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優(yōu)化NVH 每天降噪一分貝

2018-02-27 14:11:24·  
　
汽車聲學(xué)工程師最熟悉的一幕：專家正在測(cè)試車內(nèi)安裝Aachen HEAD的兩路立體聲測(cè)試系統(tǒng)HMS IV。(Wade Bray / HEAD Acoustics Inc.)車輛總工程師并不滿意他在最近一次試駕中聽(tīng)到的車內(nèi)的噪聲。他原本正在仔細(xì)復(fù)核一款新的變速箱，并打算把它用在公司最具競(jìng)爭(zhēng)力的跑車系列上。然而，當(dāng)車搭載上這款變速器后，車內(nèi)產(chǎn)生了很大噪音
 
 
汽車聲學(xué)工程師最熟悉的一幕：專家正在測(cè)試車內(nèi)安裝Aachen HEAD的兩路立體聲測(cè)試系統(tǒng)HMS IV。(Wade Bray / HEAD Acoustics Inc.)
 
車輛總工程師并不滿意他在最近一次試駕中聽(tīng)到的車內(nèi)的噪聲。
 
他原本正在仔細(xì)復(fù)核一款新的變速箱，并打算把它用在公司最具競(jìng)爭(zhēng)力的跑車系列上。然而，當(dāng)車搭載上這款變速器后，車內(nèi)產(chǎn)生了很大噪音，效果令人難以接受。對(duì)此，首席工程師顯然很不滿意，而據(jù)設(shè)計(jì)師和制造工程師解釋，這款新的變速箱的最大特色就是其纖薄輕巧的鋁制外殼。然而，這款輕巧的外殼正是制造出巨大噪音的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;。
 
公司已經(jīng)投入資金做了這個(gè)部件的預(yù)定，項(xiàng)目截止日期也不斷逼近，一通電話被撥到了Pranab Saha的辦公室。
 
為了讓 2018 款?yuàn)W德賽具備最一流的車艙傳聲清晰指數(shù)，本田投入了大量 NVH 技術(shù)資源。
 
“他們請(qǐng)我?guī)退麄冊(cè)O(shè)計(jì)一個(gè)解決方案，”Saha這么說(shuō)道。Saha是密歇根州 Waterford 地區(qū)咨詢公司 Kolano & Saha 的注冊(cè)噪聲控制工程師、聲學(xué)專家。他告訴我們，一開(kāi)始，由于鋁箔襯背絕緣材料的緣故，這款變速箱的噪音問(wèn)題得以掩蓋。然而，這塊絕緣材料上必須開(kāi)幾個(gè)孔，這樣才能不影響連接和布線。而問(wèn)題就在于這些切口會(huì)給噪聲的傳播制造通道。
 
對(duì)此，Saha的解決方案是：與其在變速器外殼采用絕緣材料，不如將絕緣材料放在變速器通道下方。工程師將重新審視自己的 CAD 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的修改。接下來(lái)，他們將進(jìn)行噪聲分析，驗(yàn)證新解決方案的有效性。
 
一輛典型乘用車NVH系統(tǒng)的平鋪分解圖，顯然這種設(shè)計(jì)會(huì)增加重量。（工程師Kolano 和 Saha提供） 
 
Saha指出，“這只是我們幫客戶解決噪聲問(wèn)題的案例之一：該從哪里入手優(yōu)化 NVH 性能呢？”
 
目前，分析、衰減和消除車輛 NVH 影響，已經(jīng)成為汽車研發(fā)中不可分割的一部分。NVH 工程團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展“每天降噪一分貝”的項(xiàng)目，要像降低車輛重量或提高車輛燃料經(jīng)濟(jì)性一樣，努力降低車艙內(nèi)的噪聲。
 
“噪音和震動(dòng)（N&V）這個(gè)領(lǐng)域很特殊，因?yàn)樗陌l(fā)展原動(dòng)力來(lái)自于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，而非政府規(guī)定，”Saha解釋道，“如今，我們會(huì)聽(tīng)到有些OEM吹噓，說(shuō)自己某款車的車內(nèi)聲效比市面上的某一款好，噪音也更小。而隨著汽缸鈍化、混合動(dòng)力以及電動(dòng)汽車等技術(shù)被引入市場(chǎng)，降噪減震會(huì)變得愈發(fā)重要。”
Cooper-Standard全球產(chǎn)品戰(zhàn)略副總裁兼防震系統(tǒng)開(kāi)發(fā)組主管Joe Emmi告訴我們，隨著自動(dòng)駕駛汽車所搭載的全新人機(jī)交互界面（HMI）走向市場(chǎng)，車廂更安靜和駕車更平順已經(jīng)成為了人們的一種訴求。
 
