汽车NVH特性研究综述

汽车NVH特性研究综述XXX（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）摘要:汽车的NVH性能是汽车的重要性能之一。NVH即是噪声Noise、振动Vibration和声振粗糙度Harshness3个英文单词首字母的简写。随着汽车市场竞争的日益激烈和人们对汽车性能的要求越来越高，汽车设计技术得到了飞快的发展。消费者对汽车乘坐舒适性要求的不断提高，促使汽车设计工程师越来越重视在产品开发早期来分析预测车内噪声性能。迄今为止，有限元方法（FEM）和边界元方法（BEM）在车内低频噪声分析预测与控制中的应用取得了巨大成功。然而，这些方法并不适用于像汽车这样复杂声振系统的中高频噪声的分析研究。随后，统计能量分析方法（SEA）便应运而生，它主要解决了汽车的中高频噪声问题，然后可利用防声材料来起到降噪的效果。关键词：汽车NVH、噪声、统计能量分析、防声材料ASummaryofResearchonNVHCharacteristicsofAutomobileXXX(GuilinUniversityofElectronicTechnology，Guilin541004，China)Abstract:NVHisoneoftheimportantperformanceofthecar.NVHistheshorthandoftheinitialsofthethreeEnglishwordsofNoise,VibrationandHarshness.Asthemouthoftheautomobilemarketcompetitionincreasinglyfierceandpeopleareincreasinglydemandingonthepropertiesofautomobile,automobiledesigntechnologyobtainedfastdevelopment.Consumerstotherequirementofvehicleridecomfortisincreasing，automotivedesignengineerspaymoreandmoreattentiontoanalyzingin-carnoiseperformanceearlyinproductdevelopment.Finiteelementmethod(FEM)andboundaryelementmethod(BEM)havegotgreatsuccessinpredictionandcontroloflow-frequencyinteriornoisesofar.However,thesemethodscan'tbeusedtostudythemid-highfrequencyproblemofthecomplexacoustic-vibrationsystem.Afterthat,thestatisticalenergyanalysismethod(SEA)arises.，itismainlytosolvetheproblemofthehighfrequencynoiseinthecar,toplaytheeffectofnoisereductionbyusingacousticmaterials.Keywords:VehicleNVH，Noise，Statisticalenergyanalysismethod，Acousticmaterials0引言近年来，我国汽车工业正在快速发展，汽车保有量与日俱增，随之产生的汽车噪声污染问题也越发严重。汽车噪声包括车外噪声和车内噪声两部分，其中，车外噪声会对在外界环境中人们的口常生活和工作造成影响[1]，已是现代社会噪声的主要污染源之一，占到50-70%以上[2];而车内噪声将直接影响驾乘人员的乘坐舒适性、语言清晰度以及对各种信号的识别能力。经研究表明，恶劣的车内噪声环境，会对驾驶员的身体健康造成损害，包括听力损伤、神经衰弱等疾病，使人产生烦躁、疲劳、注意力不集中等心理变化，进而产生了行车安全隐患[3]。