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1、NVH基础知识分享一、声学相关NVH的基本概念NVHNoise, Vibration, HarshnessNoise 噪声噪声主要分析频率范围：20Hz 5000Hz通过频率特性、幅值和品质来评价Vibration 振动振动主要分析频率范围：0.5Hz 50Hz通过频率特性、幅值和方向来评价Harshness ？国内有多种翻译，如粗糙度、平顺性等，但都不是很妥贴主要指的是由于振动噪声的综合影响导致的粗糙、刺耳和不和谐的感觉主要与路面的激励有关研究频率范围：低频声音的度量声压声功率声强声品质声压人耳能听到20Hz到20KHz的声压。人耳刚能听到的声音叫听阀，很大的听起来受不了的声音叫痛阀。声压从
2、可听阈到痛阈，范围很大，达到若干数量级，不便于比较噪声的大小用声压来度量，即由空气压力波动的幅值来度量通常用对数表示，称为声压级（dB）Pe为声压，单位为PaP0=210-5Pa，为人耳对1000Hz空气声能感觉到的最低声音。0dB就是210-5PaSPLSound Pressure Level声压没有方向性，是个标量声压相加声压相加实质为能量相加能量增加1倍，声压增加3dB两个相同的声音同时作用时，声压增加3dB.声能量降低一半，才能将噪声降低3dB背景噪声低于被测噪声10dB时，对测试结果没有影响比如被测噪声70dB，背景噪声为60dB，则在有背景噪声时测试结果为：L（70dB+60dB）
3、=10lg(107+106)=70.4dB声压相加在有若干噪声源同时作用时，必须对最大噪声源进行控制才能有明显作用，而仅对多个小的噪声源进行控制则对总的声压级没有大的影响比如：有70dB噪声源1个， 65dB噪声源3个，则总声压级为L（70dB+65dB+65dB+65dB） = 10lg(107+3*106.5) = 71.19dB若将3个65dB都降低3dB，总声压级为：L（70dB+62dB+62dB+62dB）=10lg(107+3*106.2)= 70.6dB若将70dB的噪声源降低3dB，总声压级为：L（67dB+65dB+65dB+65dB） = 10lg(106.7+3*106
4、.5) = 69.1dB声功率(Sound Power)声源发出声音的能力通常用声功率来表示声功率是指单位时间内声源发出的声能量或通过某块面积上的声能量声功率是标量，同样需要用声功率级来表示声功率测试有精度较低的工程法也有精度较高的精密法，既可通过声压测量得到也可以通过声强测量得到发动机的声学性能一般用声功率来表达，可在距发动机表面1米的球面上通过声压测试来计算得到声强（Sound Intensity，SI）声强则是通过单位面积的声功率声强是个矢量，能够表达声音传播的方向，是描述声场特性的一个重要方法，也是测量声功率的方法之一声强可通过两个相隔一定距离的传声器进行声压测量来计算得到声强测量是声
5、场测试的有效方法之一，但通常只能对稳态工况进行测试，如发动机的定转速声品质（Sound Quality）仅用声压级不足以完全描述一个声音两个相同声级的声音可能由于频率结构等因素的差异而让人有完全不同的感觉由于声音遮掩效应的存在，单频率的纯音总是比多频率成分的声音让人觉得烦躁，更让人觉得刺耳常说的汽车轰鸣声主要是因为在某个时刻，汽车噪声中某个频率的单频声占的绝对优势变化不定，没有规律的声音总是会比能够预期的声音让人感觉不安波动大的声音总是会比平稳变化的声音让人觉得烦躁声品质的描述在汽车噪声评价中，主要用以下术语来描述声品质响度尖锐度粗糙度波动度语言清晰度声压计权不同频率的噪声对人的影响不一样同样
6、声压级的高频声感觉会吵闹一些，低频声则感觉安静一些为使声压级更能表达人对噪声的感受，采用了不同的计权声压级，如A、C、D计权。通常所说的声压级都是指A计权声压，用dB(A)表示,与人对噪声的感觉最接近。A计权中以1000Hz为基准，低于1000Hz乘以小于1的系数，而大于1000Hz则乘以大于1的系数在以低频噪声为主的汽车噪声中，A计权声压级比不计权的声压级低得多多普勒效应：声源相对于接收者运动时，其声音频率会发生变化声压级结果时间轴分贝值轴（请注意是否加权）模拟信号：未经数字化处理的连续信号。数字信号：数字化的离散信号，适用于计算机处理。信号及FFTl 数字信号处理傅里叶变换傅里叶变换（离散
7、）快速傅里叶变换 FFT :乃是 DFT 在计算机上实施的一种快速算法， 该算法（称基2 算法）要求N=2 M （M=log2N）， M 为正整数。方法的基础是对数据序列实行奇偶分 解，使长序列的DFT 变为短序列的DFT重叠在有加窗的情况下，重叠处理能更好地利用无重叠情况下被忽视的数据。采样(Sample)采样也就是将连续信号离散化，包括时间离散和幅值离散两方面，是用计算机进行分析的必经步骤采样步骤：时间离散：按一定规则（如等时间间隔）将无限时间，离散到有限的时间点上，即有限的时间点来近似地表示无限的时间幅值离散：将量程离散为有限幅值点，一般为2的n次方个点，然后用这个尺度去量时间离散点的幅