Pranab Saha，博士，工程師，圖為其站在公司的其中一個(gè)消音測(cè)試艙內(nèi)。（照片來(lái)源：Lindsay Brooke）
 
目前，OEMs和一級(jí)供應(yīng)商已經(jīng)投入了數(shù)十億資金，用于開(kāi)發(fā)新的 NVH 軟件、設(shè)施、材料及支付 Saha 等其他聲學(xué)專家咨詢公司的咨詢費(fèi)。此外，吸音材料對(duì)保證車輛的 NVH 性能非常關(guān)鍵，因此吸音材料制造商的發(fā)展也邁入上升趨勢(shì)。根據(jù) 2017 年《大觀研究》(Grand View Research) 報(bào)告，2021 年之前，消聲產(chǎn)品的全球市場(chǎng)規(guī)模的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá) 6%，在 2021 年達(dá)到 135.2 億美元。
 
在此背景之下，聰明的供應(yīng)商也開(kāi)始順應(yīng)市場(chǎng)趨勢(shì)，推銷自己的消聲材料，比如：Material Sciences Corp. 用于儀表盤的“無(wú)聲鋼（Quiet Steel）”，日企Technol Polymer Co. Ltd的“Hushlloy”熱塑性消聲塑料，以及Sika Automotive公司可用于抑制車身共振的共擠型合成橡膠“Sika Damp”。
此外，為了響應(yīng)汽車行業(yè)對(duì) NVH 性能的重視，市場(chǎng)中還涌現(xiàn)了一批專用NVH 性能優(yōu)化軟件，包括：SCS 公司的 V-Path 傳播路徑分析軟件；HEAD Acoustics 公司的 Artemis NVH 測(cè)試軟件；Genesis 公司的 LEA；Altair Engineering 公司的 HyperWorks 套裝，及達(dá)索系統(tǒng)CATIA V6/3DS 內(nèi)的嵌入式NVH 工具箱及Siemens PLM 等等。
 
SAE International一直以來(lái)都致力于為NVH工程師提供一個(gè)專業(yè)的交流、溝通的平臺(tái)，學(xué)會(huì)每?jī)赡昱e辦一次（今年會(huì)議與展覽將在密歇根州的Grand Rapids地區(qū)舉辦）的“噪音與震動(dòng)技術(shù)大會(huì)與展覽（Noise and Vibration Conference and Exhibition）”。
 
典型的兩層式消聲緩沖板的工作原理圖
 “控制變量法”
 
N&V工程師研究的領(lǐng)域包含了信息源、路徑（包括實(shí)體架構(gòu)和空氣）和接收器（即噪音和震動(dòng)的目標(biāo)物）。這個(gè)領(lǐng)域中，越早確定問(wèn)題所在并著手解決，成功的可能就越大。在一定程度主觀判斷的基礎(chǔ)之上，這些工程師把重點(diǎn)放在量化目標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系上，比如：通過(guò)某種數(shù)據(jù)獲取方式精確比對(duì)聲音和頻率的測(cè)量值。
 
終端客戶輸入也是分析的一部分。對(duì)于很多客戶而言，提高音效和減少噪音及降低其分貝同樣重要。心理聲學(xué)專家對(duì)此十分認(rèn)同。聲音的音量、刺耳度和清晰度指數(shù)（一種在噪音環(huán)境下聆聽(tīng)講話的清晰度測(cè)試）都是主觀參數(shù)。
 
接受本文采訪的專家都認(rèn)同說(shuō)，與鋼結(jié)構(gòu)相比，輕薄的鋁結(jié)構(gòu)在眾數(shù)分析中會(huì)展現(xiàn)出更多不同的N&V特性，并且有不少特性令專家相當(dāng)犯難。要控制好震動(dòng)就需要更結(jié)實(shí)的車身面板和附加的抑制材料，如LASD底部填補(bǔ)劑和洞孔填充泡沫。
 
有些應(yīng)用程序采用了主動(dòng)降噪系統(tǒng)（詳見(jiàn)Honda補(bǔ)充報(bào)道，將于近期即將在微信平臺(tái)推送）。這類應(yīng)對(duì)方案常被冠以“創(chuàng)可貼”的稱呼，原因就在于它們并不直擊問(wèn)題根源——也就是基本設(shè)計(jì)框架的問(wèn)題，比如：氣缸體諧振過(guò)度等結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。此外，這種解決方案還會(huì)增加車身重量。
 
