通往NVH數(shù)字孿生之路
NVH 模擬器
-- 通往數(shù)字孿生之路
由于時間和成本控制越來越緊，車企在NVH開發(fā)過程中越來越少使用物理樣車，轉(zhuǎn)而頻繁地使用仿真模型來評估零部件或組件的改進效果。然而，如果你以為僅憑仿真結(jié)果就能準確地評估噪聲和振動的改進效果，那是異想天開。車輛中對噪聲和振動的感知不能簡單地歸為圖表和數(shù)值——人體感知才是衡量標準。本文將展示在實車測試越來越少的情況下，HEAD acoustics如何幫助車廠對車輛的NVH性能進行真實的評估。
NVH（噪聲、振動、聲振粗糙度）模擬器以交互方式模擬駕駛時的噪聲和振動，如圖 1 所示。駕駛員像在實車中一樣操作檔位桿和踏板，并實時聽到重新擬合的駕駛噪音。根據(jù)所選的模擬器硬件，還會對座椅和方向盤等施加振動。與使用準備好的聲音樣本進行聆聽測試相比，在NVH模擬器中，駕駛員可自行決定車輛的工況，并有意識地觸發(fā)車況相關(guān)的噪聲和振動現(xiàn)象。
圖1：NVH模擬器軟件的概念與結(jié)構(gòu)
駕駛動力學(xué)模型根據(jù)駕駛輸入計算NVH仿真所需的參數(shù)，例如轉(zhuǎn)速、車速、負載等。駕駛動力學(xué)模型的參數(shù)包括扭矩曲線、傳動比以及空氣阻力和滾動阻力。模擬器根據(jù)工況（發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負載、車速），重新擬合動力總成、胎噪/路噪和風(fēng)噪，并通過雙耳回放系統(tǒng)輸出。只需一個NVH模擬器，用戶即可在駕駛過程中實現(xiàn)用濾波器修改聲音，用競品車的風(fēng)噪替換原車聲音，一鍵變更音量等功能。NVH模擬器的聲音模型是基于測試和/或CAE仿真數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用場景和細節(jié)層次在范圍和類型上做了調(diào)整。
模擬器版本
SIMULATOR VARIANTS
根據(jù)應(yīng)用和預(yù)算的差異，模擬器系統(tǒng)有不同級別的沉浸感（見圖2）。桌面模擬器需要一臺電腦、軟件和經(jīng)過校準的雙耳回放系統(tǒng)，以確保聽覺的精準性，以及用于直觀控制虛擬車輛的USB踏板。
圖2：NVH模擬器可以從桌面應(yīng)用擴展到便攜式模擬器，再到整車模擬器中的子系統(tǒng)
SoundSeat版本可以提供類似于車輛中的坐姿。除了雙耳聲音外，激振器還可以再現(xiàn)方向盤和座椅上的振動。裝有激振器和揚聲器的車廂相當于坐在駕駛員位置（Sound Car），進一步提高了模擬的真實性。
集成到實際車輛中的便攜式模擬器可提供最逼真的駕駛體驗。工況變量（如車速、轉(zhuǎn)速、負載等）不是依靠車輛動力學(xué)來模擬，而是通過車輛CAN總線來獲得。虛擬車輛的噪聲回放通過主動降噪 （ANC） 耳機實現(xiàn)，以抑制真實的駕駛噪音。
通過編程接口或CAN總線，NVH模擬器還可以作為子系統(tǒng)集成到帶有運動系統(tǒng)的整車模擬器中，聲音通過耳機或揚聲器再現(xiàn)。因此，NVH模擬器添加了真實的駕駛聲音后，能讓測試人員感覺到仿佛置身于真實的車輛中一般，增強整車模擬器在高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、駕駛動力性或自動駕駛等領(lǐng)域的沉浸感。
通往數(shù)字孿生之路
THE PATH TO THE DIGITAL TWIN
根據(jù)應(yīng)用及開發(fā)階段的不同，通往數(shù)字孿生的路徑復(fù)雜程度和細節(jié)層次各異，但“條條大路通羅馬”。各路徑的顯著區(qū)別在于如何在NVH模擬器中生成和合成所需的數(shù)據(jù)集。測量數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)，或者測量與仿真數(shù)據(jù)相結(jié)合，都可以構(gòu)成NVH模擬器數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)，如圖3所示。最快的途徑是準備一組（物理樣車）車輛的風(fēng)噪和胎噪數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)需要使用雙耳麥克風(fēng)或人工頭采集，以用于對標、主觀評價或目標聲音設(shè)置等。