对NVH基础的理解：从客户主观预期到客观测量

前言

对NVH的设计需要结合客户对产品的预期及车辆设计和开发的流程。对于客户来说，NVH就是座位、底板和方向盘的振动水平对应的车辆“感受”，以及根据听到的内部噪音量和质量来判断汽车听起来怎么样。对于设计和开发工程师来说，NVH就是测量出来的触觉和听觉上的反应。

本文将描述从客户主观预期到客观测量的转化，这可以通过车辆NVH模拟和试验系统实现。另外，本文在讲述NVH设计基本原则的同时，还将涵盖确定车辆和子系统的设计目标的过程。

车辆主观和客观目标的设定

目标设定过程

对乘用车NVH性能改进的不断需求，复燃了人们对研究驾驶环境舒适性测量指标的兴趣。开发新车型的首要步骤之一就是确定NVH的目标特征。可作参考的现有车辆通过客户驾驶诊断、专业驾驶评估和设计管理来选择，这一过程确定出的一种或几种车具有将来用于新车的NVH质量或形象特征。

以相对于基准车需要对新车做出的相关改进为目标，人们会对这些形象车辆进行主观的评分。比如，新设计的车要比基准设计高出1/2评分点。

然后，人们会对这些形象和基准车进行客观定量的试验，比如测量触觉振动和听觉噪音的水平。这一过程建立起对NVH性能的主客观测量的关系。在克莱斯勒，这一关系很好的和主/客观评分系统联系起来，其中主观评分系统建立的基础是人类对振动的敏感性。通过整车水平的NVH定位可以进一步确定子系统的目标，这一过程随后将在本文加以阐述。

本段的目标是将体现在10分制评价表上的主观评价与特定的客观测量方法联系起来。这两种方法在汽车领域都很常用。为了保证NVH，成本、重量和制造过程都会受到影响。评价系统的使用提供了定量测量的方法，将不同设计带来的对主观感知的影响进行了排列。

10分制评价表

比较不同项目等级的通用基础是10分制评价表。SAE开发了10分制量表的使用指南。表1最初用来对噪音和汽车轮胎驾驶的舒适性进行评分。如今，这一量表已普遍使用在汽车行业用来评价行驶、操作、NVH、性能感受和与经验感知有关的各方面的汽车性能。

表1 10分制评价表



触觉振动标准

此处讨论的振动标准主要是针对指客户能感觉到的振动，即，乘客的脚部、座位、胳膊和手与汽车接触的地方感受的振动。在特定的乘用车中，振动的频率范围为0--25Hz，这一范围被称为 shake 区 （表2）。

表2 典型NVH问题与频率



人们进行了大量的研究并发明了各种指示器来评估人类对振动的敏感度。Goldman曾做了一项研究，来描述关于人类对正弦振动振幅（图2所示的频率和加速度级的函数）的敏感性。得出3个宽频分类，每一类都有上下频段，证明其表现出的10个等级与主观10分制量表对应。

代表5.0和6.0等级的直线体现在图1中。很明显，如果我们使用加速等级线作为评价的标准，那么振幅极限值会跟随频率变动。但是，如果我们转化成速度基准（加速度的积分或函数结果），那么等级将和频率的关系将更稳定，并且能实现恒速，因为达到了可接受的临界点。



图1 对触觉振动的敏感度

基于以上的假设，可以得出对应于速度的一个简单稳定的振幅极限值。将这一数据用于第5和第6等级线，可以得出触觉评分公式：



其中， SR是主观的评分，V是触觉速度水平，单位为毫米/秒。

对于一个特定等级的汽车，这一标准可能随着顾客的预期（和设计管理）的变动而变动。

举例来说，人们对豪华车的主观评价为5分时，可能对应于中等车的6分。这表明对于相同的主观评价量表，人们希望豪华车的振动水平较低。

听觉反应标准

这里考虑的是乘客在正常操作条件下，在车内听到的声级。在20--50Hz阶段，有一个重合区，可同时感觉到和听到NVH振动和噪音，然后噪音占据主导。在50--300Hz阶段，结构传播噪音会占据主导，然后进入重合区，直到空气传播噪音在超过500Hz时占据主导地位。一般来说如此，不可避免例外情况。

