NVH在汽车电动化时代的新挑战

FEV正在位于密歇根州奥本山的技术中心使用海德声学（HEAD Acoustics）的数字人工头进行NVH测试。借助两个平行的模数转换器，海德的数字人工头可以覆盖整个听觉动态范围。（FEV）

电气化为汽车行业与NVH问题的长期斗争带来了新基准、新工具和新挑战。

NVH领域的专家告诉SAE，随着汽车行业逐步向电气化转型，用来分析和降低NVH（噪声、振动与声振粗糙度）的复杂科学已经进入“全新疆域”。随着电动汽车产品越来越多，不再属于最初的“高端产品”，部件、系统和整车设计与工程的新挑战也不断涌现。工程师指出，目前汽车行业正在“疯狂内卷”，对降低NVH相关的新分析和测试工具开展基准化和引入工作。

Pranab Saha就职的公司Kolano & Saha Engineers专门从事声学、噪声和振动的分析与测试，他观察到：“行业对提升车辆声学性能的兴趣将只增不减，而且NVH技术必须始终满足客户的期望。他还指出，最新的一些电动汽车设计表明，行业已经在减少NVH来源及其传播路径方面取得了进展。这降低了对“补丁”材料的依赖度，如填入车身空腔内的聚氨酯泡沫和喷涂在车底的乳香脂，这些材料都会增加汽车的重量、成本和复杂度。但包括Saha在内的众多专家并不认为所谓的“创可贴”式降噪材料将被彻底淘汰。

Saha认为：“车内的乘员不应该听到底盘中电池组和电力驱动系统发出的任何噪声，但从车外仍能听到噪声。有时这些噪声会发展成质量问题。”

雷克萨斯首款电动汽车2023 RZ的透视图，展示了地盘的NVH处理。 （雷克萨斯）

与现有的内燃机汽车相比，客户对电动汽车精细化程度的期望正不断提高。在内燃机汽车中，大约50%的NVH问题与传动系有关，另一半主要由道路和风噪产生。FEV的动力系统、电动汽车和车辆高级副总裁Kiran Govindswamy解释道：“在电动汽车中，噪声的来源更加均衡：电驱系统（EDU）的噪声、中低速行驶时的路噪和高速行驶时的风噪，往往更加明显。”

他说：“我们可以这样看待这些噪声——只有客户在车内能听到时，牵引电机或齿轮系统产生的噪声才值得注意，而路噪和风噪可以在一定程度上掩盖EDU噪声。路噪和风噪也不是完全不好，但也不能使其过于嘈杂，让客户觉得这辆车做工很差。”

不断发展的仿真技术

Govindswamy指出，在减少路噪和风噪方面，工艺精湛的高端电动汽车通常“表现非常出色”，但代价是高转速电机和齿轮系统产生的高频轰鸣声。此外，电源逆变器也会产生10000 Hz左右的高频噪声。

EDU噪声的三个主要来源包括：从电机外壳发出的电机本身的电磁噪声；齿轮系统噪声；以及来自轴承、液压油和转向系统的整体机械噪声。对NVH工程师而言，确定噪声来源及其传播路径并将其控制在可接受的范围内，这好比是一次临床实验。例如，FEV使用了基于仿真的流程开发EDU，以满足客户的降噪目标。

用于测量两种类型的车辆噪声传输。 （FEV）

“‘多体系统仿真’技术（一种对相互关联的多个活动部件之间的相互作用，进行动态系统分析的技术）和有限元分析的组合可以将电磁力以及齿轮系统的力考虑在内，我们使用这种技术组合对噪声水平作出预测”。FEV正在不断改进预测的精度和准确度以满足客户的目标。Govindswamy说：“当第一款原型车进入测试室时，我们就知道这离实现目标不远了。”

专家认为，仿真技术正在不断发展改进，但在相关性方面仍需完善。Saha说：“我们非常依赖仿真技术，但我认为许多新公司（汽车初创公司）对其过于依赖。他们在开发末期才对仿真结果进行验证，而且他们的预测结果也可能出现误差，我们甚至见过根据测量结果来调整预测的例子。我不清楚这些公司是如何实现目标的。”

他指出，虽然一些正在进军电动汽车领域的老牌OEM也在使用仿真预测技术，但“他们拥有更强大的评估能力（经验）”，并能在开发早期对预测结果进行验证。

轻量化和仿真技术

电动卡车、大型SUV和高性能电动汽车所使用的锂离子电池组的重量占比极高，因此，车身工程师使用轻量化材料来抵消重量。但在某些情况下，这会引起车厢的NVH问题。

Saha指出：“为了实现轻量化，我们使用聚合材料来代替钢和其他金属；使用耗散系统来代替屏障解耦装置。但更轻的车身面板仍然存在振动声学问题。乘客希望车厢更加安静，而工程团队则专注于量产效率，在这种情况下，我们引入了不同类型的新型轻质减振材料和其他技术。”

