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今天科普个高端知识:汽车声学了解一下恒峰娱乐

来源:首页 | 时间:2018-09-26

  中国人也许天生就是做汽车工程师的料吧。喜欢车的人,总会把“怠速抖动”、“换挡顿挫”或者“NVH表现不好”挂在嘴上,似乎不说几句专业术语,就会显得自己不够专业不够懂车。哪怕没什么汽车知识基础的人,也总是希望车里能像自家客厅那般安静。这是好事情,至少说明大家对汽车声学感兴趣……

  只不过,喜欢安静的车厢真的就意味着对汽车声学感兴趣?NVH又具体指哪些方面?

  还是让我们的专业汽车工程师来给大家科普吧。玄学指数堪比《周易》的“汽车声学”究竟是什么。

  来自知乎的KOLHaochi,他在知乎上写过关于汽车声学的四篇文章,今天我们通过分享第一篇文章,来听听他对于汽车声学的观点。

  声明:笔者打算结合最近的学(che)习(dan)把汽车声学在五至六章里做个简单的不涉及Know-how的科普和介绍。文章受众为有一丢丢工科基础的朋友,希望能让大家都无障碍读完。

  引言划水太久有点不好意思,毕竟是做车的不是做船的,所以那什么,朋友们醒醒。

  要说玄学,窃以为汽车声学其实还是不如《八卦》和《周易》的。或许这年头但凡有驾照上过不止一辆车的旁友嘴里都能蹦跶出几句术语,『啊呀你这个车怠速时有抖动啊。』『怎么变速箱啸叫这么严重呢?』这是好事情,至少说明大家对汽车声学感兴趣(噢真的吗: )

  什么朋友你问我波是什么?Windows用户请按CTRL+W, OS用户请按Command+Q, IOS手机客户端用户请从左往右滑,Android请按Home右边那个返回键。

  今天我们要说的波不是让各位球迷兴奋的球,而是声波,声音通过物体震动而产生的波。声波在固液气体(介质)中传播,并在传播过程中引起了该介质的压力和密度的起伏和变化,能被听觉器官感知。

  由于分子之间产生震动,根据震动频率不同而产生的现象,叫做Noise, Vibration, Hashness,也就是NVH。

  通俗点来说,作为一个穿着红色帆布鞋手拿十号扳手的内向小瘦子,我们敏感的屁股感受到的震动(Vibration)频率在20Hz以下,而噪声(Noise)频率在80Hz以上,20到80Hz之间的部分可以理解为身体和耳朵的双重作用,称之为声音粗糙度(Harshness)。

  在这个频率区间中你又能感觉到,有东西似乎怼着你的屁股突突突突突,又会听见有人在你耳边若有若无的啊啊啊啊啊。

  但是话说回来震动和噪声的感受却非常难以量化和客观化,注意我说的是感受,并不是实际可测得的如声压、声强、声压级等如物理量。邮局港剧,有人或许觉得骑马时的颠簸很舒服,而一些男生多半感觉这震得蛋疼。

  有司机认为在车上听摇滚是很相当舒畅提神醒脑的,而睡着的乘客也可能被一声『在你的心上!!!自由地飞翔!!!』吵醒而怒骂一句MDZZ。

  这也就是说噪声和震动的感受是很主观的,并且根据情况不同,主观感受也会发生变化。

  那么联系到汽车上,震动和噪声的来源来自何处呢?可以用一张图来解释,车友们不妨结合自己开车时候的感受对号入座。

  简单来说3F就可以把行驶过程甚至是车震过程中的激励和响应机制给囊括进去。

  摊开来讲,行驶中驾驶员耳朵会听到哗哗哗风燥、迎面驶来的车辆的喇叭哔哔哔声、由于轮胎滚动而产生的胎躁、进气产生的空气噪声、由路面不平度引起的固体噪声等。

  当然,如果你刚开过一个减速带,就听到车座位下弹簧传来好像刚在席梦思上运动时发出的的『嘎吱嘎吱』声,建议朋友你还是带个扳手去找四儿子售后要个说法。

  汽车声学到底有多重要?从消费者角度出发,特别是在试驾时,汽车NVH或许能成为『我穷、啊穷是穷的嘞哒哒嘀』和『我老婆说就买这车因为剩下的钱要拿去买鞋买衣服买包包』之外的最影响购买欲的因素。

  为了让消费者买单,在正向开发整车时工程师们又会从哪些地方介入声学优化呢?

