西门子工程咨询服务团队解决方案之汽车NVH模拟器

在生活中，我们经常会被问到：“你是做什么工作的？”为避免更多的解释，我给非技术人员的最简单回答是：“我正在与全球的汽车工程师合作，帮助他们设计出听起来声音很棒的汽车”。如果他们中有一个孩子，我会补充一句：“给那些车设计好听的‘呜呜’声（这里指汽车加速时动力总成发出的声音）”。就在最近，我突然想到：“10年后，如果我说汽车会发出‘呜呜’声，孩子们会不会看起来很惊讶？到那时我应该说什么？”

今天汽车的电动化彻底改变了传统燃油车的声音。内燃机车的市场份额在缩小，在纯电动车上，已经没有了燃油车加速时的典型“呜呜”声。汽车开发商面临的许多新的挑战：

• 对目标用户来说电动汽车的声音应该是什么样子的？

• 最终用户会在多大程度上接受“现在更容易听到”的背景噪音？

• 车辆在急加速时的声音和感觉如何？加速声音如何反映品牌价值？

• 或者作为下一步，车辆一旦实现自动驾驶，声音听上去应该是什么样子？它是否仍应在某些时间点提供反馈？如果是，应该是什么时候？

• 随着车辆越来越像是“安装在车轮上的计算机”：如何评估车辆的控制系统对声音感知的影响？

• 如何对车辆进行有意义的具体的机械修改，以改变其声音？

• 是否有解决方案能够回答所有这些问题，不仅是在汽车产品开发的后期，而是在整个车辆开发过程中的任何阶段？

  
  

汽车电动化引起了许多与声音感知相关的问题

汽车NVH模拟器介绍

西门子汽车NVH模拟器可以为上述问题提供答案。通过NVH模拟器可以创建一个正在开发的车辆的完整虚拟版本，即数字双胞胎，并在样车可用之前就能够实现听和感受它的NVH表现。最重要的是，可以轻松的对这个数字双胞胎模型进行修改并评价其修改之后的NVH表现，这样在样车出来之前就规避掉绝大部分的NVH问题，降低样车阶段的风险，缩短开发周期，并节约样车的资源。

如何做到这些？让我们从创建虚拟车辆开始。

车辆 NVH 模拟器由两个模型组成：

• 性能模型：模拟车辆对驾驶员输入的响应；

• NVH 模型：根据性能模型的输出构建车辆的 NVH性能表现

模型帮助工程师设计出具有良好NVH主观感受的车辆

从一组曲线到声音感知的主观评价

车辆开发过程中，设定整车目标然后将目标分解到子系统及零部件是一种常用的控制整体NVH性能的方法。经典的V字形开发周期可以支持这一过程：不同的NVH目标曲线，例如子系统和零部件的阶次或频谱曲线，在开发早期设定为设计目标。尽管这些曲线可能可以很好地控制整体NVH水平，但它们对于控制车辆的最终声音感知可能不是很有用。换句话说：在这个过程中，我们并没有关注到驾驶员对开发车辆NVH性能的主观感受。

从一组曲线到声音的主观评价

汽车NVH模拟器可以将这些不同的目标曲线用于构建NVH模型，并对该模型进行主观评价。因此，工程师可以评估正在开发车辆的主观NVH性能，即便在样车可用之前也可以进行这项工作。通过对前代车或对标车进行简单的整车摸底测试，即可构建自上而下的NVH模型，在该模型中，可以将整车噪声分解为几个主要分量。例如，在NVH模拟器中可以将整车噪声分解为动力总成噪声、路噪结构声、路噪空气声和风噪声。通过调整各部分的水平，主观感受调整后不同，这对于整车的目标设定和目标分解具有实际的指导意义。总之，在车辆开发的任何阶段，都可以定期使用这种方法主观地评估车辆的NVH性能。

