简单分析电动汽车噪音处理思路和方法

传统汽车和电动汽车的核心区别在于驱动源由发动机切换成了电动机。电动机很容易成为新的汽车噪音源，原因有两个：

在非正弦供电的情况，电机存在高频电磁力成分，极易形成电磁噪音，通过辐射和结构传播，在驾驶室内形成复杂的混响。

电动汽车追求轻量化，高功率密度，不但电机质量和刚度变小，车架、后桥等都比传统汽车要轻，因此更容易激起大的振动响应。

两种汽车虽然振源不一样，但振动传递方式、动力学机理是一样的，因此如何降低电动汽车噪音和振动，同样可以系统性的借鉴传统汽车的思路和方法。在汽车界这里有个专门的说法叫NVH工程即Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度，也可以通俗地理解为不平顺性），今天主要分析的就是NVH是如何解决问题的。



传统汽车噪音来源有三种，分别是发动机噪音、空气噪音、路面噪音，其中发动机噪音是核心来源，对它的处理方法和电动汽车的驱动噪音非常类似，因此也是最值得我们借鉴的。



车内噪声的主要来源

传统汽车NVH前辈们解决发动机噪音的方法有很多，总结来讲有三大类方法：

从源头减振法


和电机一样，发动机是一种复杂噪音来源。它主要成分是机械噪音，是由不平衡惯性力引起的振动和噪音。从战略角度而言，把敌人消灭在摇篮里是最佳策略。

从源头上解决机械的方法有：

(1) 多缸串联法

虽然每个活塞冲击力是不均匀的，但通过不同相位的活塞串联，达到总出轴的转矩波动大体上是均匀的。这种思想就相当于电机行业的斜极斜槽、多单元电机。按这个思路出发，多相电机、轴向串联单元电机都是可以减少转矩波动从而降低噪音。

发动机也在追求减少每个活塞的力的冲击，包括减小活塞间隙，因为间隙会导致活塞的偏离力学中心，从而形成不平衡的力，任何不平衡的力都会产生振动。这一点电机也可以借鉴，电机存在理论上的旋转中心，这个中心是电机的力学中心，电机的出轴旋转间隙，不均匀的电磁力都会导致力学中心偏移，就相当于活塞的间隙，当然是越小越好。

(2) 框架拓扑优化法

如果说减小间隙是会产生更高的工艺要求，受制于制造水平，令人敬佩的是，发动机的前辈们寻求到了另外一种解决方法，就是框架拓扑优化法。其核心思想是通过优化拓扑结构减小发动机框架结构受不平衡力激励下的响应。下图就是某款发动机的拓扑结构，你会发现很多优化设计细节。相比较之下，电机人就该有点愧忏，因为电机的机壳、端盖等支撑结构，几乎就没有认真的做过动力学优化。因此优化电机拓扑结构、减小振动响应是很重要的一个研究方向。


拓扑优化的目标是改善机壳的频率响应函数，具体的方法有： 

改善质量分布法；

改善结构具体位置刚度法；

改进结构的阻尼特性等等，相比较我们传统的方法，丰富了很多。

隔振抑振法
彻底消灭振源可是天方夜谭，因此，如何将振动噪音消灭在传播途中便成了议题，NVH工程师们花费了大量的心血用在了这场狙击战上。

(1) 加阻尼悬置或阻尼联结


发动机悬置模型


橡胶悬置的力学模型坐标

如上图所示，NVH们在发动机的和机架的接触位置放置了阻尼器，用以将振动隔绝在发动机内。阻尼能够起到抑制振动的效果，抑制的好坏用传递率来衡量，传递率为100%意味着不起阻尼作用。好的阻尼设计能够将传递率降到30%以下，也就是说大部分的振动被狙击掉了。