Altair Engineering汽車部的高級(jí)副總裁Richard Yen觀察后指出，“很多公司在NVH方面都做得不錯(cuò)，但它們的根本問(wèn)題是總要等到汽車研發(fā)的尾聲階段才進(jìn)行各種測(cè)試。也就是說(shuō)他們把大量的錢花在了糾錯(cuò)上。”
如果選擇使用鋁制材料，工程師往往會(huì)添加更多用料，以達(dá)到和鋼結(jié)構(gòu)同樣的降噪減震效果。在NVH專家Saha看來(lái)，這樣做的結(jié)果就是“實(shí)際上在汽車內(nèi)部‘購(gòu)置空間’來(lái)安放噪震吸收材料，而不是直擊車體基本結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。而他們對(duì)此的解釋就是吸收材料比較輕。”
 
緩沖墊已經(jīng)成為了將發(fā)動(dòng)機(jī)噪音屏蔽在客廂外的一種戰(zhàn)略性“城防工事”。緩沖墊像“防火墻”一樣覆蓋在隔板兩邊。最初，緩沖墊是充當(dāng)屏障和解耦裝置的，而如今，它的作用無(wú)疑是充當(dāng)吸收材料。而作為一種“耗散性”材料，顯然，緩沖墊會(huì)占據(jù)更多剖面空間。
 
如今，為了追求更高的燃料經(jīng)濟(jì)性，越來(lái)越多的OEM開(kāi)始將目光放在氣缸鈍化等提升能源效率的技術(shù)上，而由于發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)啟/關(guān)閉部分氣缸時(shí)（比如 6 缸切換至 4 缸或 3 缸）會(huì)產(chǎn)生不均勻燃燒，造成發(fā)動(dòng)機(jī)低頻震爆（具體水平取決于傳播路徑有所不同），從而帶來(lái)噪聲。為了應(yīng)對(duì)這一獨(dú)特需求，相關(guān) NVH 創(chuàng)新技術(shù)更是層出不窮。
 
氣缸間歇式發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)帶來(lái)一些不同以往的NVH問(wèn)題，緩解這些問(wèn)題的有效方案有很多，如：控制扭矩轉(zhuǎn)換離合器打滑時(shí)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)（AEB）和變速箱支撐膠墊（效果好但成本高），以及使用車內(nèi)音響系統(tǒng)主動(dòng)降噪等等。[更多詳情請(qǐng)參閱SAE技術(shù)論文 2014-01-1675，由Tula Technologies發(fā)布]合成材料會(huì)在一些扭矩反作用應(yīng)用上產(chǎn)生吸收震動(dòng)的效果?；诖?，Cooper-Standard正在一款歐洲車型上使用連續(xù)纖維的熱塑性塑料發(fā)動(dòng)機(jī)支架。
 
在行業(yè)開(kāi)始關(guān)注控制 NVH 性能的最初 20 年中，車內(nèi)噪聲水平的下降趨勢(shì)。（來(lái)源：Car and Driver）
     
整車建模
NVH方面的建模已經(jīng)相當(dāng)成熟了。其核心就是統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）工具，包括Cambridge Collaborative Inc.研發(fā)的SEAM 3D，以研究潛水艇的結(jié)構(gòu)噪音。自此，汽車業(yè)就將其作為了一種有效的CAE設(shè)計(jì)工具，用來(lái)研發(fā)NVH聲音工具，為輕巧型車型設(shè)計(jì)服務(wù)。通過(guò)使用SEA，工程師能評(píng)估在中頻和高頻時(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，并彌補(bǔ)輕量化設(shè)計(jì)帶來(lái)的NVH方面的不足。
 
SEA“能讓聲學(xué)工程師采用‘控制變量法’做研發(fā)，”Pranab Saha說(shuō)，“比如說(shuō)，某個(gè)組件的質(zhì)量減輕后，噪音水平會(huì)怎么變？”
 
