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1、汽车噪声控制技术领域的最新进展及趋势摘要：对汽车噪声控制技术领域的最新进展及发展趋势进行综述, 包括噪声控制技术在汽车新产品设计中的应用( 整车级别的声学品质目标设定、系统和元件级别的声振特性目标设定) 、NVH 仿真分析的置信度、NVH 虚拟环境技术、车辆噪声控制的材料及结构技术等相关主题。1 前言近年来, 随着发动机技术的突飞猛进, 发动机噪声有较大幅度的降低。发动机之外的其他噪声来源如传动系噪声、轮胎噪声、排气噪声以及车身壁板结构振动辐射噪声等, 对车辆整体噪声的贡献份额相对增大, 对它们实施控制的重要性也与发动机噪声控制同样重要。车辆噪声控制问题的复杂程度剧增, 主要体现在噪声控制方向
2、的模糊性、广泛性, 以及各类噪声来源与车辆整体噪声水平之间的弱相关性。这里需要指出, 由车身壁板结构振动辐射的噪声, 在车内空间建立声场并与车身结构振动相耦合,其噪声能量主要集中在低频。对于这类噪声, 特别是在20200 Hz 的频段内, 给人的主观感受是一种所谓的“轰鸣声”, 即通常所说的“Booming”, 能造成司乘人员强烈的不适感。在如此低的频段内, 常规的吸声降噪措施几乎无效。目前, 主动消声技术尚不成熟, 由于其用做控制声源的大体积低频扬声器的空间布置受到限制, 亦不能很好地实现工程应用。事实上, 对Booming 的控制仍是目前世界性的难题。当前, 同档次车型在常规性能方面的综合
3、性价比越来越接近且均已达到较高水平, 因此, 提高车辆噪声控制水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向。在此背景下, 车辆的NVH(Noise /Vibration /Harshness) 性能正逐渐演变为重要的设计指标, 这也是用户所关心的整车性能指标之一。汽车噪声控制水平必将成为决定车型开发成功与否的不可或缺的重要因素之一, 与之相关的分析、测试及材料技术等自然成为汽车工程领域关注的新焦点。2 噪声控制技术已应用在汽车新产品的设计阶段国外一些汽车公司已将噪声控制的理念和技术纳入到新车型设计流程的关键环节 , 例如概念设计、技术设计以及改进设计等阶段, 以期从设计源头上确保车辆的NVH 品质。噪
4、声控制技术应用于新产品的设计阶段, 其主要技术环节亦按照内在的逻辑而构成相对规范化的技术流程, 一般包括车辆声学品质目标设定、低噪声设计与优化、声学品质评价及设计验证等步骤。当前, 声学品质的目标设定已成为工程应用领域研究的新热点, 具体又可分成如下2 个层次。2.1 整车级别的声学品质目标设定按照新的设计理念, 整车级别的声学品质应当既能够满足一般意义上的声学舒适性要求, 又能够充分体现车型档次并强化品牌特色。正如每个人都拥有自己特定的音质和音色一样, 或委婉动听以体现其优雅性, 或浑厚深沉以体现其尊贵性, 或豪迈奔放以体现其充沛的动力性, 等等。具体处理时, 往往可以从对照( 竞争) 车型
5、的声学品质出发, “剔除”其中不满意的成分, 然后再将其设定为新车型的声学品质目标。在这方面, 近年来迅速发展起来的小波分析技术为问题的解决提供了有效手段。国外已有汽车公司将小波变换用于冲击噪声特性的修改9, 其处理过程类似于经典的短时傅立叶变换, 但却更为有效。2.2 系统和元件级别的声振特性目标设定显而易见, 系统和元件的声振特性必须服从于整车声学品质的总体目标要求。这意味着, 应当从整车声学品质出发, 采用“自顶向下、层层分解”的方法来确定各个系统和元件应达到的声振特性目标要求即“Cascade” , 而仿真分析和最优化技术则是支持Cascade 处理过程的有效手段。噪声控制技术包含主动
