声学 基础

1、NVH定义

Vibration、Noise、Hashness

触觉、听觉、视觉

Noise 噪声 - 人们所听到的

   - 在20Hz- 20kHz  频率范围内的声音

   - 由频率，声级和声质表征

Vibration 振动- 人们所触摸和看到的

   - 在0.5Hz –200Hz频率范围，人体感觉的运动

   -由频率、量级和方向所表征

Hashiness 平稳舒适性-  噪声和振动的综合影响

   - 粗糙、刺耳或不和谐的感觉

频率范围    

2、NVH 基本概念

物理原理

NVH is based upon principals of physics

    基于物理学原理:

Potential/Kinetic energy

    势能/ 动能

Ideal elements理想元素

Mass质量

Stiffness刚度

Damping阻尼

Waves波动理论

Pressure waves in fluid (air, oil)流体中压力波

Stress waves in solids固体中应力波    

自然频率（Natural frequency ）

   系统自由震荡的频率（the frequency of free oscillation of a system.）

共振

在电子或机械系统中，由于承受等于或接近于系统无阻尼频率的周期性激励时的所引发的震荡幅值的增加。

3、声学基础

声:  空气粒子纵向振动    

在空气中声速

c = 343 m/sec *

波长

l = c / f

c = 343 m/sec 

f = frequency in Hz

声压- 接受体 位置的压力时间历程

人体对35ms的平均均方压力    

典型感知以 p (rms) 表示

人耳感知范围: 大约107 to 1

声压级 : 分贝(dB)

Lp = 10log [p2rms / p2ref   ] 

= 20 log[prms/pref]

Lp :声压级

Pref : 参考声压 20 x 10-6  [N/m2 or  Pa]

声压与声压级

Lp = 10log [p2rms / p2ref   ] 

      = 20 log[prms/pref]

pref=2x10-5  Pa 即 20uPa

          [N/m2 or  Pa]

注意:

分贝值结果后面一般都必须标明参考值,如声压级定义中，参考值为20uPa    

声压: 感知量级

 听力阀值          0 dB       2 x 10-5 N/m2       (3 x 10-9 psi)

 对话        40 dB       2 x 10-3 N/m2        (3 x 10-7 psi)

 学校餐厅        80 dB       2 x 10-1 N/m2       (3 x 10-5 psi)

 滚石乐队       100 dB       2 x 101 N/m2       (3 x 10-3 psi)

 听力痛阀       140 dB       2 x 102 N/m2       (3 x 10-2 psi)

 大气压力       194 dB       101.3 x 103 N/m2       (14.6 psi)

分贝相加

两个信号相加 LA + LB ，得到 LC

       LA            LB          LC

       100             0         100

       100            80        100.8

       100            90        102.4    

       100            100      106

       100            110      112.4

       100            120      120.8

声学计权

声学计权

A计权    

B计权    

C计权    

声压级

SPL 为声音的测量函数，具有不同的形式: 谱 (NB or Oct), OA-level, order, octave, …

SPL可以处理应用于 ：

       声功率计算、声全息、声模态等    

声测量: 声源

声功率

      单位时间从源发出的能量

   与距离无关

与声学环境无关

声功率确定

在混响室确定:    

SPL 测量

混响时间

使用 ISO 3741 - 3743

在全消声室（半）室确定:

SPL 测量

使用 ISO 3744 - 3745

在静音室确定:

声强测量

使用 ISO 9614

声音测量: 路径

声强- 单位时间流经单位面积的声能

声强

通过单位面积声功率聚焦的测量.

依赖于源特性、离源的距离和源的环境    

声强级        

       L I :          L I = 10log10 [ I / I ref ] dB

( I ref = 10-12  W/m2 )

声强: 频率带宽

高频限:

小间隔块意为高Fmax

线性相位假定          
低频限:

通道之间相位差

小的间隔块意为低的Fmin          
典型处理数据块大小= 1024 (2048)

声场

近场 Near-field

声压和声强之间的相位是变化的

远场 Far-field

声压和声强之间相位为90 °（类似于共振时力与位移）

离声源至少 3-4 倍波长

声压变化与距离符合逆平方定律

近场和远场    

近场和远场

近场和远场

从近场到远场声的传递

依赖于波长（频率）和声学环境 (阻尼)    

声学环境

混响室 Reverberation chamber

实际上无远场（衰减近似为零）

消声室Anechoic chamber

NF 或 FF ? 依赖于频率和与源的距离

半消声室 Semi-Anechoic

反射地板、消音墙壁和天花板

户外 Outdoors

部分半消声室，依赖于地面吸声

4、噪声分析函数

噪声分析函数

Overall level (OA) 与阶次函数

Spectrum or Linear Spectrum线性谱

Auto-spectrum自谱

Also known as Power Spectrum, Auto-Power Spectrum

Power Spectral Density (PSD)功率谱密度

Energy Spectral Density (ESD)能量谱密度

倍频谱

Overall level (OA)

