基于虚拟仿真技术的汽车NVH实验教学研究

吴昱东　严旺　文广

摘 要：随着汽车工业的快速发展，人们对汽车产品驾乘体验要求的不断提高，汽车噪声、振动和声振舒适性（NVH）日益受到关注。汽车NVH实验教学已成为汽车工程领域教育的重要内容，传统的汽车NVH实验教学模式存在成本高昂、时间长、受环境影响大、安全风险高等问题，往往难以满足教学需求。虚拟仿真技术为汽车NVH实验教学提供了新的思路，虚拟仿真技术在汽车NVH工程领域应用广泛，将其引入汽车NVH实验教学，不仅能够提供更加灵活和安全的实验环境，而且能够提供更加直观和深入的学习体验，有助于学生更好地掌握NVH理论与实践知识。

关键词：汽车NVH 虚拟仿真 实验教学 汽车工程

随着客户对汽车产品驾乘体验要求的不断提高，汽车噪声、振动和声振舒适性（Noise，Vibration and Harshness，NVH）也日益受到重视[1-2]。NVH问题不仅影响着汽车的舒适性和安全性，还直接关系到汽车品质和市场竞争力。约有三分之一的整车故障与车辆的NVH问题相关，而各大汽车主机厂将近20%的研发费用用于解决车辆的NVH问题[3-5]。汽车NVH性能开发已成为汽车工程领域教育的重要内容，尤其涉及整车及零部件NVH性能调校的实验教学。然而，传统的汽车NVH实验教学模式存在着许多局限性，NVH实验教学对整车与零部件样件、消声室环境、振动噪声测试设备等方面的需求，会引致成本高昂、时间长、受环境影响大等问题，往往难以满足教学需求。因此，寻求新的汽车NVH实验教学方案以突破上述问题的限制迫在眉睫。

随着科技的飞速发展，虚拟仿真技术在各个领域得到了广泛的应用。近年来，在汽车设计和开发领域，虚拟仿真技术已经成为一项不可或缺的工具。因而，基于虚拟仿真技术的汽车实验教学逐渐受到重视，成为汽车工程领域教育改革的重要方向，通过虚拟仿真技术开展汽车实验教学已经成为一个明显的趋势[6-7]。虚拟仿真技术具有灵活性强、成本低廉、安全可控等优势，为汽车NVH实验教学提供了新的思路[8-9]。然而，如何将虚拟仿真技术与汽车NVH实验教学有效结合，尚缺乏实际经验借鉴，搭建汽车NVH实验教学平台仍颇具挑战。

本文旨在探究基于虚拟仿真技术的汽车NVH实验教学平台的搭建方案，通过建立虚拟仿真实验平台，使学生能够在模拟真实环境下进行NVH实验，深入理解汽车NVH的产生机理及调控方法，提高学生的实践能力和工程素养。

1 虚拟仿真技术在汽车NVH领域的应用

虚拟仿真技术是指利用计算机模拟技术对实际系统进行数字化建模和仿真分析的方法。在汽车NVH领域，虚拟仿真技术可以通过建立车辆的数字化模型，模拟汽车在不同工况下的噪声与振动特性，如车身模态、振动传递函数、噪声传递函数、车内声压级等，进而评估和优化车辆的NVH性能[10]。

虚拟仿真技术在汽车NVH性能开发中的应用具体如下：

（1）虚拟仿真技术可以帮助汽车制造商在设计阶段就对车辆的NVH性能进行全面评估。

通过在计算机上建立车辆的数字化模型，可以模拟汽车在不同速度、路况和工况下的振动和噪声情况，识别潜在的NVH问题风险，并进行针对性的优化。这种虚拟仿真分析可以大幅缩短产品开发周期，并降低开发成本。

（2）虚拟仿真技术可以用于车辆NVH问题的分析与优化。

通过对汽车各部件的数字化建模和仿真分析，可以针对性地优化车辆的结构设计、材料选择和零部件布置，从而降低噪音和振动的产生和传递。这种基于虚拟仿真的优化方法不仅可以提高车辆的NVH性能，还可以降低车辆的整体重量和成本。

（3）虚拟仿真技术还可以用于辅助实际测试和验证。

通过在计算机上建立精确的数字化模型，可以预测实际测试结果，并指导测试方案的设计和执行。这种虚拟仿真与实际测试相结合的方法可以更加全面地评估车辆的NVH性能，提高测试效率和准确性。

虚拟仿真技术在汽车NVH领域的应用具有重要意义。通过建立车辆的数字化模型和仿真分析，可以在产品设计阶段就识别和解决NVH问题，提高产品质量和市场竞争力。随着虚拟仿真技术的不断发展和完善，将会在汽车NVH领域发挥越来越重要的作用。

2 汽车NVH实验教学的挑战与解决方案

2.1 汽车NVH实验教学面临的挑战与传统解决方案

汽车NVH实验教学是汽车工程及相关专业学科中非常重要的课程，它涉及汽车噪声、振动和声振舒适性等方面的知识，对学生的实践能力和综合素质要求较高。然而，在进行汽车NVH实验教学时，会面临一些挑战，比如设备不足、安全隐患、实验环境受限等问题。在实际传统教学过程中，各高校也提出了许多解决这些问题的方案。

