掩蓋性燃燒噪聲的消除將純電動汽車發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其他噪聲源上。針對和設(shè)計這些干擾噪聲的新方法允許以比以往任何時候都更不受限制的方式組成內(nèi)部噪聲。FEV已經(jīng)建立了一個能夠塑造“沉默之聲”的開發(fā)過程。

關(guān)于新型純電動汽車(BEV)的聲學(xué)效果，客戶有一個主要的期望:安靜。然而，負(fù)責(zé)噪聲、振動和粗糙度(NVH)的工程師意識到，車輛內(nèi)的絕對靜音是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們的聽覺是一個過于敏感的測量儀器。那么，怎樣才能創(chuàng)造出顧客所期待的“沉默之聲”呢?

對于消費(fèi)者來說，內(nèi)燃機(jī)的聲音是熟悉的，甚至是充滿感情的，尤其是當(dāng)發(fā)動機(jī)在特定的駕駛動作中發(fā)出其特有的聲音時。它的消失大大降低了BEV機(jī)艙內(nèi)的噪音水平。因此，新的聲音變得可以聽到，不熟悉的客戶，并認(rèn)為在他們的聲學(xué)剖面不愉快。例如，在城市地區(qū)快速充電時產(chǎn)生外部噪音的風(fēng)扇或制冷劑壓縮機(jī)，在沒有明顯原因的情況下啟動，以調(diào)節(jié)電池溫度。在最壞的情況下，客戶可能會懷疑是技術(shù)缺陷。

在聲學(xué)發(fā)展中，許多這些組件都受到了更嚴(yán)格的審查，從而建立了噪聲隔離、模擬和NVH目標(biāo)級聯(lián)的新概念。同時，開發(fā)周期的縮短要求加強(qiáng)虛擬聲學(xué)開發(fā)。成功地限制令人不快的噪音為制造商提供了一個真正的機(jī)會。為他們的汽車塑造“靜音”成為可能，既能取悅現(xiàn)有客戶，又能吸引新客戶。

NVH開發(fā)過程

一般來說，與NVH相關(guān)的車輛開發(fā)必須整合到一個整體的開發(fā)過程中，以確保架構(gòu)、底盤等各種活動之間的協(xié)調(diào)。為此，F(xiàn)EV已經(jīng)建立了一個車輛開發(fā)過程，可以很容易地與客戶同步。圖1說明了不同的開發(fā)階段及其里程碑。

圖1   NVH FEV開發(fā)過程

詳細(xì)的NVH開發(fā)活動定義了相關(guān)的噪聲現(xiàn)象，如風(fēng)、滾動、動力系統(tǒng)和輔助噪聲?，F(xiàn)有的工具和方法已經(jīng)適應(yīng)于解釋bev的頻率含量和現(xiàn)象的改變。下面將探討混合仿真的第一種可能性，它將在整個開發(fā)過程中支持NVH工程。隨后，將提出具體的方法來理解和限制純電動汽車開發(fā)中的典型NVH現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)車輛的主動聲音設(shè)計。

混合NVH仿真

在開發(fā)項(xiàng)目中，需要在短周期內(nèi)提供敏捷聲學(xué)評估，以評估新概念和當(dāng)前項(xiàng)目狀態(tài)。特別是在早期概念階段，會出現(xiàn)以下挑戰(zhàn):

——復(fù)雜的傳輸路徑和缺失的模型:激勵到艙內(nèi)機(jī)載聲音的傳輸只能在有限的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行有意義的模擬。此外，通常缺乏供應(yīng)商組件的仿真模型。

——激勵源描述:將聲源的運(yùn)行力應(yīng)用于虛擬車輛模型。在試驗(yàn)臺和聲源之間測量的界面力通常不合適。界面力在試驗(yàn)臺組件的共振處表現(xiàn)出顯著的力放大，因此不適用于車輛模擬或部件目標(biāo)設(shè)置。

一種靈活結(jié)合仿真模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕旌戏椒ㄓ兄诳朔@些挑戰(zhàn)。定制軟件提供了必要的時間效率。子結(jié)構(gòu)允許耦合各種模型，使整個車輛的傳輸路徑的仿真?；旌夏Ｐ捅粍?chuàng)建，能夠更新每個開發(fā)階段?；诮M件的傳輸路徑分析(TPA)要求物理上精確的源描述。這使得即使在早期開發(fā)階段也可以在虛擬聲學(xué)原型上模擬內(nèi)部噪聲。

子結(jié)構(gòu)化

構(gòu)件模型可以來源于仿真(多體仿真和有限元法)或測試(頻響函數(shù)法)。設(shè)計變更可以通過仿真快速評估。復(fù)雜結(jié)構(gòu)最好通過實(shí)驗(yàn)建模(例如在基準(zhǔn)車輛上)。

子結(jié)構(gòu)通過在組件A和組件B的界面處設(shè)置兩個邊界條件來描述組件A和組件B的虛擬耦合。兼容性:A和B之間的界面振動必須匹配。平衡:作用在A和B上的界面力大小相等，方向相反(相交原理)。

