吳昱東　嚴(yán)旺　文廣

摘 要：隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車產(chǎn)品駕乘體驗(yàn)要求的不斷提高，汽車噪聲、振動(dòng)和聲振舒適性（NVH）日益受到關(guān)注。汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為汽車工程領(lǐng)域教育的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在成本高昂、時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境影響大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，往往難以滿足教學(xué)需求。虛擬仿真技術(shù)為汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路，虛擬仿真技術(shù)在汽車NVH工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，將其引入汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠提供更加靈活和安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而且能夠提供更加直觀和深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于學(xué)生更好地掌握NVH理論與實(shí)踐知識(shí)。

關(guān)鍵詞：汽車NVH 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 汽車工程

隨著客戶對(duì)汽車產(chǎn)品駕乘體驗(yàn)要求的不斷提高，汽車噪聲、振動(dòng)和聲振舒適性（Noise，Vibration and Harshness，NVH）也日益受到重視[1-2]。NVH問(wèn)題不僅影響著汽車的舒適性和安全性，還直接關(guān)系到汽車品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。約有三分之一的整車故障與車輛的NVH問(wèn)題相關(guān)，而各大汽車主機(jī)廠將近20%的研發(fā)費(fèi)用用于解決車輛的NVH問(wèn)題[3-5]。汽車NVH性能開(kāi)發(fā)已成為汽車工程領(lǐng)域教育的重要內(nèi)容，尤其涉及整車及零部件NVH性能調(diào)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而，傳統(tǒng)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在著許多局限性，NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)整車與零部件樣件、消聲室環(huán)境、振動(dòng)噪聲測(cè)試設(shè)備等方面的需求，會(huì)引致成本高昂、時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境影響大等問(wèn)題，往往難以滿足教學(xué)需求。因此，尋求新的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案以突破上述問(wèn)題的限制迫在眉睫。

隨著科技的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，在汽車設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)不可或缺的工具。因而，基于虛擬仿真技術(shù)的汽車實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸受到重視，成為汽車工程領(lǐng)域教育改革的重要方向，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)開(kāi)展汽車實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)明顯的趨勢(shì)[6-7]。虛擬仿真技術(shù)具有靈活性強(qiáng)、成本低廉、安全可控等優(yōu)勢(shì)，為汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路[8-9]。然而，如何將虛擬仿真技術(shù)與汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合，尚缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)借鑒，搭建汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)仍頗具挑戰(zhàn)。

本文旨在探究基于虛擬仿真技術(shù)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建方案，通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生能夠在模擬真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行NVH實(shí)驗(yàn)，深入理解汽車NVH的產(chǎn)生機(jī)理及調(diào)控方法，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)。

1 虛擬仿真技術(shù)在汽車NVH領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建模和仿真分析的方法。在汽車NVH領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)建立車輛的數(shù)字化模型，模擬汽車在不同工況下的噪聲與振動(dòng)特性，如車身模態(tài)、振動(dòng)傳遞函數(shù)、噪聲傳遞函數(shù)、車內(nèi)聲壓級(jí)等，進(jìn)而評(píng)估和優(yōu)化車輛的NVH性能[10]。

虛擬仿真技術(shù)在汽車NVH性能開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用具體如下：

（1）虛擬仿真技術(shù)可以幫助汽車制造商在設(shè)計(jì)階段就對(duì)車輛的NVH性能進(jìn)行全面評(píng)估。

通過(guò)在計(jì)算機(jī)上建立車輛的數(shù)字化模型，可以模擬汽車在不同速度、路況和工況下的振動(dòng)和噪聲情況，識(shí)別潛在的NVH問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。這種虛擬仿真分析可以大幅縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并降低開(kāi)發(fā)成本。

（2）虛擬仿真技術(shù)可以用于車輛NVH問(wèn)題的分析與優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)汽車各部件的數(shù)字化建模和仿真分析，可以針對(duì)性地優(yōu)化車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和零部件布置，從而降低噪音和振動(dòng)的產(chǎn)生和傳遞。這種基于虛擬仿真的優(yōu)化方法不僅可以提高車輛的NVH性能，還可以降低車輛的整體重量和成本。

（3）虛擬仿真技術(shù)還可以用于輔助實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證。

通過(guò)在計(jì)算機(jī)上建立精確的數(shù)字化模型，可以預(yù)測(cè)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，并指導(dǎo)測(cè)試方案的設(shè)計(jì)和執(zhí)行。這種虛擬仿真與實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的方法可以更加全面地評(píng)估車輛的NVH性能，提高測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。

虛擬仿真技術(shù)在汽車NVH領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。通過(guò)建立車輛的數(shù)字化模型和仿真分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就識(shí)別和解決NVH問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將會(huì)在汽車NVH領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

