知识点 | 汽车NVH仿真的原理及其重要性

本文原刊登于Ansys Blog：《What is Automotive NVH?》

作者：Hardik Shah | Ansys首席产品经理

汽车会发出什么样的声音呢？孩子们肯定会说“滴滴叭叭呜！”而汽车工程师给出的回答复杂得多。从微风吹过后视镜的嗡嗡声到电动汽车加速的轰隆声，汽车发出的许多声音对整体驾驶体验至关重要。为了设计、识别和优化汽车声音，工程师需要依赖NVH应用领域。

噪声、振动和声振粗糙度（NVH）可用于研究和测量物体的听觉和触觉反馈。声音有时会给人带来烦恼，有时则会带来一些益处，而NVH分析有助于确定声音的来源及产生原因。然后，工程师可以通过结合使用仿真和物理测试方法，减少或消除不必要的噪声，并增强有益的声音，例如，摩托车标志性的轰隆声。

NVH的三个组成部分涵盖了一系列声音指标：声音产生的原因，声效以及声音带给人的感受（令人愉悦或令人恼火）。

噪声：由特定物体引起的声音传播，例如打开天窗和启动发动机时的嗡嗡声、用力关车门时的砰砰声、打开HVAC系统时的嘈杂声或插入座椅安全带扣环时的咔嗒声。

振动：以一定频率发生的振荡。在汽车中，通过方向盘、座椅、扶手、底板和踏板可以感受到不同速度的振动。

声振粗糙度：与噪声和振动相关的主观感受质量。虽然噪声和振动都是可以量化的测量值，但粗糙度是指人们听到不愉快的声音所产生的不适感。而每个人对刺耳的感受可能有所不同。

NVH技术广泛应用于各个行业，但该技术最早起源于汽车行业，可用于解决内燃机产生的轰隆声、爆震声和研磨声等问题。

NVH目前是汽车行业的一大关键性能指标，尤其随着越来越多的汽车制造商开始加入电气化大军，其愈显重要。汽车NVH性能很容易决定品牌形象塑造的成功与失败，因此在设计阶段早期解决NVH问题至关重要。

汽车NVH有三种来源：

空气动力学：HVAC风机、吹向车身的风

机械：制动摩擦、发动机运行、轮胎与路面的接触

电气：驾驶员警报系统、电动汽车中的逆变器

通过识别来自发动机、制动器、车身和内饰等来源的声音，为工程师提供完整的车辆音频图片。一旦了解了特定声源，工程师就可以确定合适的声音控制技术，例如替换材料、改变交互流或安装隔音屏障。

为了创造最佳的整体驾驶体验并获得竞争优势，汽车企业制定了许多可通过NVH来实现的声音目标，包括：

• 提高驾驶员和乘客的舒适度

• 减少振动引起的故障

• 创建预期的声音或振动

• 符合噪声法规要求

• 最大限度降低音调噪声

• 确保结构可靠性并延长使用寿命

• 通过提供安静的环境，最大限度地减少操作人员的疲劳感

嗡嗡作响的轮胎声、呼啸而过的风声、嘎吱作响的雨刷声——汽车中有几十种可以通过听觉、视觉和触觉来感知的声源，NVH分析有助于减少或消除不必要的声音。

为了根据预期标准来优化声音，工程师可以使用声学求解器在多个设计级别仿真车辆噪声。

• 整车级，整车在行驶时产生的噪声。
  

• 系统级，各机器协同工作时发出的噪声。

• 子系统级，来自特定机器的噪声，例如电机。

• 组件级，单个元件产生的噪声，例如座椅安全带发出的咔嗒声。

为了根据不同的仿真级别完成NVH分析，工程师必须首先创建一个能够准确表示物理系统或组件的仿真模型。Ansys Mechanical、Ansys LS-DYNA、Ansys Fluent、Ansys Motor-CAD和Ansys Maxwell等Ansys工具可用于对必要的组件进行仿真和建模，而且在Ansys Sound中可以执行后处理。

在仿真NVH时，工程师通常会犯的一个错误是，一开始就进行高度复杂且计算成本高昂的仿真。而这些模型往往与物理行为不匹配，因此这会成为一大问题。其结果是，他们会将时间和资源浪费在与物理测试结果不匹配的分析上。

在运行高度复杂的分析之前，使用模态置信准则（MAC）、坐标模态置信准则（CoMAC）和频率响应置信准则（FRAC）等参数，将仿真模型的基本量（如总重量、刚度和阻尼矩阵）与物理测试良好地关联起来，这一点至关重要。

汽车设计中的几乎所有元素都可以从NVH分析中受益。了解噪声源以及优化方法是确保汽车设计满足消费者需求和行业标准的最佳途径之一。在概念和设计阶段尽早执行仿真，将有助于确保在物理原型设计开始之前尽快解决NVH问题。