分析是现代信号处理技术最基本和最常用的方法之 一，在机械、电力、图像处理、电子对抗、仪器仪表等 许多领域的生产实践和科学研究中获得极为广泛的应用。
传递函数的 H 4 估计算法：
H4 ( f )
H1 ( f ) H 2 ( f )
传递函数
激振器法
力锤法
•相干函数
某金属框架实测的传递函数实频和虚频特性
注意: 只有在幅频特性或虚频特性峰值处的频率附近的相干系数 很高(工程测试一般要求大于0.7)频率才是系统的固有频率。
某金属框架实测的传递函数幅频特性和相干函数
结构噪声控制—板件声贡献量分析
仿真
建立白车身分析模型 结构优化
仿真方法分析计算
验 证
提 高 刚 度
增 加 阻 尼
板件声音贡献量分析
轿车乘坐室内噪声是由组成乘坐室的所有板件振动引起的,车身板件的不同区 域对于乘坐室内部任意位置声压的贡献是不同的。因此在结构修改之前有必要 进行面板声学贡献度分析(PACA),以确定对乘坐室内噪声影响最大的结构板件, 这是进行乘坐室低噪声设计的重要环节和有效手段。
•FFT谱图和Order谱图
3. 结构声灵敏度测试分析
• 结构噪声和空气传播噪声相互叠加形成车内噪声。
仿真分析 结构噪声 分析方法 试验分析 相互补充
噪声源 振动源
结构传递途径
接受体 主观感受
外界激励源直接激励或传递到车身，引起车体及壁板件振动 并与车内声腔耦合而产生的车内噪声，简称为“结构声”。“结 构声”主要通过车身结构的模态匹配、声灵敏度等进行控制。
在时频域的转化关系中设：
fs
采样频率 采样点数，FFT和谱分析点数 采样时间间隔 转化为频域的频率分辨率（离散频谱 相邻两谱线间的频率间隔）
N t f
时间与频率之间存在下列关系： （1）采样频率与采样时间间隔互为反比
（2）频率分辨率
1 fs t
时域： 频域：
x(i )
i 0,1, 2,, N 1
传递函数的 H 2 估计算法：
Y ( f ) Y ( f )Y ( f ) G xx ( f ) H2( f ) X ( f ) X ( f )Y ( f ) G yx ( f )
传递函数的 H 3 估计算法：
1 H 3 ( f ) [ H 1 ( f ) H 2 ( f )] 2
原装车状态 油管连接拆除后
43.6 43.4 43.3 42.6
dB(A)
排气管连接拆除后 油管、排气管连接均拆 除后
驾驶员内耳
后排乘车内耳
排气管 采用消去法找到声 源后效果明显！
•消去法+频谱分析法
88HZ
原始状态，某试制车前座47.1dB(A),后座47.6dB(A)。88HZ频 率为燃油泵频率，该频率在前后噪声的频谱图上幅值相差不大， 前座噪声(红色)较小一些。
数据发生混淆。 根本原因：时域离散化和连续信号中具有的最高频率
成分 fmax 大于采样频率 f S 的一半。
fc f max f S 时的频率混叠现象
消除频率混淆的方法有两种: 一：提高采样频率；
二：在进行采样之前用模拟式低通滤波器 抗混滤波器
进行低通滤波。 低 通 滤 波 器 滤 波 特 征
1. NVH的定义
1 2 3
Noise （噪声）
Vibration (振动)
Harshness (声振粗糙 度)
噪声和振动的品质 主观评价
车辆NVH系统的内在关系
NVH问题产生的后果
2. 必要性和意义
(1) 汽车约有1/3的故障问题与NVH有关，而各大公司有 近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上， 中高档轿车在研发期间与NVH有关的实验量最大； (2) 汽车的NVH性能已被越来越多的用户所重视，用户 需求是企业动力 ； (3) 良好的NVH性能是汽车企业竞争力的体现，高档汽 车对NVH 性能要求很高； (4) 噪音污染是三大污染之一，国家制定法规和标准来 控制噪声的污染和对人体的危害。
可以看到整车及各子结构在某个频率或某个频率段 的声压分布，从而找到漏声严重区域。
防火墙漏声严重
后视镜
前后门 把手
5. 声源识别
•声源识别常用方法
消去法： 最常用方法
简单易行，直观性强，声源定位粗略。
覆盖法：
避免了分别运转消去法的一些部件停止转动带来 的不利影响，较高的精度，低频段由于覆盖物的 隔声效果较差，因而容易有较大的测量误差。
fu / fl 2
N
N=1: 一倍频程，简称倍频程 N=1/3: 三分之一倍频程 N=1/12: 十二分之一倍频程 …
中心频率：
带宽：
fc
fu fl
w fu fl (2
N
2
2
( N ) 2
) fc
连续频段：一个频段的上限频率是下一个频段的下限频率。
•阶次
