自動車のNVHとは?

子供に車が走る音を尋ねると、典型的な答えは「ブーンブーン」となるでしょう。自動車エンジニアに同じ質問をした場合、その答えははるかに複雑になります。サイドミラーの周りで生じる風切り音や、電気自動車が加速を強めるときの音など、自動車から生じるさまざまな音は、快適な運転体験に欠かせないものです。自動車のサウンドを設計、識別、最適化するために、エンジニアはNVHと呼ばれる基準を使用しています。

NVHとは

騒音、振動、ハーシュネス（NVH: Noise, Vibration, Harshness）は、物体の聴覚フィードバックと触覚フィードバックの研究と測定です。サウンドは、不快感にも利点にも成りえるため、NVH解析はサウンドがどこから生じているか、そしてその理由を特定するのに役立ちます。エンジニアは、シミュレーションと実機試験を組み合わせることで、望ましくない騒音を削減または除去したり、バイクの特徴でもある轟音といった有益なサウンドを強化したりできます。

NVHは何を表すか

NVHを構成する3つの部分は、サウンドがどのように聴こえるか、どのように感じられるか、不快または心地よいと感じられるかを表すサウンドの指標となります。

騒音: サンルーフが開く音、エンジン、ドアがバタンと閉まる音、HVACシステム、シートベルトバックルのカチッという音など、特定の物体によって生じるサウンドの伝播です。

振動: 特定の周波数で発生する振動です。車内では、ハンドル、シート、アームレスト、床、ペダルを通して、さまざまな速度で振動を感じることができます。 

ハーシュネス: 騒音と振動に関連付けられた主観的な品質です。騒音と振動はどちらも定量化可能な測定値ですが、ハーシュネスは不快なサウンドが聴こえるという不快感に対処します。ある人には耳障りなサウンドが、別の人には耳障りでないことがあります。 

自動車におけるNVH

NVH技術はさまざまな業界で適用されていますが、自動車業界では、内燃エンジンによって発生する轟音、ノッキング、および軋み音に対処するために導入されたのが始まりです。

特に自動車メーカーが車両の電動化に取り組み始めたことで、NVHは現在、自動車業界で重要業績評価指標の1つとなっています。車両のNVHパフォーマンスはブランドイメージを容易に確立あるいは壊すことができるため、設計の早期段階でNVHの問題に対処することが重要です。

詳細については、「シミュレーションで電動モータのNVHに関する設計の課題を克服する方法」をご覧ください。

自動車におけるNVHの発生源

車両におけるNVHの発生源は3つあります。

空力的: HVACファン、車体に当たる風

機械的: ブレーキの摩擦、エンジン作動、タイヤと路面の接触

電気的: 運転者への警告、電気自動車のインバータ

エンジン、ブレーキ、車体、内装などの発生源からのサウンドを特定できることで、エンジニアは車両から生じる音に関する全体像を把握できるようになります。エンジニアは、特定のサウンドの発生源を理解できれば、材料の代替、相互作用の流れの変更、遮音材の設置など、適切なサウンド制御技術を決定できます。 

自動車メーカーは、最高の運転体験を生み出し、競争力を獲得するために、NVHによって対処できるようになる次のようなサウンドに基づく目標があります。

• 運転者と乗員の快適性を向上
• 振動に基づく故障を削減
• 所望のサウンドまたは振動を発生
• 騒音規制を遵守
• 純音性騒音を最小化
• 構造信頼性を確保し、寿命を延ばす
• 静かな環境を提供することで、オペレータの疲労を最小化

NVH解析の実施方法

 自動車にはタイヤのハム音、風がヒューヒューと鳴る音、ワイパーのビビリ音など、音声的、視覚的、そして限定的に感知される数多くの音源があります。NVH解析は、その中で望ましくないものを削減または排除するのに役立ちます。必要な基準に合わせてサウンドを最適化するために、エンジニアは音響ソルバーを使用して、車両の騒音を複数の設計レベルでシミュレーションできます。

音響シミュレーションレベル 

• 車両全体レベル
  • 走行中の車両全体で生じる騒音。
• システムレベル
  • 連携して動作する機械から生じる騒音。
• サブシステムレベル
  • 電気モータなど、特定の機械から生じる騒音。
• コンポーネントレベル
  • シートベルトのカチッという音など、個々の要素から生じる騒音。

さまざまなシミュレーションレベルに基づいてNVH解析を完了するためには、最初に物理的なシステムまたはコンポーネントを正確に表すシミュレーションモデルを作成する必要があります。Ansys Mechanical、Ansys LS-DYNA、Ansys Fluent、Ansys Motor-CAD、Ansys Maxwellなど、Ansysのツールを使用して、必要なコンポーネントをシミュレーションおよびモデル化できます。また、ポスト処理はAnsys Soundで実行できます。

Ansysの音響ワークフローの詳細については、「Ansysを使用してシミュレーションを聴く」をご覧ください。

NVHシミュレーションの課題

NVHをシミュレーションするときにエンジニアがよく間違えるのは、非常に複雑で計算コストの高いシミュレーションからすぐに始めようとすることです。これが問題となるのは、こうしたモデルが、しばしば物理的な振る舞いと一致しないためです。その結果、実機試験の結果と一致しない解析にかけた時間とリソースが無駄になります。

非常に複雑な解析を実行する前に、全体の質量、剛性、減衰マトリクスなどのシミュレーションモデルの基本量を、モード信頼性評価基準（MAC: Modal Assurance Criteria）、座標モード信頼性評価基準（CoMAC: Coordinate Modal Assurance Criteria）、周波数応答信頼性評価基準（FRAC: Frequency Response Assurance Criteria）などのパラメータを使用して、実機試験と十分に相関させることが重要です。

NVH解析の導入

NVH解析は、自動車設計のほぼすべての要素にメリットをもたらします。騒音源とそれを最適化する方法を理解することは、自動車設計が購入者のニーズと業界標準を満たすことを保証するための最良の方法の1つです。概念段階および設計段階で可能な限り早期にシミュレーションを導入することで、物理的なプロトタイピングを開始する前に、NVHに関する問題を可能な限り解決することができます。

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