通用汽車最近開(kāi)始使用一種內(nèi)部開(kāi)發(fā)的建模工具，叫做DISPET。DISPET能讓工程師把NVH工具包在不同車型中的作用發(fā)揮到最大。在開(kāi)始時(shí)錄入車身設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)噪音后，就能具體指定所需的NVH材料。“就給定的厚度和表面密度，用戶只要輸入測(cè)得的聲音數(shù)據(jù)即可，”一位熟悉DISPET的工程師告訴我們，“系統(tǒng)會(huì)告訴你是否達(dá)到預(yù)期的降噪目標(biāo)。而如果你自己不知道目標(biāo)數(shù)值是多少，DISPET會(huì)告訴你，在某個(gè)頻率下，數(shù)值是否高了或低了一分貝。”
 
Altair Engineering 的整車NVH模擬器模擬時(shí)的車內(nèi)環(huán)境。
整車NVH模擬技術(shù)在業(yè)界有有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此，各家OEM對(duì)其內(nèi)部程序的具體運(yùn)作守口如瓶。大約五年前，Altair Engineering在這一技術(shù)的商業(yè)化方面處于領(lǐng)先。Altair的NVH模擬器樣子很像電腦游戲的手柄，你的面前有一塊巨大的液晶屏，駕駛員就在屏幕里的“路上”。
 
“有了整車模擬器后，我們又建了一個(gè)相關(guān)的模型，可以利用測(cè)試數(shù)據(jù)模擬出在某一噪音和震動(dòng)環(huán)境下駕駛汽車的場(chǎng)景。”Altair降噪減震的項(xiàng)目總監(jiān)Jiamin Guan解釋道，“這一模擬需要汽車在不同環(huán)境條件下駕駛時(shí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)，也會(huì)讓你有身臨其境的噪音感受。”
 
Altair與著名的專業(yè)儀表公司Brüel &Kjaer合作，共同開(kāi)發(fā)出了這套能盡享“實(shí)車”體驗(yàn)的模型。模型是在某一汽車項(xiàng)目著手之初就建好的，也就是在設(shè)定標(biāo)桿和具體規(guī)格時(shí)。Altair的第一步就是想象有一個(gè)虛擬的目標(biāo)客戶，然后怎樣找到一款符合其要求的車。之后建模團(tuán)隊(duì)給出各種可行性較高的方案，進(jìn)行包裝并增加功能需求，接著讓客戶來(lái)聆聽(tīng)與感受這些測(cè)量出的數(shù)據(jù)。
 
整車模型“可以讓社會(huì)中不同層次的客戶群體來(lái)體驗(yàn)各種我們想要確定采用的噪音和震動(dòng)水平，并讓我們知道人們是否認(rèn)可這些數(shù)值。”Guan談到，“回放這些噪音和震動(dòng)水平后，我們可以在某些地方進(jìn)行精修。我們可以了解人們喜歡的是什么，不能接受的什么，以及更看重怎樣的‘音效’。一旦我們有了具體的目標(biāo)數(shù)值，無(wú)論是對(duì)于我們還是客戶而言，接下來(lái)要考慮的就是如何實(shí)現(xiàn)它們了。”
 
Guan稱，整車建模工具讓工程師能夠在汽車重量和成本一定的前提下，自由地進(jìn)行改進(jìn)，并評(píng)估這些概念性的想法。“如果沒(méi)有整車建模，很多東西我們就無(wú)法確定。比如說(shuō)，相比鋼結(jié)構(gòu)的車身，鋁材質(zhì)對(duì)于震動(dòng)的影響大小有多少。有些構(gòu)思可以通過(guò)整車建模來(lái)評(píng)估，無(wú)論最終是否能夠達(dá)標(biāo)。”
大多數(shù)的NVH討論會(huì)似乎都繞不開(kāi)汽車電動(dòng)化這個(gè)話題。對(duì)于聲學(xué)以及N&V方面的專家而言，這一趨勢(shì)會(huì)讓他們的工作變簡(jiǎn)單還是變得更難呢？“我們接到電話，讓我們從聲學(xué)和密封性兩方面給電動(dòng)汽車的隔音系統(tǒng)拿主意。”Pranab Saha說(shuō)，“盡管我們還沒(méi)有感受到很大的變化，但顯然供應(yīng)面轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車應(yīng)該是大勢(shì)所趨。”Saha和其他專家都提到，盡管電動(dòng)汽車的整體噪音減小了，但此前被內(nèi)燃機(jī)掩蓋的其他噪音則現(xiàn)了原形。
 
Saha表示，“NVH專家仍在努力調(diào)試新的隔音系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)今后電動(dòng)汽車頻段上的新挑戰(zhàn)。”
 
作者：Lindsay Brooke
來(lái)源：SAE《國(guó)際汽車工程 （AEI）》雜志  
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