采集到的加速數(shù)據(jù)可在模擬駕駛過程中用于振動回放。動力總成振動和噪聲特征可以通過在轉(zhuǎn)轂上精準地采集實車典型的駕駛工況數(shù)據(jù)獲得，如10~12個載荷下的升轉(zhuǎn)速工況。如果需要，可以使用工況傳遞路徑分析（OTPA）[1] 分離胎噪和風(fēng)噪，這需要在路試時使用額外的傳感器。NVH模擬器根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，不僅可以在虛擬駕駛時復(fù)現(xiàn)，而且在根據(jù)駕駛工況實時擬合聲音時，聽不到任何過渡聲或偽影。
圖3：根據(jù)應(yīng)用及開發(fā)階段的不同，NVH模擬器可以使用不同的數(shù)據(jù)
基于詳細測量數(shù)據(jù)的傳遞路徑分析（TPA）模型可讓我們在零部件或路徑級別的對噪聲的傳播有更深入的了解[2]。有此模型，NVH模擬器能提供巨大的附加值，它能幫助所有參與者以互動的方式全方位體驗復(fù)雜的TPA分析結(jié)果。
有了這些，客戶可以評估“假設(shè)”場景，并快速確定最有可能有效改善噪聲問題的關(guān)鍵路徑，例如，傳遞27階的變速箱懸置，見圖 4。此外，即使在開發(fā)的早期階段，僅在測試臺上運行的動力總成也可以使用TPA虛擬裝配到整車上[3]。來自發(fā)動機臺架的數(shù)據(jù)，可以與胎噪和風(fēng)噪聲一起，在NVH模擬器中使用實時TPA進行體驗。
圖4：在駕駛模擬器中，可以在駕駛過程中使用目標濾波器進行虛擬修改并檢查效果
NVH 模擬器還可以充當測試和 CAE 仿真之間的橋梁。在CAE仿真中，很難表征噪聲的絕對狀態(tài)，尤其是在沒有驗證對象的情況下。實踐證明，用基于真實物體的測量數(shù)據(jù)來構(gòu)建CAE模型，對其進行評估并在虛擬模型中計算變更后的聲學(xué)效果，是有益的。該信息可以直接用于NVH模擬器中，也可以應(yīng)用于TPA過程中的測量數(shù)據(jù)，以感知虛擬變化的結(jié)果。TPA 方法同樣適用于零部件噪聲振動的仿真激勵與實測傳遞函數(shù)結(jié)合在一起。
僅基于仿真模型建立完整虛擬車輛的愿景，受到創(chuàng)造力、認可度和可實現(xiàn)的頻率范圍等因素的限制。然而，純虛擬的NVH模擬器可以盡早實現(xiàn)數(shù)字TPA模型的可聽化，有利于做出重要決策。數(shù)字TPA可以在CAE軟件中完整地模擬源的激勵和傳輸，還可基于測量和仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集提供很多信息，例如，在實測的掩蔽噪聲下，是否還會感知到模擬電機中不想要的音調(diào)噪聲成分。
主動聲音設(shè)計
ACTIVE SOUND DESIGN
主動聲音設(shè)計（ASD）不僅用于電動汽車。在大多數(shù)情況下，車輛揚聲器系統(tǒng)的作用在于復(fù)現(xiàn)人造發(fā)動機聲音，從而產(chǎn)生“正確”的駕駛聲音，以喚起情感，反映品牌形象，符合車輛的市場定位。NVH模擬器拉進了ASD創(chuàng)意世界和駕駛聲音的技術(shù)世界的距離：借助NVH模擬器，聲音設(shè)計師可以從設(shè)計之初就在合適的環(huán)境當中進行創(chuàng)作，見圖5。早在概念階段，NVH模擬器就能讓他們了解車輛性能以及車輛實際會產(chǎn)生的聲音，從而將他們的作品構(gòu)造成一副和諧的聲音景觀。
圖5：在ASD的研發(fā)階段集成NVH模擬器
駕駛模擬器也可以通過軟件和硬件接口[5]與用于聲音生成的第三方系統(tǒng)進行集成，便于NVH工程師和創(chuàng)意人員使用他們熟悉的聲音生成工具進行創(chuàng)作。為此，NVH模擬器會給聲音設(shè)計軟件或硬件發(fā)送運行工況，再接收反饋回來的ASD聲音，并模擬揚聲器的傳遞特性，最終將擬合聲音與實車聲音一起復(fù)現(xiàn)。通過這種方式，可以有效地模擬不同音響系統(tǒng)的效果。
聲音設(shè)計師既不需要物理樣車，也不需要試車場。在NVH模擬器中，他們可以在最短的時間內(nèi)以簡單、安全且可重復(fù)的方式駕駛各種場景，從而交互地進行聲音設(shè)計。真正的駕駛噪音仍然存在，且任何可能產(chǎn)生的音調(diào)噪聲成分都可以以掩蔽或融合的方式與ASD結(jié)合，以產(chǎn)生更好的聲音和駕駛體驗。而實車僅會在最終調(diào)試的驗證階段會用到。