描述了测量信号中总能量的进化，一般表述为频谱的RMS值。适用于瞬态信号，如转速变化的特征分析    

噪声分析函数

瀑布图和阶次

Colormap 和Frequency section    

谱:

Physics. 物理系统或现象的特征分布，特别是辐射体发出的能量分布，按照波长顺序排列

对数标度

以10为底的对数

Spectrum (Linear spectrum线性谱)

   信号在频域内的表示。线性谱为FFT变换的结果，它产生了一组等间隔的频率分量。也称幅值谱。    

自谱Auto Spectrum (or Power Spectrum, or Auto-Power Spectrum)  

    单个频率分量功率在若干瞬态谱上的平均，即每个频率分量幅值平方后加至前面的平方和。因此，相位信息会丢失。           
PSD – Power Spectral Density          
功率谱密度

PSD 用于测量连续的宽带噪声，它是对带宽归一的（1 Hz ），而不管其测量使用的滤波带宽。这便于不同带宽测量结果的比较。如在10 Hz带宽内测量信号为-93 dB ，则谱密度为-103 dB (in a 1 Hz bandwidth)。

能量谱密度Energy Spectral Density (ESD) :

     ESD用于测量瞬态信号的能量。 由于瞬态信号分布在很宽的频率范围内，因此一般都是频率归一的。此外，瞬态信号的持续时间很短，所以持续时间也归一到一秒. 这可使得比较不同瞬态信号成为可能。

谐次

Harmonic:.

    系列音调，其频率为基频的整倍数 

汽车NVH 分析原理

噪声传递    

结构传递声

发动机

悬挂系统

排气系统、齿轮箱、驱动系

空气传递声

发动机噪声 engine noise

气动噪声 aerodynamic noise

面板辐射噪声 radiated noise from panels    

5、噪声处理方法

降噪处理方法

减少激励量级

用弹性隔振器将接受者与振源分离

优化结构极小共振影响

在离散点引入调谐阻尼器

结构表面涂阻尼层    

遮蔽Barriers: 设计参数    

位置 (接近源)

材料 (成本/重量)

密度：单位面积质量

层数和厚度

孔的数目和尺寸

吸音:

通过吸收声波能量，作为热能耗散来降低噪音

  如： 顶棚内饰、罩盖

好的吸音设计含有复杂几何，捕捉声波，防止反射

吸音性能随频率变化

吸音：设计参数

吸音材料面积（尽可能大）

材料类型 (cost/weight)

厚度 (成套/安装)

阻尼:

振动处理以降低目标振动幅值

阻尼降低共振频率处的灵敏度

车用阻尼材料：Mastics, sound deadening materials, weather-strips/seals, tuned dampers, and body/engine mounts

阻尼: 设计参数

密度(尽可能低)

刚度 (尽可能高)

厚度 (随厚度平方增加)    

自由层与约束层

约束层（Constrained layer damping）比自由层更有效，但价格

注意: 感兴趣的温度范围很重要，由于刚度和阻尼特性属于温度敏感型

隔离：将振动与另一系统或车身分离的方法

不能减小振动幅值，仅仅对系统进行振动解耦

所有隔振材料在不同频率有不同效果，如果处理不好将会更糟

衬套和悬置隔离:

 激励一般来源于发动机、车轮等部件

 传递到车身的力为悬置刚度与变形的乘积，所以与弹簧刚度关系非常密切

柔性悬置对于NVH和平顺性有益，但对操稳、耐久和   packaging 不利

 隔离效率为许多因素妥协的结果 (body mount/engine mount stiffness)

声学包的降噪目标

6、声品质工程

声品质工程SQ          
重要性：    

潜在客户对车辆的第一印象

品牌DNA

高档与低档车的差别

品牌的声音的特性

SQ 指数Metrics

主观声量化

SPL 有关

基于声压的频率分量

心理声学有关

基于听力和关键带

统计有关

基于描述声压时间历程的统计参数

谐次有关

基于声音信号的谐次    

有关SPL 指数 （Metrics）

线性声压级Linear SPL (dB)

A 计权 声压级A - weighted SPL (dBA)

倍频带/ 1/3倍频带声压级（Octave Band / Third - Octave Band SPL）

语言干扰级 Speech Interference Level (SIL)

偏好语言干扰级 Preferred Speech Interference Level (PSIL)

语音清晰度 Articulation Index (AI)

心理声学指数          
Psycho-acoustic Metrics

响度Loudness (Steven’ s Mark VI & VII, Zwicker)

音调&音高 Tonality and Pitch Strength

尖锐度 Sharpness

波动强度Fluctuation Strength

粗糙度 Roughness