橡胶隔振器


橡胶隔振器力学模型

但阻尼有一个问题，就是一种材料对低频的阻尼效果好，对高频就不好，反之亦然。也就是说，会出现在低速和高速不能兼顾情况。这相当于狙击战上，要么只能打步兵，要么只能打坦克。这没有难倒NVH们，他们又发展出了液固混合阻尼，磁流阻尼。前一种阻尼能够在很宽的频率下，都能起到很好的效果；后一种阻尼不但有此优点，更能够用电流来控制阻尼效果和阻尼频率。这就带来了一项主动阻尼的效果，可以根据不同的频率、强度，针对性的调整阻尼参数，这就相当于能够灵活的调整火力配置和强度。当然这种阻尼材料一般用在豪华轿车上。


左：零磁场下的磁流变液；（右）强磁场下的磁流变液
不同磁场下材料的黏度不一样

除了在发动机缸体上安装阻尼材料，减少发动机不旋转部分振动的输出。针对发动机的旋转部分也可以设置阻尼材料，达到隔振的效果。

(2) 减振皮带轮

减振皮带轮是由一夹在皮带轮和轴套间的橡胶隔振板构成的（见下图）。当曲轴稳定转动时，转矩减振器与之同步转动；当发动机转速变化并产生转矩波动时，这个减振器会使橡胶隔振板扭转，以保持现有转速，吸收了扭转振动。


隔振和消振的策略是有效的，也是值得电机人学习的。车用驱动电机的定子系统要么是法兰安装、要么是底座安装，可以尝试采用适当的阻尼材料来作过渡，但这会引起对中精度的下降。对旋转系统，一般都采用齿轮或花键直接刚性连接，也可以采用柔性连接过渡。比如现在开始兴起的磁性连轴器，就是一种非接触连接，靠电磁传递将力传递到齿轮侧，而且这种方法对中容差很大，有利于在定子侧安装阻尼材料。

消音吸音法

如果说即没有把振动消灭在摇篮里，也没有狙击在路径上，那么现在只有最后一道防线了，那就是不要让振动变现成噪音。在车体内设置吸音材料，在主要噪音源处设置消音结构。如何设置吸音材料不用我们考虑，市场上有大量的吸音棉，吸引复合板、吸引镀层材料可供选择。对于电机表面发出的高频电磁噪音，可以用包裹吸音材料的方法加以抑制。


(1) 主动消音法

设想很简单，就是在管道中安装一个传感器提取声学信号，然后经过一个控制器产生一个大小与管道声压幅值相等、相位相反的声信号，来抵消管道中的声音，如下图。


这种手段再结合控制算法，就能够创造出一个相当安静的驾驶空间，即便振动很大。

(2) 全车系统频率管理

在NVH工程师们的三种方法外，小编还看到了一些更底层也更基础的方法。比如全车系统频率管理，这是一种更系统性的方法。就是将车体的主要部件的固有频率、响应函数、阻尼系数、振源的频谱特性都作为管理要素，这样就可以动态预判共振风险，如果在期间加入一些可控的响应元件，比如说磁流阻尼、主动消音元件；在行驶过程中，通过主动调整避开或快速通过共振频率带。这种方法和理念看的我目瞪口呆，太先进了。不过也给我带来的启示，电机本身就是一个可控的元件，在遇到共振点时，电机人有更便捷的方法快速越过共振点，比如跳频技术、转矩脉动动态补偿技术，这一点传统汽车就没有这种便利，因为发电机更难控制。 

小 结：

汽车工程师们自嘲 NVH是门玄学,博大精深。通过对玄学的速览，发现了自己是地道的井底之蛙。在我们洋洋得意的晒仿真图片:”看我把机壳的固有频率算出来了”时。NVH工程师早就把频率、阻尼、传递函数玩腻了，在此基础长，发展出了完整的方法论体系和工具体系比如：被动减振、主动减振、被动消音、主动消音、动态阻尼调整、局部刚度优化、质量分布优化等等，无论在高度还是深度上都领先我们一代认知。