如何减轻由NVH和声学部件带来的额外质量，这是一个需要关注的相关领域。Govindswamy说：“这又回到了从源头减少噪声的重要性的问题。我们正在进行大量的仿真工作，非常具有挑战性，但这也教会工程师如何高效地使用更轻的声学材料。”

与其他汽车开发领域的情况类似，仿真技术愈发成为NVH解决方案不可或缺的一部分。VI-grade是一家NVH和车辆动力学仿真工具的制造商，该公司的产品管理高级主管Dave Bogema指出：“我把NVH解决方案视作一个金字塔：顶层是签字批准，底层是为了实现签字目的而进行的大量桌面工作。”NVH分析工作从桌面开始，工程师首先使用功能日益强大的最新款分析软件对各种想法进行快速处理并剔除不可行的想法；下一步是主观感受，因为如果想要做出可靠的决策，工程师就必须亲自体验NVH。

Bogema说：“你可以在桌面上实现部分功能，但是物理仿真器可以让人体验到虚拟原型车带来的沉浸感和真实感，这是桌面仿真无法比拟的。”

由于预测电机产生的声学噪声和振动涉及多个物理学领域，且各领域之间的相互关系十分复杂，因此预测工作具有挑战性。若要对电机产生的声学噪声进行精确预测，则需要对电磁学、热力学和振动声学分析三个学科的知识进行整合。根据Ansys的说法，准确预测声学噪声需要满足四个基本条件：一个用来解释所有相关物理学基本原理的高精度仿真解决方案；一个用来整合所有物理学基本原理的平台；对机器设计涉及到的各种物理参数进行参数化和优化的能力；以及用来加速实现仿真的高性能计算能力。

此外，车辆动力学也在许多方面与NVH息息相关，它不仅会影响虚拟原型车的评估，也会影响乘客对车辆做工优劣的感知。因此，物理仿真工具正在不断发展，以满足电动汽车的各种精细化需求。

Bogema说：“在驾驶汽车时，你能同时感受到车辆的方方面面。比如涉及多个感官的运动、振动和声音体验的乘坐舒适性，如果想要提高乘坐舒适性，就要把NVH和车辆动力学放在一起考虑，这样可以提供对整体精度至关重要的可重复性和控制功能。”最近，VI-grade在2023年SAE噪声和振动大会上推出了新款紧凑型全频谱仿真器（FSS，Full-Spectrum Simulator）。紧凑型FSS可以在0.5-20 kHz的范围内进行仿真并提供主要和次要的运动、振动和声音体验。虽然没有采用传统的六足式仿真器设计，但FSS的四足设计也让它能够准确地复制在坑洼、鹅卵石或任何其他表面行驶时产生的道路运动。除了提供道路运动外，FSS的振动器还可以通过方向盘和座椅产生高频振动。

VI-grade还推出一款专为NVH设计的紧凑型驾驶仿真器，让工程师能够准确地体验NVH。它的座椅结构允许工程师对一系列虚拟座椅设计进行尝试，而FSS则需要更换物理座椅。Bogema表示，专用的NVH仿真器“可以随时改变座椅参数，让工程师感受不同座椅之间的差异”。他说：“两款仿真器针对不同的使用情况进行设计：FSS在很大程度上针对乘坐舒适性；而NVH仿真器则是为了精细化调校。”

工程师也意识到他们可以在桌面上进行交互式声音设计，并为汽车打造不同的声音效果，而振动功能在其中发挥了作用。Bogema说：“你真的需要在声音设计中考虑到汽车的整体运动吗？也许有时并不需要。”

定制NVH组件

提高车辆精细化的门槛并非电动汽车的专利。专家表示，电动汽车和混合动力汽车的所有细分领域都在推动新设计和降低NVH的新方案，包括目前仍以内燃机汽车为主的细分领域。不过专家指出，除非拥有极好的NVH性能，否则成本压力会让设计复杂的产品销路不畅。