首先，设备不足是汽车NVH实验教学中最常见的问题之一。为解决该问题，学校需增加投入，购置更多先进的实验设备，比如噪声采集设备、振动采集设备、声压传感器、振动加速度传感器、传感器标定器、激振器、力锤等，以满足实验教学的需要。或者，学校需与具备NVH测试实验条件的企业或研究机构合作，借用其实验室设备，共同开展实验教学活动，以满足教学效果。

其次，安全隐患也是汽车NVH实验教学中需要十分重视的问题。在汽车NVH实验中，除了静置的怠速工况，更多实验工况需要在车辆行驶状态下开展，以观察车辆在路面激励以及不同动力驱动转速载荷情况下的声振响应，这无疑大大增加了NVH实验教学在安全方面的挑战。目前，采取的措施是，在进行实验教学时，加强对学生的安全教育，确保他们具备必要的安全意识和操作技能。此外，还需要建立健全的安全管理制度，定期检查实验设备的安全状况，及时排除安全隐患，确保实验教学的安全进行。

最后，实验环境受限也是影响汽车NVH实验教学的一个因素。由于汽车的振动与噪声实验需要开展高精密的测试，外部环境较大的振动与噪声对实验结果影响是无法忽视的，因而，汽车NVH实验往往需要特定的实验环境，例如整车半消声室、整车全消声室等。建设整车消声室的投入是巨大的，为了解决这一问题，学校需积极与相关企业或研究机构合作，利用企业先进的实验场地和资源，开展实验教学活动。

尽管在传统教学过程中，各高校针对汽车NVH实验教学提出了许多针对性的解决方案，然而，在设备与实验环境方面，高额的实验投入是很多高校短时间内难以满足的，而合作企业或研究机构的实验任务往往也较为饱和，无法持续较好地配合开展NVH实验教学工作；在实验安全方面，加强安全教育和完善安全制度可以有效减小实验风险，但由于涉及车辆动态行驶工况，仍无法避免汽车NVH实验教学的安全隐患。因此，需要寻求新的汽车NVH实验教学方案以突破上述问题的限制。

2.2 基于虚拟仿真技术的汽车NVH实验教学解决方案

近年来，基于虚拟仿真技术的汽车实验教学逐渐受到重视，许多高校和研究机构已经开始将虚拟仿真技术应用于汽车实验教学，通过建立虚拟仿真实验教学平台，为学生提供更加直观、生动的实验体验。基于虚拟仿真技术的实验教学不仅可以提高学生的学习兴趣，还可以提高学生的实际操作能力，这为汽车NVH实验教学提供了新的思路。传统的实验教学模式往往受制于设备、时间和资源等方面的限制，难以满足学生对于NVH理论与实践的深度学习需求，基于虚拟仿真技术的教学解决方案为这一难题提供了新的突破口。

首先，传统的汽车NVH实验通常需要大量的实验设备和专业的实验场地，而这些资源在多数学校或实验室中往往难以获得。此外，实际的汽车NVH实验中涉及样车与实验样件，往往需要较长的时间进行准备和实施，不利于课堂教学的高效进行。基于虚拟仿真技术的解决方案，能够利用虚拟仿真技术提供虚拟实验设备、实验场地以及实验样件，有效地克服实验教学对设备等资源的依赖，为学生提供更加便捷和灵活的学习环境。

其次，传统的实验教学模式可能存在安全风险和实验操作技能培养的问题。尤其在汽车NVH实验中，涉及车辆行驶等工况，学生在进行实验过程中可能会面临一定的安全风险。基于虚拟仿真技术的教学解决方案可以在保证学生安全的前提下，提供更加真实、直观、丰富的实验操作体验，甚至包括许多专业级行驶工况，并且可以随时随地进行反复练习，提高学生的实验操作技能水平。

综上所述，基于虚拟仿真技术的汽车NVH实验教学解决方案在克服传统实验教学的诸多挑战方面具有显著优势。这种技术不仅能够提供更加灵活和安全的实验环境，而且能够提供更加直观和深入的学习体验，有助于学生更好地掌握NVH理论与实践知识。因此，虚拟仿真技术在汽车工程教育中的应用前景广阔，值得进一步深入研究和推广。

3 虚拟仿真NVH实验教学平台构建

3.1 平台构建目标

虚拟仿真NVH实验教学平台的构建旨在提供一种高效、实用的教学工具，帮助学生更好地理解和掌握汽车NVH相关知识。平台应具备以下目标：

（1）提供一个丰富的虚拟实验环境，使学生能够安全条件下模拟实际汽车NVH问题，提高实验操作的直观性和真实性；

（2）支持多种实验项目和案例，以适应不同课程和教学需求；

（3）培养学生解决实际工程问题的能力，增强他们的创新意识和实际操作能力。

（4）降低实验成本和时间，提高教学效率。

3.2 平台构建内容

虚拟仿真NVH实验教学平台主要由虚拟仿真模块、实验场景模块、数据分析模块和实验管理系统构成，如图1所示。

3.2.1 虚拟仿真模块

使用虚拟仿真软件模拟真实的汽车NVH的实验环境，如全消声室、半消声室、公共道路、隧道等，模拟与实际相符的汽车实验样件，如汽车车身、动力总成系统、悬挂系统等，使学生能够在仿真环境中进行实验操作。

