“新四化”背景下汽车NVH的发展趋势
摘要：在"新四化"的背景下，传统NVH开发逐渐过渡到智能NVH开发时代，文章阐述了NVH技术发展现状与趋势，列举了智能NVH技术涵盖的具体内容，并首次提出了智能化NVH的概念，为国内汽车行业开展智能NVH相关工作提供必要的信息和指导。关键词：汽车；噪声；振动；智能NVH
在中国制造2025和工业4.0的大背景下，汽车行业面临转型，汽车制造将更加智能化、网联化、共享化及电动化。在“新四化”的旗帜下，优化产业结构，提升产品竞争力是主机厂的当务之急。对于卡车来说，商品性评价包括11项指标[1]，其中汽车NVH涉及到的指标是安全舒适。“以人为本”已经成为各行各业都要考虑的重要因素，存在异常振动和噪声问题的车辆很难被客户和市场接受。NVH作为客户最能直观感受到的性能，已经成为影响客户是否购车的关键因素之一[2]。另外，车辆出现NVH问题同样也会影响动力性和可靠性。因此，只有在设计中融入NVH正向开发理念，在开发阶段就关注车辆的“声-振”品质设计，最终整车的NVH品质才会有市场竞争力。为了实现“声-振”品质的优质设计，传统的NVH开发技术和流程已经无法满足时代需求，在当前的大背景下，NVH迎来了智能化时代，智能NVH的出现为整车NVH品质提升提供了技术保障，也为车辆的智能化增加NVH元素，这将大大满足客户对声音和振动高品质的需求。
20世纪60～70年代，国际上各主要汽车公司开始逐步重视NVH设计。2003年以后，国内乘用车企业逐渐有了NVH设计的概念，逐步从国外引进NVH专家，打造自己的NVH团队。相比乘用车，卡车由于国内市场环境的影响，整体NVH设计水平普遍较低，还不具备完整的NVH正向开发和整车NVH性能集成的能力，在NVH开发体系上，大部分厂家主要还是以后期的试验调校为主，少数厂家采用现代V型NVH开发流程，随着仿真优化算法的进步，逐步向仿真驱动设计的方向发展，如图1所示。然而由于基础材料参数、建模方法等的限制，整车仿真模型计算结果与实车试验结果仍有不小的误差，同时在开发流程中并未引入“声-振”品质设计的理念，主要还是以降低声压级和振动大小为目标，导致当前国内汽车主机厂在NVH后期调校中占用了大量人力、物力和时间，且最终设计出的NVH质感还比较差。随着技术的发展，后期点餐式的NVH正向开发将成为主流，通过对标试验获取数据，照猫画虎的开发时代已经无法适应新时代技术发展和客户的需求。传统的NVH手段无法在成本、质量、空间及鲁棒性上满足需求。“十四五”阶段，NVH开发由传统开发手段进入到智能化开发阶段。笔者以智能NVH概念来区别于传统NVH开发，所谓智能NVH主要指通过主动、自动化及智能化的手段进行NVH的开发和问题解决，智能NVH主要包括声振品质主客观评价智能化、开发手段智能化、降噪减振手段智能化及声学包超材料化。智能化声振品质主客观评价智能化具体体现在以声压级大小和振动大小对NVH性能进行评价的同时，主观感受和客观数据具备关联性，主观感受可以通过主客观关联模型直接映射到结构设计中，而且这种映射和评价是软件自动进行的。通过这种方式，NVH主观评价重复性变高，减少了对专业人员的依赖，同时主观评价的分值不但可以反映声振品质是否满足需求，还可以直接与具体结构设计关联，从而指导汽车的结构设计。笔者团队对多个陕汽长头卡车的怠速、缓加速（定置）2种工况下的进气噪声和主驾耳旁噪声进行了测试和主观评价，基于RBF神经网络，分别以噪声信号的物理特征和主观评价值为输入层和输出层建立了声品质预测模型，并成功对所选样本进行了声品质预测[3]。开发手段智能化主要指NVH开发流程的正向化，NVH的开发指标来源于客户点餐式的需求，而不再是简单地与标杆车进行对标，同时指标的分解是正向层级化的分解，这种层级化的分解可以准确定义整车和各子系统乃至零部件的NVH设计目标，如图2所示，这种方式得到的NVH目标的关联性、设计的指导性更高。这一过程通过软件自动实现。传统降噪手段主要通过结构设计、增加吸声/隔声材料或者消声装置等被动方式实现，导致在整车设计定型后改动有限，同时受限于质量和成本，这种传统的手段对中高频噪声控制效果较好，对中低频噪声常常显得捉襟见肘，例如对于车辆500Hz以下的低频噪声问题，往往需要大量敷设吸声/隔声材料，然而即便如此，也不见得有明显的降噪效果。