另外，由于车内噪声给驾乘人员的感受是最直接的，因此成为评价汽车乘坐舒适性的重要指标之一[4]，越来越受到人们的重视，汽车乘坐舒适性的好坏不仅反映了一个国家汽车设计和汽车制造水平的高低，也是衡量汽车产品质量的重要指标之一，它会影响客户的购车取向和车型的市场竞争力，因此改善车内声学环境，降低车内噪声水平，已经成为各国政府和汽车制造厂共同关注的问题[5]。现代汽车噪声分析与控制技术的发展目标就是要满足以下两点，即市场需求和法规限制。市场需求就是要满足驾乘人员对舒适性的要求和对汽车产品品牌的认同。法规限制就是要通过立法和制定标准来限制汽车噪声对人们生活的影响。早在上世纪60-70年代[6,7]，国外发达的工业国家就对汽车噪声控制研究给予了充分的重视，如美国、日本及欧洲各国，已制定了许多标准和法规，而且每隔3～5年就进行一次修订，每修订一次，噪声限值下降2～3dB。这些标准和法规的实施对汽车噪声分析预测与控制技术的发展起到了巨大的推动作用。1国内外汽车NVH的研究现状国际上汽车NVH试验技术的研究已经展开了数十年，国外各大汽车生产家，例如通用、福特、大众、宝马、奔驰、丰田等均有自己的NVH试验室，同时许多国外零部件公司也有自己的NVH试验室，从事零部件的噪声振动研究。他们一方面用于满足于自己国家或地区的噪声法规要求(例如汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法)和汽车车内噪声振动性能的改善，另一方面用于整车、发动机等汽车产品的NVH试验开发。他们也都己经形成自己一套试验流程，试验规范、标准。现今这些大公司在噪声振动及舒适性方面的发展大都超过了传统的降低噪声和满足法规要求阶段，他们更加注重的是声品质的提高、声音品牌的发展(欧洲大多数汽车厂家已经开始着手)，同时不断完善相应的试验法规以提高产品NVH性能。这些汽车生产厂家均具有多种NVH性能测试能力和测试仪器的计量试验能力，基本上囊括汽车大多数噪声源的测试分析。由于我国汽车行业起步晚，在汽车NVH理论研究和试验研究领域都与发达国家该领域相差很大。我国在20世纪末才有一些汽车生产厂家和一些研究机构对汽车一些零部件如动力总成、悬置系统等进行相关的NVH特性研究，但是都没有达到对整车NVH性能进行研究的高度和深度。随着国外NVH理论研究的深入和我国汽车行业的飞速发展，越来越多的国内汽车生产厂家开始对汽车NVH问题越来越重视，如一汽、奇瑞、江淮等汽车公司专门成立了NVH部门，并且投入大量资金建了整车NVH试验室。国内的一些研究机构在汽车NVH研究领域也都较早的开展了相关的研究工作，如合肥工业大学噪声振动工程研究所、上海泛亚研究中心、上海同济同捷科技股份有限公司、吉林大学汽车工程学院等[8]。随着近年来我国汽车产业的飞速发展，我国汽车产业已从模仿制造阶段发展到了提高产品性能阶段。其中，NVH性能占有非常重要的地位[9]。在国家新出台的《汽车产业振兴规划》中，也将汽车的NVH问题列为今后汽车行业要解决的关键技术问题之一，而车内噪声又是汽车NVH性能研究的主要内容。因此，对车内噪声分析预测与控制技术进行研究与应用，将对国产汽车的正向开发设计和汽车工业的自主研发和科技创新能力的提升有重要的理论意义和工程实用价值，它可以提高我国自主品牌汽车技术附加值和市场竞争力。由于市场竞争的日益激烈和人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，迫使各汽车厂商要用最短的时间和最低的成本来设计出令客户满意的、舒适安静的汽车产品。伴随计算机技术发展起来的CAE分析方法便成为现在研究汽车噪声与振动的有利工具，并且在车内噪声的分析预测与控制中发挥了巨大作用[10]。2常用的汽车噪声CAE分析方法对于目前广泛采用的车内噪声CAE分析方法，从原理上可分为离散方法和能量方法，离散方法主要包括有限元法(FiniteElementMethod—FEM)和边界元法(BoundaryElementMethod—BEM)；能量方法主要包括统计能量分析方法(StatisticalEnergyAnalysisMethod—SEA)，下面分别加以介绍。