Vibroacoustic的新型、专门设计的NVH支架，用于空气悬架硬件。（Vibroacoustic）

一直着眼于NVH的新产品开发，全球领先的汽车NVH解决方案供应商威巴克（Vibracoustic）最近为空气悬架供气装置（ASU）推出的一款新型可调节支架。如图所示，这款简单而精致的新型ASU拥有一块用于减震的塑料底座（以前为钢制）、波纹管式橡胶衬套以及减震橡胶。衬套材料的特殊特性能在满足刚度要求的同时，抑制压缩机产生的径向和轴向励磁。

威巴克表示，新型安装支架比传统支架更轻、更坚固，并支持在各个方向上进行NVH调整，这是通常用于此类应用的螺旋弹簧无法实现的功能。此外，波纹管式衬套设计模仿了弹簧的性能，可在低应力下支持高位移。威巴克的工程师表示，由于橡胶化合物表现出的动态刚度峰值比螺旋弹簧低60%，因此橡胶材料有助于让共振峰值保持在合理范围内。

据FEV的Govindswamy介绍，未来电动汽车在NVH科学和工程方面的发展关键是维持平衡：即在不降低车辆续航能力的同时，满足客户的精细化期望。“我们正在努力解决的一个挑战是在保证电机效率的前提下接受稍微高一点的噪声程度，但需要车辆做出改进以最大程度降低其对客户的影响。而这需要进行系统优化才能实现。”

NVH软件仿真解决方案

在数十家NVH仿真软件工具供应商中，以下是我较为熟知的产品：

Actran

Actran是海克斯康AB（Hexagon AB，详见下文）旗下的一款针对机械系统和部件声学行为的有限元（FE）建模工具。它被广泛应用于解决400-1500 Hz的中频噪声问题，该频率范围的噪声对电动汽车的设计至关重要。作为一款“开放式”工具，Actran利用现有的FE和CFD（计算流体动力学）仿真模型对来自电动汽车传动系统和辅助系统（车载泵、压缩机）的噪声源进行研究。在通用，汽车工程师使用Actran来优化凯迪拉克Lyric电动汽车的降噪效果。

Altair

HyperWorks仿真套件包含与NVH建模、装配、诊断、分析和优化有关的一系列解决方案。套件中的自定义NVH Director可以整合包括网格划分、装配、荷载设置和后处理在内的全流程，从而实现NVH分析任务的自动化，以减少整车NVH的仿真时间。

Ansys

Ansys允许在概念设计阶段进行快速NVH工作流以对不同电机设计/拓扑结构的噪声水平进行比较，从而对各种车速下的噪声进行预测。借助此工具，工程师可以尽早发现电机噪声的产生原因，平衡电机的各种性能目标，变更相关设计，并同时对NVH、热力和电磁行为进行研究。Ansys Motor-CAD集成了NVH工作流，可以为设计师提供各种力、位移和声功率的呈现方式。接着可在Ansys Maxwell中生成2D和3D模型，并在Ansys Mechanical中进行振动声学分析。

AVL

X-FEM NVH是一个4通道采集模块，适用于所有常见的声学传感器输出类型，比如电压、电荷和ICP/IEPE。每个通道都可以进行单独配置，原始信号则以高分辨率和时间同步的格式存储为压缩文件。AVL IndiCom或AVL Concerto的可选NVH工具箱包括最常见的NVH分析工具和在线NVH宏。

Brüel & Kjær

Desktop NVH、SimSound、Source Path Contribution和Vsound等工具可以让工程师为各种配置的车辆的车内外噪声进行设计和评估；Insight+可以直接从CAE模型中创建让NVH工程师听到并感觉到的噪声，以便NVH工程师全面体验NVH数据。此外，CAE模型数据还可以与测试数据相结合，打造沉浸式的真实环境。

达索（Dassault）

其应用广泛的标志性SIMULIA套件为NVH工作提供了全面的仿真工具集。

Dewesoft

在与NVH相关的工具中，Sound Quality Measurement能满足以实证方式评估人耳如何感知不同机器产生的噪声的需求。这款工具能帮助工程师确定人耳的噪声感知方式、调整噪声，使其让客户感到悦耳。

海克斯康（Hexagon）

该公司的Romax Spectrum套件能够实现电机传动系的NVH仿真功能，并提供完整的、参数化的完整传动系建模，包括齿轮和轴承的接触面。Romax套件也提供第三方CAE工具接口，包括用于声学的Actran、用于多体仿真的Adams、用于电磁仿真的JMAG和Maxwell、用于FE建模的Nastran以及用于车辆NVH和噪声质量的VI-grade。

西门子数字化工业（Siemens Digital Industries）

西门子的Simcenter套件不断添加NVH分析工具。得益于数字孪生方案，这些工具可以准确地预测车辆内部和外部的NVH性能。