圖2在電動制冷劑壓縮機(jī)(ERC)上說明了這一點(diǎn)。所研究的概念涉及前副車架的雙重解耦。實(shí)驗(yàn)采用剛體模型、橡膠隔振器模型和中間載體模型進(jìn)行了有限元模擬。前副車架到駕駛員耳朵的傳遞函數(shù)(FRF)在前代車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定?；旌戏抡娼Y(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果在裝配概念(騾子車)上得到驗(yàn)證。在300hz以上的騾子上進(jìn)行測量變得不切實(shí)際(由于強(qiáng)去耦，有噪聲的頻響和差的相干性)。即使在這個頻率范圍內(nèi)，混合模擬也提供了有效的見解，因?yàn)榛跍y試的子結(jié)構(gòu)可以以良好的信噪比進(jìn)行測量。

圖2   壓縮機(jī)隔離概念示意圖(上)，用測量驗(yàn)證模擬結(jié)果(下)

基于組件的TPA和阻塞力

利用基于組件的TPA，可以對虛擬汽車模型上的聲級進(jìn)行預(yù)測。阻擋力作為震源的物理精確模型?？芍苯釉谲噧?nèi)或在部件試驗(yàn)臺上進(jìn)行測定。可以將其轉(zhuǎn)移到虛擬車輛模型中，如式1所示:

NVH目標(biāo)設(shè)定

開發(fā)過程從車輛的市場定位開始。整個車輛的NVH目標(biāo)就是基于此，例如駕駛員耳中的內(nèi)部噪音。其基礎(chǔ)是來自所有細(xì)分市場車輛基準(zhǔn)研究的廣泛FEV數(shù)據(jù)庫。

從車輛目標(biāo)出發(fā)，將級聯(lián)過程應(yīng)用于組件目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將座艙噪聲分為NVH現(xiàn)象(發(fā)動機(jī)和逆變器指令、輪胎和風(fēng)噪聲、輔助部件等)及其傳播路徑(機(jī)載和結(jié)構(gòu)傳播的聲音)。隨后，推導(dǎo)出元件目標(biāo)，例如圖3中的調(diào)性電動機(jī)噪聲。

圖3   c段(灰色區(qū)域)滾動噪聲和風(fēng)噪聲的散射帶和調(diào)性電動機(jī)噪聲可檢測性的推導(dǎo)極限(部分示意圖)

在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了傳輸路徑和元件激勵的目標(biāo)。對于激勵定位，傳統(tǒng)上使用安裝點(diǎn)的振動(基于基準(zhǔn)數(shù)據(jù))。然而，對于新概念，缺乏這樣的參考數(shù)據(jù)。此外，對于非解耦組件，例如剛性安裝的舵機(jī)，這種目標(biāo)設(shè)置邏輯在物理上是不正確的。

根據(jù)試驗(yàn)臺或車輛上的連接方式不同，共振會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致同一源激勵產(chǎn)生不同的振動水平?；诮M件的TPA的數(shù)量與連接無關(guān)，因此更適合。它們也可以在供應(yīng)商的組件測試臺上確定。為了將內(nèi)部目標(biāo)(Eq. 1中的p 3B)級聯(lián)到多個自由度的力-目標(biāo)曲線(f 2bl)上，所謂的解空間方法是FEV中很有前途的方法。圖4說明了這樣一個過程。傳遞函數(shù)(y3a2b)是已知的測量或混合模擬。在蒙特卡羅模擬中模擬了不同大小的阻擋力，得到了達(dá)到內(nèi)部噪聲目標(biāo)(綠點(diǎn))或違反該目標(biāo)(紅點(diǎn))的力級別。

這允許設(shè)置力的目標(biāo)曲線(藍(lán)色圓圈)。

圖4   遮擋力NVH目標(biāo)設(shè)置解空間工具(截圖)

高頻動力系統(tǒng)噪聲

在純電動汽車中，高頻動力系統(tǒng)噪聲是最關(guān)鍵的NVH問題之一。除了眾所周知的齒輪箱嗚嗚聲，它們是由電機(jī)的電磁諧波力引起的。當(dāng)高振幅的力階激發(fā)結(jié)構(gòu)的共振頻率時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動和噪聲。

在圖5所示的示例中，3000 rpm時的24階電磁力與電機(jī)結(jié)構(gòu)的“呼吸模式”相吻合。該力受氣隙中電磁場諧波的影響。這些可以通過優(yōu)化逆變器中的控制策略來控制。因此，有可能顯著降低臨界電磁力階數(shù)。

圖5   高頻電機(jī)階次諧波電流注入降磁

圖5給出了基于ID3型永磁同步電機(jī)簡化模型的多物理場仿真結(jié)果。首先，在恒轉(zhuǎn)矩為100 Nm時進(jìn)行了多體仿真(MBS)。地面加速度被用作NVH性能指標(biāo)。關(guān)鍵的24階可以通過在逆變器控制(諧波電流注入)中操縱-23階和+25階來部分消除。MBS結(jié)果表明，在4800 Hz時，振動改善了約8 dB。