  人体对噪声的感知和汽车声学中的掩蔽效应旁友我佩服你还没晕车,为我们的友谊干杯。

  最早笔者在引言里提到,其实声学并不玄,而是有客观量可以去描述的一门基础学科。但它晦涩又难以描述的部分在于主观感受。

  举个例子,《动物世界》中那一句『呐~♂又是繁殖的季节』,不纯洁的你觉得这是多么羞耻的一句声音:) 纯洁的我就不会这样觉得。

  强行把楼撸直。笔者不想从枯燥的物理量说起, 因此先想引入两个之前已经数次提到的概念:

  两者是根据声波在不同介质中的传递而对噪声进行区分的。顾名思义,前者在空气中,后者在固体中。

  而空气噪声和固体噪声又可以互相发生关系,你中有我我进入了你,哦不是,你中有我我中有你我是说。举个栗子:音叉。

  如果声波通过固体传递又在附近引起了空气噪声响应,我们可以称这样空气噪声为

  噪声是可以通过如声压,声压级等客观的物理量被描述的,之后会提到,在此先不展开。而『描述噪声』这项技能大概是我们在幼儿园甚至更小的时候就已经掌握的,即使用象声词:didi, baba, buuuuu~听到很酷炫的声浪后我们会很自然地把头转向拉风的声源方向,看到一辆好车后心里默默问了一句『哥们儿你车不错啊,家住哪儿啊,还缺宠物吗?吃肉的那种。』

  首先我们来看看人耳的结构(不学生物和解剖,全凭查字典哈比比)。这个人啊全身上下有很多洞,有的洞是用来释放天性的,有的洞是用来感知世界的。

  耳朵就属于后者。外耳负责收集声音,声压会在中耳加强,内耳将其转变为神经信号使人脑感知。

  举个栗子。根据『三角形任意两边之差小于第三边』,不难得出:L2-L1 L4-L3,而声波在同稳同介质下,传播速度为常数,可知tb ta。

  也就是说,我们的两边耳朵对同一噪声源发出的噪声存在一定的反应时间差。通过这个细微的时间差和左右声道对响度的感受不同,我们便能大概地判断出噪声源的方向和距离。

  声压(Schalldruck):声波通过某种均匀介质时因为振动所产生的压强的改变(Schallwechseldrcuk)。单位:Pa

  声压级(Schalldruckpegel):以人耳能听到的产生听觉得最低声压2x10^(-5)为基准p reference(以下简称p r),以20log(p/p r)可计算并描述一个有效声压与基准声压的关系,结果越大代表声压越强。单位:dB

  在数万年中我们已经进化出了特殊的声音感受区间,即在3kHz~4kHz内人耳会非常敏感. 而汽车声学又正好落在这个敏感区域内。

  上图横轴为频率f,单位kHz,纵轴为声压级。最上面的一根线叫痛阈(Schmerzgrenz)。

  最下面的一根线叫听阈(Hörschwelle),是人耳能感知的最小声响。听阈上1kHz对应的声压为2x10^-5Pa,即0dB。

  而一般人的听阈下限在1dB~3dB之间,声压若在此之下是不可能被人耳察觉的。

  简单来说这两根线是人耳听觉的上下限,在20Hz到20kHz频率区间内,低于0dB我听不见,高于130dB我耳朵疼,再震聋了。但每个人的听觉面积都不一样,主要与年龄相关。一般来说年纪越来的高频听阈提高越快,也就是说可听到的听觉面积会越来越小。大白话叫:初步解释为啥人老了容易耳背。

  但是在一种特殊情况中,任何人的听阈是会被提高的:掩蔽效应(Verdeckung, Maskierung),即声压级低的噪声源在声压级高的噪声源旁发声,在中频区间,低噪声源会被掩盖,因此不能被听见。

  举个不恰当的例子,你走在路上突然感觉自己或许会放个很响亮的屁,又不想被人发现,怎么办呢- -如果你可以很好地控制放屁的开始时间,在那一刻同时响亮地喊出『卧槽我XXX忘记在XXX了我回去拿』,那只有这段话会被人听见,而屁不会。以下为反例请谨慎使用:你大喊了一声『卧槽!!!』,然后屁才放出来……这中情况叫『时域掩蔽』,千万别说是我告诉你的。

  以某三缸内燃机汽油机汽车的室内噪声为例,将0-1000Hz频率区间放大后清晰可见主阶次1.5阶Spektrum。这时候有朋友就要说了,『好吵』。结果上来说没错,确实不安静。

  是不是觉得这图特别帅特别干净?是,没有错我也这么觉得。那么我们来看看在电动机附近测得的噪声,也就是说在没有各种主动和被动NVH降噪措施下,电动车里例如变速箱等其他零部件的中频噪声,会对整车噪声产生怎么样的影响呢?

  上图即为电动机附近测得的电动车噪声,非常明显可以看见,红色为70dB左右的变速箱啸叫。

  意思就是在没有发动机噪声对其他零部件的中频噪声的频域掩蔽效应情况下,电车中如果没有更好的降噪措施,电动车的变速箱啸叫绝对比内燃机车的要叫更加感人。

  最后再插一嘴: 不是针对谁,我是说在座所有没有任何工程积累上来就要造电车的PPT造车企业们,是不是老老实实走点亡我社会主义之心不死的资本主义车厂们走过的老路,吸收点Know-how,消化理解后积累点逆向开发经验,再来谈谈怎么正向开发,弯道超车?

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