•阶次分析实现方法
• • • • • • 目标及分解不明确 没有足够的多方案设计 不能再开发的前期发现问题 在前期不能做到与其他性能间的平衡 与D&R工程师的合作不密切 不能预测工装车NVH性能
6. 国内外汽车噪声预测理论方法
中低频 有限元法 边界元法 高频 统计能量法
第二部分：汽车NVH内容
1. 汽车NVH试验 2. 测试中的信号处理
f s 2 fc
或
t 1 2 f c
从物理意义上讲，条件如果不满足，采样频率小于信号 可能具有最大频率的 2倍，那么在此信号的一个周期内采样的
数据不超过2个，采样的离散序列不足以表现信号的周期性，
因此会产生假频或称频率混淆。
当采样频率确定后，如果信号中包含有高于采样频率一 半的频率成分，将折叠到分析频率范围内，并与该频率内的
88HZ
分离油箱后，前座噪声降为42.7dB(A)。88HZ在前座噪 声频谱图上的幅值明显降低，符合预期该频率由燃油泵 引起。
6. 发动机悬置性能测试分析
汽车动力总成悬置系统是指动力总 成与车架或车身之间的弹性连接系统， 包括汽车动力总成和悬置元件。
1）用实部和虚部表示；
2）用幅值和相位表示。
实频特性： C ( f ) 幅频特性：
虚频特性： D( f )
2 2
H( f ) C ( f ) D ( f )
相频特性： ( f
) tg [ D( f ) / C ( f )]
1
H 1、H 2、H 3、H 4 在实际计算中，传递函数有四种计算方法，称为 H1
烟雾发生器实验
在车内布置烟雾发生器，通过 转向管柱孔连接鼓风机通风管 至车内，利用鼓风机吹散车内 烟雾，观察车身各部位漏气情 况。
渗漏检测仪
通过接受置于车外的发射器发 射的超声波的声平来评估渗漏 级别。
车身隔声测量
建立车身结 构模型
车内布置声 源，调节车 内声压近似 相等
根据模型布置 测点 依次测量车外 测点处声压值
2
G xx ( f )G yy ( f )
G xx ( f )、G yy ( f ) 分别为输入和输出信号的自谱， 式中：
G xy ( f ) 为输入信号与输出信号的互谱。
在多段平均时，相干系数才有意义，相干系数 0 rxy ( f ) 1 只进行一段传递函数分析，相干系数恒为1。 传递函数两种表示法：
估计方法，其中 H 1、H 2 估计是传递函数的有偏估计，H 3、H 4估计
是传递函数的无偏估计。实际使用中， 递函数计算方法。 估计是应用最广泛的传
传递函数的 H 1 估计算法：
Y ( f ) Y ( f ) X ( f ) Gxy ( f ) H1 ( f ) X ( f ) X ( f ) X ( f ) Gxx ( f )
实际产生混频折叠方式：
第一、三、五等奇次折叠以 f S 为对称轴产生折叠。 第二、四、六等偶次折叠以零频率为对称轴产生折叠。
传递函数和相关分析
传递分析的目的是研究系统的固有特性。通过测量力和响 应，研究两者随频率变化的比例来估计系统的固有特性，主要 是研究系统的固有频率、阻尼比等。相干函数是用来检验传递
噪声源都有不同的频率特性，如发动机噪声与点 频谱分析法：火频率有关，风扇噪声与叶片数有关，进、排气 噪声与进、排气门的开闭频率有关，齿轮噪声与 基节频率有关等。
声强测试法：
声强是矢量，能区分出声波入射的方向，从而找 出噪声声源，并可测量可能声源的位置。
•消去法
46.0 45.5 45.0 44.5 44.0 43.5 43.0 42.5 42.0 41.5 41.0 43.2 43.0 44.7 45.6
3. 汽车噪声法规和标准
GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》
(M1是包括驾驶员在内不超过9座，最大质量不超过1000KG)
GB 16170—1996 汽车定置噪声限值
4. 汽车NVH的分类和控制
5. 我国汽车NVH研发设计水平
• 较国外先进水平滞后15-20年，相当于国外 90年代中期水平。国内较领先的是长安、 奇瑞等。 • 自主品牌NVH性能开发现状：
结构噪声控制—板件声贡献量分析
试验 顶棚 后背箱 高灵敏度频率
前围板
地板
车身主要板件示意图
板件声振频谱
验 证
板件结构优化和阻尼片布置 板件声振模态和贡献量分析
4. 声隔离测试分析
车内噪声 空气声(中高频)
结构声(低频)
密 封 是 关 键
相关实验方法
气密性实验
该装置用于轿车仓内漏气量测量，采用低噪声风机，抽取气 体，加注到轿车仓内，手动调节风机变频器改变空气流量， 保持一定的压力，通过空气流量计测量轿车仓内的正压泄露 量。