2 汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)的挑戰(zhàn)與解決方案

2.1 汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)解決方案

汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)是汽車工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)科中非常重要的課程，它涉及汽車噪聲、振動(dòng)和聲振舒適性等方面的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)要求較高。然而，在進(jìn)行汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，比如設(shè)備不足、安全隱患、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限等問(wèn)題。在實(shí)際傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，各高校也提出了許多解決這些問(wèn)題的方案。

首先，設(shè)備不足是汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最常見(jiàn)的問(wèn)題之一。為解決該問(wèn)題，學(xué)校需增加投入，購(gòu)置更多先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，比如噪聲采集設(shè)備、振動(dòng)采集設(shè)備、聲壓傳感器、振動(dòng)加速度傳感器、傳感器標(biāo)定器、激振器、力錘等，以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要?；蛘?，學(xué)校需與具備NVH測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)合作，借用其實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，共同開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，以滿足教學(xué)效果。

其次，安全隱患也是汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要十分重視的問(wèn)題。在汽車NVH實(shí)驗(yàn)中，除了靜置的怠速工況，更多實(shí)驗(yàn)工況需要在車輛行駛狀態(tài)下開(kāi)展，以觀察車輛在路面激勵(lì)以及不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速載荷情況下的聲振響應(yīng)，這無(wú)疑大大增加了NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)在安全方面的挑戰(zhàn)。目前，采取的措施是，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的安全教育，確保他們具備必要的安全意識(shí)和操作技能。此外，還需要建立健全的安全管理制度，定期檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全狀況，及時(shí)排除安全隱患，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全進(jìn)行。

最后，實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限也是影響汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)因素。由于汽車的振動(dòng)與噪聲實(shí)驗(yàn)需要開(kāi)展高精密的測(cè)試，外部環(huán)境較大的振動(dòng)與噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響是無(wú)法忽視的，因而，汽車NVH實(shí)驗(yàn)往往需要特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，例如整車半消聲室、整車全消聲室等。建設(shè)整車消聲室的投入是巨大的，為了解決這一問(wèn)題，學(xué)校需積極與相關(guān)企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)合作，利用企業(yè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和資源，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

盡管在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，各高校針對(duì)汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了許多針對(duì)性的解決方案，然而，在設(shè)備與實(shí)驗(yàn)環(huán)境方面，高額的實(shí)驗(yàn)投入是很多高校短時(shí)間內(nèi)難以滿足的，而合作企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)往往也較為飽和，無(wú)法持續(xù)較好地配合開(kāi)展NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作；在實(shí)驗(yàn)安全方面，加強(qiáng)安全教育和完善安全制度可以有效減小實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，但由于涉及車輛動(dòng)態(tài)行駛工況，仍無(wú)法避免汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全隱患。因此，需要尋求新的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案以突破上述問(wèn)題的限制。

2.2 基于虛擬仿真技術(shù)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決方案

近年來(lái)，基于虛擬仿真技術(shù)的汽車實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸受到重視，許多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于汽車實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生提供更加直觀、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)?；谔摂M仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以提高學(xué)生的實(shí)際操作能力，這為汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式往往受制于設(shè)備、時(shí)間和資源等方面的限制，難以滿足學(xué)生對(duì)于NVH理論與實(shí)踐的深度學(xué)習(xí)需求，基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)解決方案為這一難題提供了新的突破口。

首先，傳統(tǒng)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)通常需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和專業(yè)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，而這些資源在多數(shù)學(xué)?；?qū)嶒?yàn)室中往往難以獲得。此外，實(shí)際的汽車NVH實(shí)驗(yàn)中涉及樣車與實(shí)驗(yàn)樣件，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備和實(shí)施，不利于課堂教學(xué)的高效進(jìn)行?；谔摂M仿真技術(shù)的解決方案，能夠利用虛擬仿真技術(shù)提供虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地以及實(shí)驗(yàn)樣件，有效地克服實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)設(shè)備等資源的依賴，為學(xué)生提供更加便捷和靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境。

其次，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)操作技能培養(yǎng)的問(wèn)題。尤其在汽車NVH實(shí)驗(yàn)中，涉及車輛行駛等工況，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)面臨一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)解決方案可以在保證學(xué)生安全的前提下，提供更加真實(shí)、直觀、豐富的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，甚至包括許多專業(yè)級(jí)行駛工況，并且可以隨時(shí)隨地進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能水平。

綜上所述，基于虛擬仿真技術(shù)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決方案在克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多挑戰(zhàn)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。這種技術(shù)不僅能夠提供更加靈活和安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而且能夠提供更加直觀和深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于學(xué)生更好地掌握NVH理論與實(shí)踐知識(shí)。因此，虛擬仿真技術(shù)在汽車工程教育中的應(yīng)用前景廣闊，值得進(jìn)一步深入研究和推廣。