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在模拟器的NVH模 型中平衡各分量

评估设计变更对车辆声音感知的影响

在整车开发过程中，仅仅能够进行NVH主观评价是远远不够的。还需要评估设计变更对NVH的影响。例如，有意义的设计变更如何影响或改善声音感知。注意，这里我们特意用了“有意义”这个词。您可以对模拟器上的自上而下的NVH模型进行许多不同的概念性更改，例如重新调整动力总成的阶次水平、放大路噪水平、频带滤波……然而，这些更改是否能够在实车上实施？答案是：不能，因为它们的物理意义和工程价值有限。

评估有意义的替代方案对车辆声音感知的影响

要实现对NVH方案的评估，就要在模型中体现NVH传递路径的信息。那么我们要通过传递路径分析（TPA）识别出各个激励源及其传递路径的特征（通常用力、声载荷、刚度、传函等代表），并将这些源及路径的信息添加到汽车NVH模拟器的NVH模型中，这个模型我们称之为自下而上的NVH模型。该模型可以丰富到包含所有激励源及其传递路径，这取决于我们有多少可用的数据。这样，NVH模型中就不止是一些声音的目标曲线，而且包含了对这条曲线有贡献的源及路径的信息。

通过传递路径分析将路径贡献添加到NVH模型

在汽车NVH模拟器中添加所有的激励源及其传递路径的信息听起来很棒，不是吗？然而，并没有那么简单…

我们通常认为，在TPA模型中修改一条路径，然后重新评价车辆声音是有实际工程意义的。典型的例子是对动力系统的一个悬置支架进行修改，或对一条路径进行滤波。然而，这种模型中的修改在物理上可能是不正确的，并可能导致错误的结论。原因是修改其中一条路径将改变其他路径的特性。举一个简单的例子：如果我修改一个动力总成悬置的刚度，动力总成的重量将重新分布在所有的悬置上，这将影响其他悬置的激励特性。所以说：“只修改一条路径而不影响其他路径”是不符合实际情况的。因此，传统TPA技术不能支持我们评价有实际工程意义的修改的影响。

因此，我们需要开发比传统TPA更高级的技术…

我们想要的是这样一个整车模型，它由各个零部件模型构建而成，这些零部件模型分别具有各自的独立特征，并且可以灵活地虚拟组装在一起。基于部件TPA技术可以帮忙我们实现这项功能。通过基于部件TPA获得结构的物理信息（源的载荷，路径的刚度、传函等），然后将这些信息添加到模拟器的NVH模型，由于每个零部件的NVH特性是独立的，对其中一个部件的修改不会影响到其它部件。在这种条件下，评价车辆某个零部件或某条路径的修改对车辆NVH性能影响是具有实际工程意义的。

有关基于部件TPA技术，请看模态空间公众号文章《什么是C-TPA？》

评估虚拟装配车辆的声音

基于部件的TPA技术，可用于车辆的虚拟装配。通过该项技术构建的整车NVH模型，可用于声音的主观评价。

首先基于测试或仿真方法获得零部件的数据，然后组装一个完整的虚拟车辆模型，进而在车辆声音模拟器上驱动该模型，以评估其NVH性能。

使用西门子Simcenter软件工具组合，NVH工程师能够运用基于部件的TPA方法，通过试验或仿真表征各个NVH关键零部件。我们以电动车为例，跟NVH相关的零部件或子系统有：电驱总成、悬置、雨刮电机、悬架、压缩机、转向系统、车身等。西门子Simcenter 软件组合拥有功能强大的流程，能够将这些关键零件部件进行虚拟装配。主机厂NVH工程师或零部件供应商可以通过统一的方法对特定的零部件进行测试或分析，以表征其NVH特性，并通过零部件库共享这些信息。有了零部件库之后，NVH工程师可以很容易地组装一台虚拟的车辆，预测其NVH特性并在声音模拟器上进行主观评价。由于NVH整车虚拟模型的背后是由各个独立的NVH零部件构成，因此可以单独对一个部件进行修改并考察其对虚拟车辆NVH的影响。关键零部件的NVH特性可以通过试验的方法获得，但在许多情况下，也可以通过仿真获得。例如，内饰车身的传函数据既可以通过试验获得，也可以通过内饰车身模型获得。假设对内饰车身进行了一些修改，可以重新计算其传函并添加到NVH模型中，在车辆声音模拟器上对其进行主观评价。