低于125Hz的结构传播噪音具有重要意义，因为此时大多数噪音能源都会出现。一个特定的车型在这个区间会有主振动形式（第一阶）所以在设计时必须非常留意，以防止不愉快的噪音等级。同样，这一区间可以很容易得用车辆系统的计算机模型加以模拟，在汽车行业可以获得特定的计算资源。

这里制定的标准要考虑纯音的音量。这一选择的事实基础是：很多NVH问题都是单一来源问题，尤其是在低频率的结构传播区域。这些单一的来源产生的噪音在频率明确的情形下不被接受，接近于纯音。

纯音的等响曲线见图2。此曲线代表人耳可分辨的声压范围，适用于持续的、以phons为单位测量的声压曲线。与触觉相似，可以找出10个等级来代表主观10分制量表。图2已经注明了第5和第6等级。



图2 人类对纯音的敏感度

从这一点可以看出我们的标准似乎很复杂，因为其等级跟随频率而变化。当使用A加权因素时，每一等级的噪音限度与频率的关系变得几乎稳定。

在20到125Hz的范围内并且使用A加权进行计算，第5和第6主观等级的平均声压分别接近于49.1和43.4dBA。得出以下关于声波主观与客观等级的等式：



其中： SR是主观等级， SPL是A加权声压分贝等级。

标准的应用

从触觉和听觉的主客观评价公式得出的关系非常简单。但是，当试着描述人类主观反应时，得出的结果常常不太具有预测性。

如果不把这些关系当成绝对的标准，仅用来考虑对相关变动的预测还是有用的。实际上，如前文所说，在设定车辆NVH目标时，大多在一种车的基础上进行改进。

使用开发出的触觉和听觉评价等式，我们可以发现等级增加1分，相当于触觉振动降低41%，声压降低48%。这正表明了，50%反应的变化可以实现明显的感知改进。其他作者也得出相似的结论。

对NVH的设计基本原则

汽车NVH问题包含触觉和听觉的反应。触觉反应的典型例子有座位振动、底板振动和方向盘振动。听觉反应包括在司机耳旁的声级和后座乘客耳旁的声级。噪音来源分为空气传播或结构传播来源。振动通过悬架衬套和传动支架传递到结构会产生结构传播噪音。通过传动系、轮胎和排气系统的表面发出的噪音被称为空气传播噪音。本文主要研究结构传播噪音。

在特定汽车里的大部分噪音能源都低于125Hz。低于125Hz的噪音和振动问题一般必须通过主要的结构调整来解决，比如加横梁、加强板、增加横梁截面尺寸等。对于高于125Hz的情况，车辆内部的噪音则一般为主要问题，可以通过局部设计优化来解决，比如对车板珠化和阻尼处理。

针对NVH性能进行的汽车结构设计，首先要定义整车的NVH目标，这在前面已经有所描述。这些目标建立的基础是客户和市场对产品的预期，这通常通过主观的评价来表述 （比如对怠速shake 的主观评分为7）。需要在设计过程中解决的典型NVH问题和频率范围等概括在表1中。

表3 用于NVH模拟的载荷条件



表3概括了用于NVH分析的路况、轮胎和传动负载条件。针对NVH的车辆系统设计包括将对这些输入的触觉和听觉反应降到最低以满足需要的NVH性能。通过“隔振”设计，可将悬架和传动系等车体的结构受力有效降低。隔振可以在激励频率高于系统正常频率41%时实现，如图3所示。



图3 传递比vs频率比

悬架（非簧载质量）的振动频率范围一般为12-15Hz，簧载质量的行驶频率范围一般为1-2Hz。所以，悬架可以有效得将车身从高于行驶频率的路况干扰中隔离出来。

动力总成悬置系统包括独立于除车身、底盘外的动力传动系。对一个4缸发动机来说，第二阶气扭矩是显性激励. 怠速隔振达到每分钟700转时，要求发动机模式要低于16赫兹。

虽然设计隔振悬置，可以减少对车身结构的冲击力，但对车身仍有一定残余冲击力，残余冲击力可以使车身结构发生变形，从而通过触觉和听觉可以感受到车身对这种残余冲击力的响应。设计隔振悬置系统也不总是可行的。举例来说，当车身运动模式接近悬架上下运动模式时，车辆响应将以动态振幅为准。车辆运动模式接近悬架上下运动模式时（频率接近1.0，见图3）会比车辆处于弯曲和扭转模式时（频率接近5.0）产生更大的动态振幅。车主如何能察觉到有振动，取决于频率范围，请见表1。