3 虛擬仿真NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

3.1 平臺(tái)構(gòu)建目標(biāo)

虛擬仿真NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建旨在提供一種高效、實(shí)用的教學(xué)工具，幫助學(xué)生更好地理解和掌握汽車NVH相關(guān)知識(shí)。平臺(tái)應(yīng)具備以下目標(biāo)：

（1）提供一個(gè)豐富的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠安全條件下模擬實(shí)際汽車NVH問(wèn)題，提高實(shí)驗(yàn)操作的直觀性和真實(shí)性；

（2）支持多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和案例，以適應(yīng)不同課程和教學(xué)需求；

（3）培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，增強(qiáng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際操作能力。

（4）降低實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，提高教學(xué)效率。

3.2 平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容

虛擬仿真NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由虛擬仿真模塊、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

3.2.1 虛擬仿真模塊

使用虛擬仿真軟件模擬真實(shí)的汽車NVH的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如全消聲室、半消聲室、公共道路、隧道等，模擬與實(shí)際相符的汽車實(shí)驗(yàn)樣件，如汽車車身、動(dòng)力總成系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等，使學(xué)生能夠在仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模塊

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模塊為汽車NVH教學(xué)實(shí)現(xiàn)多工況、多功能的場(chǎng)景設(shè)定，包含汽車NVH實(shí)驗(yàn)中的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如振動(dòng)模態(tài)分析、振動(dòng)傳遞路徑分析、噪聲傳遞路徑分析、噪聲源識(shí)別等，學(xué)生可以通過(guò)這些模塊逐步學(xué)習(xí)NVH的相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要提供數(shù)據(jù)分析工具，內(nèi)含頻域分析、時(shí)頻域分析等數(shù)據(jù)處理算法，頻域分析包括頻譜、能量譜、功率譜分析等，時(shí)頻域分析包括連續(xù)小波變換、希爾伯特黃變換等。幫助學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)中的噪聲與振動(dòng)數(shù)據(jù)，掌握汽車NVH實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果解讀的方法。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)是平臺(tái)核心，包括NVH實(shí)驗(yàn)功能管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與系統(tǒng)維護(hù)。實(shí)驗(yàn)功能管理系統(tǒng)用于管理汽車NVH實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)規(guī)范等，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果、實(shí)驗(yàn)教材、教學(xué)視頻、實(shí)驗(yàn)案例等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源。系統(tǒng)維護(hù)確保平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性，建立良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行。

3.3 平臺(tái)構(gòu)建策略

為了構(gòu)建一個(gè)高效、實(shí)用的虛擬仿真NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，具體實(shí)施策略如下：

3.3.1 與技術(shù)提供商合作

與虛擬仿真技術(shù)提供商建立合作關(guān)系，共同研發(fā)適合汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件和硬件設(shè)備。通過(guò)合作，可以充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，提高平臺(tái)的質(zhì)量和效果。

3.3.2 引入實(shí)際工程問(wèn)題

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入實(shí)際工程問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際操作能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際工程能力。

3.3.3 持續(xù)更新教學(xué)資源

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)資源也需要不斷更新。教師應(yīng)關(guān)注虛擬仿真技術(shù)在汽車NVH領(lǐng)域的最新應(yīng)用，將最新的技術(shù)和方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際操作能力。

3.3.4 建立有效的評(píng)估

為了確保虛擬仿真NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的質(zhì)量和效果，需要對(duì)其進(jìn)行定期評(píng)估。評(píng)估內(nèi)容包括平臺(tái)的功能、性能、用戶滿意度等。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化平臺(tái)，以滿足教學(xué)需求。

4 總結(jié)

汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)是汽車專業(yè)教育的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，學(xué)生難以理解和掌握。此外，由于現(xiàn)實(shí)中的汽車NVH實(shí)驗(yàn)受到環(huán)境和安全的限制，學(xué)生很難獲得全面的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。本文研究和提出了基于虛擬仿真技術(shù)的汽車NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。通過(guò)建立虛擬汽車NVH實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行汽車NVH實(shí)驗(yàn)，模擬不同工況下的汽車NVH性能。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)和構(gòu)建虛擬仿真NVH實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以提供一個(gè)高效、實(shí)用的教學(xué)工具，幫助學(xué)生更好地理解和掌握汽車NVH相關(guān)知識(shí)，同時(shí)，教師和學(xué)生積極參與平臺(tái)的使用和維護(hù)，不斷優(yōu)化教學(xué)資源，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果，為中國(guó)汽車工業(yè)培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。

基金項(xiàng)目：四川省自然科學(xué)基金2022NSFSC189。

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