在噪声的智能化控制上，主要手段有基于杨氏干涉原理的主动降噪技术（ActiveNoiseCancellation，ANC）和基于声学超材料的主动控制技术。ANC技术实现了降噪手段的智能化，具有系统体积小、安装方便的优点，可以有效地控制低频噪声。当前ANC技术主要有控制发动机噪声的发动机阶次控制技术（EngineOr-derControl，EOC）和控制路噪的路噪消除技术（RoadNoiseCancellation，RNC），通过这些主动降噪技术可以实现声场分区、声浪模拟、语音降噪、人声分离及声场校正等功能，可以大幅度提升车内的声场环境。目前全球主要的汽车主机厂均已将ANC技术应用于一些车型上，如本田雅阁（第10代）、雷克萨斯ES、凯迪拉克 CT5、林肯大陆、本田冠道、领克 05 及WEYVV7等。第10代本田雅阁ANC系统的扬声器共有3个，分别位于主驾驶位置、后排中间座椅以及天窗开关处，当触发ANC系统时，这些扬声器会产生与发动机噪音的频率和幅值相同、相位相反的音频信号，噪声信号与该信号相互叠加后便会相互抵消，从而达到消除噪音的目的。陕汽长头重卡上实现了怠速噪声的主动降噪，该主动降噪系统借用分别位于左右车门和驾驶室后围上的车载音响的4个扬声器，采用多通道Com-mand-FxLMS算法[4]，最终可使车内怠速噪声降低3dB。多通道Command-FxLMS算法原理框图如图3所示。其中，x(n)为发动机怠速噪声；Y(n)为控制器输出的次级声音信号向量；Hs(z)为控制器输出次级声音信号与控制器接收到误差传声器信号之间传递函数时域形式；G(n)为次级噪声向量；D(n)为初级噪声向量；E(n)为残余误差信号向量；R0(n)为滤波参考信号向量；A(n)为伪误差信号向量；P(n)为在各个传声器位置处的目标声音所组成的目标声音向量。声学超材料主动降噪充分利用了超材料功能化原理，通过外部激励实现声学超材料等效参数的主动调节，实现隔声性能的主动可控，从而适应复杂的声学环境，目前主要有4种结构，第1种是压电薄膜式，通过外加电压改变压电材料刚度，从而调整这个结构的抗弯刚度，最终实现对目标频段的控制[5]；第2种是基于磁流变的主动声学超材料，通过调控磁场实现对声学超材料隔声量和隔声频段的调节[6]；第3种是通过改变声学超材料薄膜之间的气压，对声学超材料的隔声性能进行主动调控[7]；第4种是通过输入不同强度的电流改变结构刚度，实现声学超材料声学性能的主动调节[8]。隔振手段智能化，汽车的主动悬置主要通过调节减振器的阻尼系数来实现减振的目的。目前主动悬置主要有传统的液压悬置和新兴的电/磁流变液悬置[9]，如图4所示，电/磁流变液悬置中充有电/磁流变液，在电/磁场的控制下可以改变其形态，从而达到改变阻尼力的目的，最终可以对振动进行主动控制。与传统声学材料相比，声学超材料具有更小的结构尺寸和更高的能量耗散率[10]，对低频段噪声具有良好的吸声性能，这一特性可以弥补传统声学材料的不足。研究表明，三明治薄板结构的声学超材料在薄板厚度均为1mm时可以在低于500Hz的频段内获得高达35dB的隔声量[11]，在超过200Hz的频段内具有20dB以上的隔声量。有的膜类带腔声学超材料在200~1000Hz范围内具有连续的吸声宽带，吸声效果如图5所示，其平均吸声系数为80%左右，最大吸声系数接近100%，具有相当优异的吸声性能。此外，声学超材料只与微观结构有关，与所用的材料类型无关，这意味着可以选用密度超低的轻质材料加工生产声学包，这在对车内低频噪声进行有效控制的同时，还可以减轻整车的质量，有利于汽车的轻量化。3结论日益严苛的国内外噪声法规和客户越来越高的要求给国内汽车厂商提出更大的挑战，智能NVH技术应运而生，为国内外车企迎接挑战提供了新的思路，利用智能化的手段提升整车NVH品质，从而不断满足法规和客户的要求，这也是汽车工业发展的新方向。免责声明：分享此文仅为传播汽车NVH相关知识，其版权归原作者所有，感谢原作者的辛苦付出；若有侵权异议等请跟我们联系协商或删除，谢谢！