動力系統(tǒng)高頻噪音的另一個原因是橡膠支架的動態(tài)變硬。通常，從500到1000赫茲，在安裝中發(fā)生連續(xù)共振，導(dǎo)致剛度增加。剛度達(dá)到靜態(tài)剛度的5到20倍并不罕見。然后，高頻驅(qū)動振動不再與車身充分分離，并被認(rèn)為是對內(nèi)部的干擾。在[1]中，提出了一種簡單的方法來檢測高達(dá)2.5 kHz的橡膠支座的動態(tài)剛度。傳統(tǒng)的液壓試驗(yàn)機(jī)往往不能覆蓋這個高頻范圍。圖6說明了實(shí)驗(yàn)設(shè)置和三種不同坐架的剛度。由于動態(tài)強(qiáng)化效應(yīng)，靜態(tài)最硬的安裝可能在500至700 Hz的范圍內(nèi)動態(tài)“更軟”，從而在該頻率范圍內(nèi)提供更好的去耦。

圖6  三個安裝架:實(shí)驗(yàn)裝置(左);各種橡膠支座的動態(tài)剛度(右)

空氣聲音和流動噪音

風(fēng)扇的噪音可以被認(rèn)為是不愉快的，特別是當(dāng)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時。風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)傳遞的聲音可以使用混合模擬來設(shè)計，如上所述。然而，占主導(dǎo)地位的也是氣流噪聲，這是由風(fēng)扇葉片處的空氣湍流引起的。為此，三維CFD模擬可以模擬風(fēng)機(jī)葉片周圍的瞬態(tài)流動。由此，可以使用Lighthill類比提取聲源并用于聲學(xué)模擬。圖7以抽風(fēng)機(jī)為例說明了這一過程。

圖7  風(fēng)機(jī)流動噪聲仿真:瞬態(tài)CFD仿真(a)， 440 Hz聲源(b)，仿真與實(shí)驗(yàn)對比(c)

實(shí)驗(yàn)上，來自流動噪聲或殼體振動的機(jī)載聲源也可以建模，如[1]所示，以ERC殼體輻射為例。

車內(nèi)異響

一種已知的聲學(xué)現(xiàn)象，吱吱聲和嘎嘎聲(S&R)，由于缺乏掩掩噪聲，在純電動汽車中變得更加重要。根據(jù)j.d.p ower的一項(xiàng)研究，超過一半的客戶投訴是由于客艙的音質(zhì)不足，其中許多是由于S&R。

同時，S&R是一個高度短暫的事件，對老化很敏感，灰塵進(jìn)入、溫度/濕度或制造質(zhì)量。因此，S&R的模擬可能性目前是有限的。這與較短的開發(fā)時間形成了對比。在過去，以前項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)是至關(guān)重要的指導(dǎo)方針。然而，隨著向純電動汽車的轉(zhuǎn)變和高成本壓力，這些經(jīng)驗(yàn)往往只能部分轉(zhuǎn)移。

因此，對物理原型和組件測試進(jìn)行有效的評估比以往任何時候都更加重要。FEV采用了一種經(jīng)過驗(yàn)證的方法，利用近場麥克風(fēng)進(jìn)行定位和隨后的物化。這可以在短時間內(nèi)獲得有價值的錯誤定位信息，隨后，有助于根據(jù)客觀數(shù)據(jù)優(yōu)化主觀音質(zhì)的概念決策。

《寂靜之聲》的作曲

成功地限制了純電動汽車中令人不安的噪音，從而創(chuàng)造了“寂靜之聲”，從而創(chuàng)造了一種情感化的駕駛體驗(yàn)，并體現(xiàn)了品牌的身份。在過去，燃燒和排氣噪聲已經(jīng)被合成聲音補(bǔ)償和豐富。現(xiàn)有的音響系統(tǒng)或車身或擋風(fēng)玻璃上的附加執(zhí)行器被用作揚(yáng)聲器。除了情感化，聲音設(shè)計的主要目標(biāo)是品牌、安全和和諧。

品牌和安全主要適用于外部噪音，由于法律規(guī)定，它必須滿足一定的要求，但也有設(shè)計靈活性，以創(chuàng)造一個聲學(xué)品牌識別。內(nèi)部噪聲的協(xié)調(diào)可以通過在現(xiàn)有電氣元件的噪聲中加入合成聲音分量來實(shí)現(xiàn)，從而降低音調(diào)。

制作車輛聲音的一個挑戰(zhàn)是，聲音工作室的各種想法和創(chuàng)造基本聲音組件的可能性與在現(xiàn)實(shí)駕駛情況下對這些組件的感知之間存在時間差。在這種情況下，F(xiàn)EV使用自主開發(fā)的軟件，稱為模塊化。ASD，在創(chuàng)造好想法后快速實(shí)現(xiàn)駕駛體驗(yàn)。

通過創(chuàng)新技術(shù)聲音的物理設(shè)計方法，并將其與聲音設(shè)計相結(jié)合，在整個車輛開發(fā)過程中塑造“無聲之聲”。