6、控制、被动控制两个方面, 如何将其统一于汽车新产品的设计流程中, 并与汽车结构的低噪声优化设计相结合, 将成为进一步研究的方向, 也预示着相关技术的发展趋势。3 仿真分析的置信度仍然是应用领域关注的重点3.1 NVH 是一个系统性问题现阶段, 计算机仿真分析技术在汽车产品设计开发中的应用已相当普遍, 然而, 仿真分析的置信度一直是该技术应用中的“瓶颈”问题。对于物理机理和数学模型高度复杂的车辆NVH 性能, 其仿真分析的置信度更是不易保证。这主要因为: NVH 是一个系统性的问题, 涉及车辆多个系统的相互作用, 问题的研究与解决依赖于声学、结构振动及系统动力学等多个学科中的深层知识。同时, 车
7、辆行驶环境具有较大的随机性, 其内在的有关结构、性能参数也具有一定的分散性和变异性, 这些不确定性因素的存在使问题变得更加复杂。另外, 很多情况下用作仿真分析输入条件的基础性技术数据并不完备, 这会对仿真分析的置信度产生致命影响。3.2 NVH 性能仿真试验与分析工具当前, 对于车辆NVH 性能的仿真分析研究均十分重视其置信度的检验与提高。一般认为, 最具说服力的仿真分析置信度检验方式是分析与测试结果的一致性对比。然而, 测试结果本身也存在“置信度”的问题。特别是声学测试, 对于测试流程、条件及环境非常敏感, 在很多情况下测试结果本身就具有较大的分散性, 因而导致仿真分析置信度检验标准的缺失(
8、 不可靠) 。为扭转这种被动局面, 国外已有研究者将重点转向“试验可靠性”的提高。另一方面, 当前应用领域出现了多种支持NVH 仿真分析的CAE 软件系统, 如SYSNOISE、AUTOSEA 等。基于不同核心技术的软件系统, 其处理问题的适用范围各有侧重。为确保仿真分析的置信度, 应充分考虑具体问题的特点而合理选择软件工具。例如: 声振耦合有限元技术主要适用于低频范围, 是分析车内低频结构辐射噪声的有效工具; 而统计能量法则更适合于模态密集的中、高频段噪声分析。值得注意的是, 为完善仿真分析所必需的基础数据条件, 国外汽车工程界投入了不懈的努力,目前已有机构建立了车内噪声数据库系统, 能够覆
9、盖15 种车型的典型行驶工况16, 从而有效地支持了仿真分析过程并有助于确保其置信度。3.3 NVH 仿真分析的发展趋势为进一步从根本上提高NVH 仿真分析的置信度, 必须立足于有关理论及方法的创新, 这也是仿真分析技术的发展趋势, 其集中体现在如下4 个方面。a. 多学科综合分析针对整车结构的多个系统, 集成声学、结构振动及系统动力学理论, 解析学科耦合关系, 建立多学科综合的车辆NVH 性能仿真分析模型, 并进一步研制开发适用于工程领域的CAE 软件系统;b. 混合仿真针对仿真分析建模、求解、检验及修正的全过程, 确定NVH 仿真与试验流程的交互方式, 建立分析与试验研究一体化的车辆NVH
10、 混合仿真模型, 并研制开发相应的软件及试验支持系统;c. 仿真分析输入条件反求以动力学系统的输入识别理论为基础, 引入试验模态分析及KBE 技术, 通过简单的设计性试验以反求仿真分析的输入条件, 同时确保其具有较高的精度, 从而缓解仿真分析基础数据不完备的矛盾;d. 不确定性影响因素分析揭示车辆内在结构、性能及使用环境中相关不确定性因素对其NVH性能的影响规律, 预测在不确定性因素情况下的仿真分析置信度, 并建立相应的评价准则。4 NVH 虚拟环境技术进一步走向工程应用针对车辆NVH 性能的CAE 分析结果, 已不仅局限于曲线、图表的形式。借助于虚拟现实环境, 可向有关技术、管理人员及最终用