另一個應(yīng)用領(lǐng)域是開發(fā)車輛行人警示音（AVAS），其聲音可作為車輛附近人員和其他道路使用者的警示系統(tǒng)。車外的揚聲器會向周圍區(qū)域發(fā)出警示音，但車內(nèi)人員有何感覺？通過從AVAS揚聲器到車內(nèi)的傳遞函數(shù)，可以調(diào)查乘客是否覺得AVAS聲音煩人，或者是否在設(shè)計階段就評估與潛在的ASD車內(nèi)聲音是否協(xié)調(diào)。該方法還可以用于設(shè)計提示音和通知聲音。從轉(zhuǎn)向信號燈到ADAS，在合適的環(huán)境中設(shè)計和評估信號聲音至關(guān)重要。例如，轉(zhuǎn)向信號燈在最高車速下是否還聽得到，或者警示聲是否能夠引起人們的足夠的注意，這些問題都能輕松回答。
總結(jié)
CONCLUSION
通過讓NVH性能可感知，讓ASD評估具備實車環(huán)境，用整車模擬器增加沉浸感，NVH模擬器為實現(xiàn)數(shù)字孿生提供了不同的路徑。根據(jù)開發(fā)階段和所需的結(jié)果精度，我們能使用仿真和測試數(shù)據(jù)來實現(xiàn)這個目的。得益于NVH模擬器的可擴展性，從簡單的桌面版到整車版，可以滿足于開發(fā)過程的各種需要。聽覺精準的回放和最佳的聽覺質(zhì)量對于聲音模擬質(zhì)量至關(guān)重要：聲音是否真實且沒有人造感，即難以聽出與原始聲音的區(qū)別。只有在提供NVH測量技術(shù)和方法的同時，還充分傳授數(shù)據(jù)集創(chuàng)建的專業(yè)知識，才能成功地應(yīng)用NVH模擬器。
NVH模擬器作為一個很好的開發(fā)工具，可以讓用戶應(yīng)對成本和開發(fā)周期縮減帶來的物理樣車持續(xù)減少的困境。它通過模擬交互式駕駛噪聲，使用戶能夠在開發(fā)的早期階段聽見并感受到那些測量和仿真數(shù)據(jù)，從而讓每個人都可以評估NVH性能，取代了需要高水平專業(yè)知識的圖表和數(shù)值分析。數(shù)據(jù)可以在全球各地共享，因此決策者可以靈活、高效地在各自地點開展虛擬測試和駕駛評估。
參考文獻：
[1] Sottek, R.; Philippen, B.: Advanced Methods for the Auralization of Vehicle Interior Tire-Road Noise. SAE Technical Paper 2012-36-0640, 2012
[2] Jürgens, F.; Nettelbeck, C.; Sellerbeck, P.: Pro- ceedings of the 23rd International Congress on Acoustics: Integrating 4th EAA Euroregio 2019. Tagung, Aachen, Germany, 2019
[3] Lucas, S. et al.: From Test Rig to Road – Experi- ence Virtual Vehicle Acoustics on Powertrain Test Bench BTPA. Magdeburger Symposium Motor- und Aggregateakustik, Germany, 2021
[4] Philippen, B.; Uerlichs, B.; Sellerbeck, P.: Experience NVH Performance on Vehicle Level in Real-Time based on Powertrain Test Bench Data. In: Fortschritte der Akustik 2023
[5] Philippen, B.: Active Sound Design in an NVH Simulator – HiL and SiL Approach. In: Fortschritte der Akustik 2020
（本文原文發(fā)表于ATZ extra雜志）
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