2.1有限元法(FEM)有限元方法是分析几何形状和边界条件复杂的振动—声学问题的有效工具之一，目前已成功地应用于对车内低频噪声分析预测与控制当中。在利用FEM对车内噪声进行预测的过程中，将整个藕合系统分为车内声腔系统和车身结构系统，并利用有限元方法进行离散[11]，得到声腔有限元方程和结构有限元方程,将这两式合并，便可得到声腔—结构藕合系统的有限元方程式。通过对有限元方程的求解，可对车身结构与车内声腔所组成的藕合系统进行结构声腔藕合模态分析[12]，车内噪声响应的灵敏度分析以及板件贡献量分析等[13]。这些分析结果在新车型的开发阶段，对缩短开发周期、节省设计成本具有重要实际意义，对于现有产品，可以指导结构改进，从而实现对车内噪声的有效控制。这一方法主要适用于车辆低频声振特性的分析研究。2.2边界元法（BEM）边界元法的基本思想是将问题的控制方程转换成边界上的积分方程，然后引入位于边界上的有限个单元将积分方程离散求解。与有限元方法相比，经离散化后的方程组只含有边界上的节点未知量，因而降低了问题的维数，使求解方程的阶数降低，数据准备方便，计算时间缩短。另外，边界元法引用了问题的基本解，具有解析与离散相结合的特点，使计算精度提高。正是由于BEM方法的这些显著优点，使其一出现就得到了迅速的发展。当采用边界元法对包括车身结构和声腔的整车模型进行分析计算时:首先需要知道系统的边界条件，即车身结构表面的复振动速度，可通过试验或计算获得；其次，将利用流固藕合面的边界条件及波动方程所推倒出的赫姆霍兹积分方程进行离散。再次，将边界条件与离散后的赫姆霍兹积分方程联立得到边界元求解方程，通过计算获得边界表面声压；最后，通过赫姆霍兹数值积分得到车内声场中任何一点的声压。另外，利用所建立的车身结构—声腔的边界元分析模型还可以进行板面声学贡献度分析[14]和声学—结构灵敏度分析[15]，为车身结构设计和修改提供可靠依据。该方法同样主要适用于车辆低频声振特性的分析研究。2.3统计能量分析方法(SEA）在上世纪60年代初期出现了用于高频声振系统分析的SEA方法，SEA方法的实质就是按照一定的原则将复杂系统划分成若干个独立的结构—声腔子系统，以能量为基本变量来描述各子系统在外界激励下稳态振动中的能量损耗、能量储存和相邻子系统之间的能量传递。对于一个由两个子系统组成的系统如图3.1所示，其功率流平衡方程式为:子系统1子系统2式中:子系统1子系统2、子系统1子系统2为子系统的外部输入功率；子系统1子系统2为频带中心角频率；子系统1子系统2、子系统1子系统2为子系统的内损耗因子；子系统1子系统2为子系统在所分析频带中储存的总能量；子系统1子系统2为子系统间的耦合损耗因子。通过确定方程组中各系数，然后分频段解方程组求得子系统在各个分析频段的平均响应能量，再根据需要转换成振动级、声压级等动力学参数。子系统1子系统2图3.1传递SEA模型1P2P在过去几十年中，FEM,BEM在车内低频噪声分析预测与控制中得到了深入的研究和广泛应用，并取得了很大成功。但这些CAE分析方法并不适用于复杂系统中高频范围的振动噪声分析，其原因在于，系统在中高频范围内具有高模态密度、高模态重叠度和短的波长等特点，致使确定性求解非常困难，且伴有庞大计算量。而这些限制FEM,BEM在中高频范围内应用的因素正是应用SEA方法的前提条件，因此，在国外汽车行业中已将SEA方法应用到了产品的开发设计中，目前在我国SEA方法在汽车行业中的应用还处在初级阶段。图3.2展示了FEA,BEM和SEA方法的适用频带:图3.2FEA、BEM和SEA方法的应用频带3SEA方法的发展及其在汽车噪声控制中的应用3.1SEA方法的发展统计能量分析方法是一种新发展起来的声振分析方法，被公众接受和使用也只有二三十年的历史，但对其研究早在上世纪60年代就开始了。在1960年前后开展统计能量分析研究的是