3.2.2 实验场景模块

实验场景模块为汽车NVH教学实现多工况、多功能的场景设定，包含汽车NVH实验中的主要实验项目，如振动模态分析、振动传递路径分析、噪声传递路径分析、噪声源识别等，学生可以通过这些模块逐步学习NVH的相关知识和实验方法。

3.2.3 数据分析模块

数据分析模块主要提供数据分析工具，内含频域分析、时频域分析等数据处理算法，频域分析包括频谱、能量谱、功率谱分析等，时频域分析包括连续小波变换、希尔伯特黄变换等。帮助学生分析实验中的噪声与振动数据，掌握汽车NVH实验数据处理和结果解读的方法。

3.2.4 实验管理系统

实验管理系统是平台核心，包括NVH实验功能管理、实验数据库管理与系统维护。实验功能管理系统用于管理汽车NVH实验项目、实验流程、实验规范等，提高实验教学的效率。实验数据库管理系统包括实验数据、实验分析结果、实验教材、教学视频、实验案例等实验教学资源管理，为学生提供丰富的学习资源。系统维护确保平台的稳定性和可靠性，建立良好的网络环境，支持虚拟仿真实验教学的顺利进行。

3.3 平台构建策略

为了构建一个高效、实用的虚拟仿真NVH实验教学平台，具体实施策略如下：

3.3.1 与技术提供商合作

与虚拟仿真技术提供商建立合作关系，共同研发适合汽车NVH实验教学的软件和硬件设备。通过合作，可以充分利用各自的优势，提高平台的质量和效果。

3.3.2 引入实际工程问题

在实验教学中引入实际工程问题，引导学生运用所学知识解决实际问题。这样可以提高学生的学习兴趣和实际操作能力，培养他们的创新意识和实际工程能力。

3.3.3 持续更新教学资源

随着虚拟仿真技术的发展，教学资源也需要不断更新。教师应关注虚拟仿真技术在汽车NVH领域的最新应用，将最新的技术和方法引入实验教学，提高学生的学习兴趣和实际操作能力。

3.3.4 建立有效的评估

为了确保虚拟仿真NVH实验教学平台的质量和效果，需要对其进行定期评估。评估内容包括平台的功能、性能、用户满意度等。根据评估结果，及时调整和优化平台，以满足教学需求。

4 总结

汽车NVH实验教学是汽车专业教育的重要内容，传统的汽车NVH实验教学通常需要大量的实验设备和场地，而且实验过程复杂，学生难以理解和掌握。此外，由于现实中的汽车NVH实验受到环境和安全的限制，学生很难获得全面的实验体验。本文研究和提出了基于虚拟仿真技术的汽车NVH实验教学方法。通过建立虚拟汽车NVH实验平台，学生可以在虚拟环境中进行汽车NVH实验，模拟不同工况下的汽车NVH性能。通过合理地设计和构建虚拟仿真NVH实验教学平台，可以提供一个高效、实用的教学工具，帮助学生更好地理解和掌握汽车NVH相关知识，同时，教师和学生积极参与平台的使用和维护，不断优化教学资源，提高实验教学的质量和效果，为中国汽车工业培养更多的专业人才。

基金项目：四川省自然科学基金2022NSFSC189。

参考文献：

[1]冷川，李军.汽车NVH性能研究综述[J].汽车工业研究，2017（11）：51-55.

[2]编辑部中国公路学报.中国汽车工程学术研究综述2017[J].中国公路学报，2017，30（06）：1-197.

[3]黄森，何海浪，郭宁.“新四化”背景下汽车NVH的发展趋势[J].汽车工程师，2021（12）：4-6.

[4]汽车NVH优化及整车车内外噪声控制[Z].

[5]黄宗斌，严莉，向上，等.白车身结构NVH优化技术研究[J].噪声与振动控制，2015，35（02）：80-85.

[6]张宇，王梦翔.高职院校汽车NVH技术课程建设探索[J].汽车维护与修理，2019（14）：50-51.

[7]刘秀清，葛文庆，焦学健，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理[J].实验技术与管理，2018，35（11）：225-228.

[8]江浩斌，潘公宇，杨晓峰，等.车辆工程虚拟仿真实验教学体系与平台的构建[J].实验室研究与探索，2017，36（06）：114-117.

[9]潘公宇，江浩斌，刘志强，等.车辆工程专业虚拟仿真实验教学平台的设计[J].实验技术与管理，2017，34（04）：1-5.

[10]马倩昀，冯国胜，贾素梅，等.基于HyperMesh的电动汽车NVH声腔模态分析[J].汽车工程师，2021（10）：29-33.