乘用车NVH特性与轮胎噪声控制技术研究进展

摘要

随着GB 1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》的实施及消费者对驾乘品质要求的提升，NVH（Noise, Vibration, Harshness）性能已成为整车研发的核心指标，部分主机厂NVH研发投入已占整车开发费用的20%。本文基于鲍旭清等（2007）的研究，系统梳理汽车噪声源识别、轮胎高频噪声机理及多物理场耦合建模方法，为整车及零部件正向开发提供参考。

1 汽车噪声源特征与频谱分布

汽车噪声可分为车内混响声场与车外辐射噪声两大类，其中车外噪声为主要管控对象，各声源特征如下：

注：当车速超过100km/h，轮胎噪声成为主导声源，其噪声级与路面纹理深度呈正相关（粗糙混凝土路面较光滑沥青路面高6dB）。

2 轮胎噪声机理与低噪设计路径

2.1 轮胎噪声构成

轮胎作为非线性、非均匀弹性体，其噪声主要由四部分组成：

1. 空气动力学噪声：花纹沟槽内空气的压缩-释放过程（泵气效应）；

2. 结构振动噪声：胎面、胎侧受路面激励产生的弯曲振动辐射声；

3. 路面激励噪声：路面粗糙度引发的强迫振动；

4. 轮罩气动噪声：车轮旋转诱导气流与轮罩内流场耦合。

2.2 关键技术对策

• 材料与结构设计：优化胎面胶配方（平衡耐磨指数与滞后损失），采用变节距花纹设计以打散阶次噪声，基于亥姆霍兹共振原理设计轮胎内腔副气室；

• 工艺与装配控制：提升轮胎均匀性（Uniformity）等级，严格控制径向力波动（RFV）与侧向力波动（LFV）；

• 使用端优化：推广充氮技术（氮气音频传导率较空气低约80%，且可稳定胎压），控制充气压力在标准值的±10%范围内；

• 系统级方案：轮罩内衬铺设吸声材料，优化底盘传递路径刚度匹配。

3 NVH建模与噪声源识别技术

3.1 多尺度建模方法

针对不同频段特性，需采用混合建模策略：

• 低频（<100Hz）：多体系统动力学（MB）+ 有限元法（FEM），用于底盘悬架、动力总成刚体模态分析；

• 中频（100~500Hz）：FEM/BEM（边界元法）耦合，用于车身结构振动与车内声腔模态分析；

• 高频（>500Hz）：统计能量分析法（SEA），用于车内高频混响场及整车声学包性能预测。

   

  
  

3.2 噪声源识别技术

前沿进展：合肥工业大学提出的四传声器三维矢量声强测量法与分布源边界点法声全息技术，可实现单次测量获取三维声强矢量，突破了传统方法在多相干声源下的重建瓶颈。

4 NVH研发流程与工程实践

成熟的NVH开发需覆盖三大环节：

1. 目标分解：基于市场调研与客户感知，设定整车及子系统NVH目标值（如车内语音清晰度、怠速抖动限值）；

2. 虚拟验证：利用CAD/CAE平台进行全流程仿真，在设计阶段完成模态对齐与灵敏度分析；

3. 试验闭环：通过模态试验（EMA）与整车道路测试，修正模型误差，实现“设计-验证-优化”迭代。

工程经验：后期整改成本极高，约70%的NVH问题需在前期设计阶段通过拓扑优化、形貌优化及传递路径分析（TPA）解决。

5 结论与展望

当前NVH研究仍存在两大痛点：一是高频声源（尤其是轮胎噪声）的机理尚未完全明晰，二是多物理场耦合模型的预测精度有待提升。随着电动化趋势下动力系统噪声大幅降低，轮胎/路面噪声将成为高端车型NVH性能的分水岭，开展轮胎微观结构与宏观声学特性的关联研究，将是未来的重点攻关方向。

参考文献

[1] 鲍旭清, 陈剑, 程昊. 汽车与轮胎NVH研究[J]. 轮胎工业, 2007, 27(09): 570-575.

[2] 庞剑, 谌刚, 何华. 汽车噪声与振动-理论与应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006.

[3] 毕传兴, 陈剑, 陈心昭. 基于分布源边界点法的多源声场全息重建和预测理论研究[J]. 中国科学(E辑), 2004, 34(01): 111-120.