借助Simcenter Testlab虚拟样车装配技术（VPA），进行车辆NVH预测和主观评价

车辆性能模型

还记得汽车开发中遇到的那些挑战吗：车辆在急加速时的声音和感觉如何？加速声音如何反映品牌价值？除了NVH模型外，还需要车辆性能模型来恰当的评估汽车声音。随着汽车行业电动化、网联化、智能化、共享化的发展，新开发的车辆越来越像是“装在车轮上的计算机”，车辆的控制系统愈发重要，控制策略对NVH性能的影响不容忽视。以前，NVH工程师只能等到样车可用之后，在实车上对动力总成的控制策略进行评估，此时已到了车型开发的后期，控制策略的修改空间较小。对于NVH有利的控制策略可能会跟能耗、驾驶性等性能冲突，在样车阶段可能已经无法对控制策略进行调整。车辆NVH模拟器的性能模型能够用于车辆动力总成的控制策略评估，在样车可用之前，即可评价其对NVH性能的影响。车辆性能模型在车辆NVH模拟器中有四种不同的模式：

• 模式1：手动参数输入。可以通过软件中的按钮手动控制车辆的状态参数（转速、扭矩、车速、档位、油门踏板位置等）做为NVH模型的输入。

  
  

• 模式2：驾驶配置文件。通过配置文件定义真实的驾驶工况，并输入到驾驶模拟器中，在驾驶工况被反复循环模拟时，用户可以更好的聚焦在NVH性能模型的结果上，直观的评估听觉感受。

  
  

• 模式3：参数车辆模型。在软件的模型库中选择一个可用的参数模型应用于车辆性能的模拟。现有的参数模型主要针对内燃机及纯电动车辆基于工程经验所创建，需要用户输入一些典型的参数，例如：车辆质量，功率质量比，风阻系数等，此模式也支持查表获取基础参数。对于像HEV、PHEV等车型，它们的控制系统更加复杂，这就需要用到第4种模式了。

  
  

• 模式4：基于实时平台的外部车辆模型。该模式能够通过实时运行的仿真模型（如Simcenter Amesim）对车辆性能进行全面建模。这种方法提供了最大化的参数灵活性，并且能够就客户重点关注的环节尽可能详细的模拟车辆真实状态。需要注意的是利用该模式模拟车辆状态参数时需要应用西门子的实时机（硬件）。在实时机上，控制系统的Amesim模型可以实时运行，并为车辆NVH模型提供所需的输入。该西门子实时平台利用了基于模型的系统测试技术解决方案（MBST）。

模拟器相关硬件

汽车NVH模拟器系统相关硬件具有可扩展性，针对不同的需求进行定制化配置:

• “桌面级”车辆NVH模拟器：这种配置可以布置在类似于办公室的环境中。这种方式下只需要少量的硬件，即可创造出不错的驾驶体验。

  
  

• “驾驶模拟舱级”车辆NVH模拟器：该种配置中聚焦于真实的车辆驾驶环境模拟，给予车辆内外部环境更高的还原。驾驶模拟舱又有多种不同的配置，用户可以根据自己的实际需求自由搭配。

驾驶场景模拟

为了在模拟器上获得更丰富的驾驶体验，我们更倾向于加入驾驶场景模拟。为此，Simcenter Prescan的基本模块将作为模拟器的一个插件集成到系统中。用户能够将不同的场景导入到驾驶环境中，并根据自己的偏好进行场景调整。根据偏好或需要，驾驶场景可以在一个或多个屏幕上并行运行（添加多个屏幕可以构建对车辆正常行驶或加速工况的更好体验）。