11、户提供身临其境般的听觉、触觉及视觉感受, 从而能够在车型开发的早期阶段, 先于样车的出现而切身体会其NVH 性能,并据此进行主观、客观评价和改进设计方案。这个在几年前提出的技术概念已成为现实, 并在工程应用中不断完善, 从而逐步走向成熟。据报道, 国外已有汽车公司研制出适合于工程应用的交互式NVH 性能模拟装置NoViSim, 可对由CAE 模型预估及性能试验获得的车辆噪声、振动信号实施精确回放。评价人员( 技术人员、管理人员、用户等) 首先设定被模拟车型的相关参数及载荷、路况等环境信息, 然后在虚拟现实场景中对油门、制动、挡位等进行交互式操纵, 获得关于噪声、振动信号的实时反馈与切身感受。还
12、可随时切换车型参数, 以便针对不同车型进行性能对比。该系统目前已被有关企业纳入其新品车型的设计开发流程, 用于动力传动系统的声学品质目标设定以及概念设计虚拟样机NVH 性能的主观评价17。应用车辆NVH 虚拟环境技术, 可以在设计开发流程中逐步摆脱对物理样车的依赖, 并最终实现“零样车”的NVH 设计开发模式, 从而大大缩短设计开发周期并降低费用。除此之外, 一方面, 基于对测试环境的完全可控性, 上述虚拟环境技术能够从根本上克服传统实车道路测试方式下的测试环境难以再现以及测试结果一致性较差的弱点;另一方面, 较之传统的实车消声室内NVH 测试评价方式, 虚拟环境技术能够提供高度逼真且更为丰富
13、的驾乘工况体验, 由此可大大提高NVH 评价结论的普适性与说服力, 并可成为联系专业人员与用户的技术桥梁。由于尚未实现商品化, 迄今为止, 类似于上述NoViSim的车辆NVH 性能模拟装置仅由个别企业研制并应用。为使这项技术得到推广, 实现其商品化是必由之路, 这也是技术发展的客观要求与必然趋势。5 用于车辆噪声控制的材料及结构技术有所创新和发展迄今为止, 阻尼、吸声材料及结构在汽车噪声控制领域获得了极为广泛的应用, 例如: 阻尼涂层、泡沫材料、约束层阻尼结构、内饰吸声表面以及最近出现的ABA 隔热墙衬垫, 等等。这些已成为改善车辆NVH 性能的最主要的工程处理手段。传统的阻尼、吸声材料及结
14、构普遍存在低频性能差、空间难以布局等弱点, 限制了其在汽车上的有效使用。因此, 汽车噪声控制领域目前迫切需要能够克服上述弱点的新型材料及结构。在这方面, 非阻塞性粉体及颗粒阻尼结构(NOPD) 是一项极具价值的新技术, 其适用频带宽, 可以不占用有空间, 并且成本低廉。为使该技术能够在汽车工程领域得到推广应用, 目前需要通过进一步研究解决两方面的问题: 一是对其阻尼作用机理的深入揭示, 二是工程应用的指导性原则和技术规范, 且后者更为迫切。在噪声、振动的主动控制领域, 压电材料体积小、质量轻、响应迅速,因而具有良好的工程应用前景。目前, 国外已有技术机构将压电陶瓷材料用于新型汽车消声器的研制开
15、发 , 试图将压电材料制成传感器和激励器并集成于汽车相关构造当中, 例如转向柱等, 从而形成机敏结构。现阶段, 在汽车噪声控制领域, 压电材料技术的应用研究多数还处在探索、试验及改进的阶段。然而, 鉴于压电材料的种种优势以及汽车噪声控制的迫切需求, 在短期内走向工程应用是其必然的发展趋势。6 结束语长期以来, 汽车工业发达国家对汽车噪声控制问题给予了高度重视, 积累了较为丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验。然而, 由于问题的复杂性, 该领域目前仍然存在着大量的理论和技术空白, 其中有许多是世界性的难题, 这意味着相对于汽车技术的其他方向, 在汽车噪声控制领域中, 目前尚未形成被发达国家技术垄断的格局。国内汽车行业应当充分把握这一时机, 在跟踪、学习国外先进技术以形成“后发优势”的同时, 通过自主创新,力求在短期内取得某些方面的率先突破, 从而带动汽车噪声控制技术的整体跨越式发展。