对于好的车辆NVH性能，车身结构必须有足够刚度，可以最小化噪音和振动，最大化使用性能，最小化短促尖利声和持续不断的敲击声以及提供一个全面的“整合”。车身结构上的悬架附件和传动支架必须具有足够的刚度来支撑悬架衬套和动力传动系产生的隔振力和阻尼。

一般来说，车身刚度是衬套和托架刚度的5到10倍，另外，车身结构就是支架系统的一部分。图4表示的是不同车身/衬套刚度比对应的有效的系统刚度。对于一个大于衬套刚度5倍的车身刚度，整体系统刚度大约是衬套刚度的83%，一个大于衬套刚度10倍的车身刚度，整体系统刚度是衬套刚度的91%。



图4 刚度和阻尼因素vs车身/衬套刚度比

图4也表示出车身/衬套刚度比增加导致整体系统阻尼增加。悬架衬套和发动机托架比车身附件的阻尼大。当车身结构变得更坚硬时，更大的应变力就会转移到衬套上。所以，当车身结构刚性更强时，整体系统阻尼会接近更强的衬套阻尼。简单的说，在橡胶件上下功夫比在车身结构上下功夫会从衬套和托架上获得最大的隔振力和阻尼。

子系统目标设定

一旦车辆系统的主观NVH目标被设定，下一步我们需要设定满足主观NVH目标要求的全部客观的车辆响应特性（曲线）。 根据之前触觉和听觉评级公式可以预估客观目标值。举例说明客观目标值请见表4。 对两台已知可以满足一些或全部主观NVH目标值的车辆进行比较，通过测量这两台车的触觉和听觉响应来确定客观响应特性（曲线）。比较主观和客观结果，用来验证和精炼触觉和听觉公式。在硬件设备到位前，从分析结果中，这些等式可以用来预测车辆主观评定变化。

表4 车辆响应目标



在新样品可用之前，以上的客观测量方法我们可以通过受控的实验室试验创建一个流程来评定他们的等级。另外，在硬件到位前，我们可通过设计整车计算机仿真系统近似受控的实验室试验流程的软件来精炼新样品。计算机仿真系统比仅试验可以设计多种备选方案和优化研究。同样，仿真系统可以在不同载荷情况下评估产品耐用性，例如车轮，传动系统以及动力传动系统紊乱（在开发周期时间内不可能测试出）。



图5 频率间隔图

在建立响应特性后，通过分析主要的车辆子系统性能，建立子系统性能目标。频率间隔图是显示子系统目标一个非常有用的工具，请见图5。 频率间隔图表示的是子系统目标如何与底盘、传动模式、内部声音模式以及激励来源保持平行。对于整车而言，通过测量比较车辆的子系统以及仿真分析建立子系统目标。典型的子系统性能参数，按优先排名顺序包括：

• 带附件的白车身的弯曲和扭转自然频率。
• 车身声阻
• 车身灵活性
• 白车身弯曲和扭转自然频率
• 白车身静弯曲和扭转刚度

总结，客户和市场目标以及车辆比较评估用于定义车辆子系统目标。这些子系统目标和车辆比较试验以及车辆仿真用来定义车辆客观目标。最后，客观目标和子系统目标以及仿真用来定义子系统目标。从客户和市场目标到子系统目标的过程流程图请见图6。



图6 从客户和市场目标到子系统目标的过程流程图

需要强调的是，虽然满足了子系统性能目标但并不能表示整车NVH目标也随之自动满足。在进行到车辆系统等级前，子系统目标只是一个用来测量不同设计方案的相关性能的工具。换句话说，子系统目标为评定不同设计方案提供了一种方法。如果一个子系统不能满足目标，那么子系统必须重新被评估以确定对车辆系统NVH目标的影响。如果影响很大，那么其他子系统的性能目标也必须调整以补偿缺乏的性能。表现不好的子系统有时会被成为“薄弱环节”，使取得整车级目标受到妨碍。在车辆开发时间内，一个有效的仿真和优化能力是挑选设计折衷方案的工具。
结论
前面所说的可以概述为是一个流程，为获得客户与市场目标，需要结合车辆比较评估值到主观和客观的车辆系统设计目标。这些车辆设计目标会进一步被分解为子系统和零部件设计目标。基础设计理念在整个流程中用于获得想要的设计目标，例如隔振设计，频率间隔，车身结构刚度比。