8、值，度量的结果作为该时间点的采样值时间离散和幅值离散是同时进行的采样示意图0V0.5V1V1.5V2V2.5V3V3.5V4.5V5V5.5V6V6.5V7V7.5V4V0123456791011121314158t (s)V (v)0123456789101112131415这个信号采样后得到序列: 6,11,9,4,1,6,11,10,5,1,5,10,10,5,1,5计算机也就是用这个序列来表示和存储这个信号混淆采样定理：采样率 fs 应大于感兴趣最高频率 fm 的二倍，即: fs 2fm 采样率过低会使混淆问题变得严重，甚至导致错误的结果，如下图所示。fs 2fmfs 2fm采样频率的
9、设置越高的采样频率，信号的时域特征表达得越清楚，但进行频谱分析时，相同谱线数的频率分辨率越低运用FFT进行频谱分析时，得到的频谱也是离散的，每个频率离散点称为一条谱线，且谱线数为2的n次方幂，谱线数越多，频率分辨率越高设采样频率为fs，则分析频率fc= fs/2。若谱线数为1024，则频率分辨率f= fc/1024可以通过降低采样频率和增大谱线数来提高频率分辨率能量泄露由于信号仅在一个采样周期T 内被测量，而DFT DFT 却假定其表征了所有时刻的值。如果一正弦波在采样时窗内不是整周期采样，其结果由于边缘的不连续性，使得能量从本来的谱线处显著地泄漏至相邻频域。泄漏是伴随数字信号处理最严重的问题
10、之一！能量泄露的解决方法 一是保证采样周期同步于信号整周期； 二是保证在采样周期的起点和终点处，信号的幅值均为零（该方法的实现通常使用加窗的方式）。各种窗函数的选择汉宁（HanningHanning）窗 这是在对随机信号作一般目的分析时最常采用的窗。它具有拱形的滤波特性。区分小幅值邻近频率的能力较低，因此不适合小信号的精确测量。力（Force）窗这种窗用于锤击法模态试验情况下的瞬态信号分析。它专用于削减激励通道的杂散噪声，如图所示。在脉冲作用期间其取值为1，其余时间取值为0。指数（Exponential）窗这种窗也是用于瞬态信号的分析。目标是使信号在采样周期的终点衰减到接近于零。指数窗的数学表
11、示式为et。由衰减指数可以确定在时窗的终点信号衰减的百分率。FFT分析结果-2维频谱图某车型制动噪声的频率分析结果频率轴分贝值轴FFT分析结果-3维频谱图某车型制动噪声的频率分析结果分贝值轴频率轴颜色的深浅表示分贝值大小时间轴二、振动相关模态-是指结构的固有振动特性，每一个模态具有其特定的参数：固有频率、阻尼比、模态振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼、极点、留数等。如平时我们说白车身一阶弯曲模态频率为40Hz，这就指出了模态振型与固有频率。如图所示，某一零部件的一阶扭转模态为如图所示，某一零部件的一阶扭转模态为28.9Hz28.9Hz，阻尼，阻尼比为比为1.01%1.01%。以上就是模态测试得
12、出的结果。以上就是模态测试得出的结果。单自由度系统多自由度系统 mx+ cx + kx = f (t)运动微分方程：运动微分方程：单自由度系统多自由度系统 我们把结构中的全部阻尼均近似为一般粘性阻尼，把上面的时间域方程变换到拉氏域（复变量p），并假定初始位移和速度为零，得拉氏域方程： (Mp2+ Cp + K)X(p) = F(p) Z(p )X(p) = F(p)同上得： H(p ) = Z-1(p)=Z：动刚度 (p2【M】+ p 【C】+ 【K】)X(p) =F(p) Z(p ) X(p) =F(p)Z(p)：动刚度矩阵传递函数:传递函数矩阵:H(p)=Z(p)-1= adjZ(p)/d
13、etZ(p)伴随矩阵行列式单自由度系统多自由度系统使传递函数分母为零的方程为系统特征方程，它的根，即为系统极点：无阻尼固有频率：n=k/m临界阻尼：c0=2mk/m=2mn衰减系数：=c/2m= n阻尼比：=c/c0或有阻尼固有频率sr= = =同上系统极点：p1 0 pn p1* 0 pn*-1+j1 0 -n+jn -1-j10 -n+jn有阻尼固有频率单自由度系统多自由度系统单自由度传递函数可以表达为：同上： H(p ) = Z-1(p)= = =上式中的A1和A1*即为留数。H(p)=Z(p)-1= adjZ(p)/detZ(p)式中的Ar和Ar*即为留数。u 习题1、考虑一个M=2k
14、g，C=4N/(m/s),K=5000N/M的单自由度系统，求其无阻尼固有频率、阻尼比、极点、留数、传递函数。2、试讨论质量、阻尼、刚度三大振动要素如何影响单自由度系统的频率响应。u 答案无阻尼固有频率：7.9577Hz极点：-1+j49.9900rad/s阻尼比：0.02留数：A1=(1/M)/j2w1=-j5.001*10-3g/kg传递函数：刚度增加，频率增加；质量增加，频率减小；阻尼增加，频率约小，振幅大幅降低。u 单点频率响应-u 多点频率响应稳态图- 稳态图（stabilization diagram）如下图所示。方法是在某一频响函数幅频特性曲线，或多个频响函数求和（累加）后的幅频特性曲线上标注文字符号，如果每次增加计算模态数后，得到的极点和留数都（在规定容差内）基本不变，则在该频率处注上一个符号“S”；如只有模态频率不变，则注上“f”；如只有阻尼不变，则注上“d”；如只有留数不变，则注上“V”。只有稳定地注有“S”的频率，才可以确定是真实模态频率。u 得到振型结果-
