什麼是噪音、振動與聲振粗糙度？

噪音、振動和聲音粗糙度 (NVH) 是指研究並管理人類與機器互動時所感受到的聲音和振動，尤其是汽車相關的聲音和振動，以及人們感知這些聲音和振動的方式。工程師重視 NVH，因為它不僅影響客戶體驗，也會影響機器的機械耐久性。

NVH 結合了工程學與心理學。工程師負責預測、量測與控制噪音和振動。心理學家則研究心理聲學，以用於量測並瞭解人類如何感知噪音和振動。 

一種深入瞭解 NVH 的好方法是分別檢視每個詞彙在車輛中的意義。

噪音 (Noise)：聽得到的聲音

噪音是指在車輛內外所產生的不必要聲音。這些聲音可能源自風吹過車身、輪胎在路面上滾動、煞車發出的尖銳聲、幾乎關閉的空調出風口傳出的氣流哨音，或是馬達運轉聲。音調噪音是噪音的一個分支，其特性是由單一頻率或幾個單一頻率構成，會產生尖鳴聲、低頻嗡鳴聲、哨音或嗡嗡聲。

振動 (Vibration)：振動源的行為特性，以及人體如何透過觸覺感知這些振動

振動是指任何物體的物理振盪。振動可能影響耐用性，也可能由人體透過觸覺感知。這可能包括方向盤顫動、怠速時抖動的馬達，或發出異響的手套箱蓋。

聲音粗糙度 (Harshness)：感知到了什麼

聲音粗糙度是指對聲音品質的主觀衡量。它關注的是哪些因素會讓引擎聽起來強而有力、車門關上時聽起來堅固安全，或是駕駛艙聽起來是否安靜舒適。 

NVH 雖然適用於任何人機互動情境，但汽車產業在 NVH 的發展和應用上，始終位居領先。儘管當時的人們可能不會稱其為 NVH，但早期的戰車和馬車在道路發明之前，就已經面臨零件鬆動異響與乘坐顛簸等問題。隨著時間流逝，人們加入簡單的木製彈簧、固定零件，並加厚元件，讓乘坐馬車不再那麼顛簸不適。

當工程師將噪音較大的引擎融入車輛設計，並將 NVH 視為汽車工程重要的一環時，NVH 才真正開始蓬勃發展，而改善旅行體驗的技術，也逐漸轉變為一門專業科學。  所有的主流汽車原始設備製造商 (OEM)，都有多組工程師團隊專門負責 NVH，因為車內聲音和振動是駕駛體驗的一部分，會影響到品牌印象。圍繞於 NVH 的研究、技術進展、模擬工具和測試流程，大多直接源自汽車產業對於乘坐體驗更安靜、更愉悅的追求。

然而，其他產業部門同樣重視人類在與系統互動時，如何感知聲音與振動。

NVH 較為常見的非汽車應用，包括：

• 家用電器，例如洗碗機和洗衣機
• 電動庭園工具，例如吹葉機和割草機
• 飛機 —— 尤其是客艙和駕駛艙，以及降低機場周邊由於交通造成的社區噪音
• 電動工具和製造設備
• 風力發電機

無論是何種產業，NVH 工程都是為了瞭解噪音與振動來源、傳遞模式，以及人類如何感知兩者，並進一步管理這些因素，以達成法規、商業、美學、安全與耐用性目標。團隊會運用各種工具和流程進行 NVH 分析，並支持整個產品開發團隊，在必要時修改設計。最終成果是提供更卓越的產品和客戶體驗。 

噪音和振動都來自車輛機械元件的衝擊、隨機性或週期性移動，或是流體 (通常為空氣) 在元件周圍或內部流動所產生的運動。產生振動或聲音的機械運動稱為噪音源。噪音或振動能量傳達至乘客的路徑，則稱為傳遞路徑。工程師會同時研究這兩者，並透過修改設計來降低粗糙感，亦即人們所感知到的車輛噪音與振動。

車輛中最為常見的 NVH 問題來源有：

• 傳動系統
  • 引擎燃燒：內燃機 (ICE) 的噪音和振動主要來源，為汽缸內的燃燒作用。
  • 機械裝置運動和接觸：內燃機中的曲軸、凸輪、汽門和活塞滑動且相互接觸時，都會產生振動。
  • 電動馬達：電動車 (EV) 的電動馬達出現的週期性高頻電磁負載，會產生與內燃機車輛截然不同的噪音和振動。
  • 傳動軸：軸承、固定座、聯軸器和其他機械元件，可能會產生噪音和振動，並在特定臨界頻率下產生強烈共振。
  • 變速箱：自排和手排變速箱都可能由於齒輪交互作用而產生噪音。
• 道路與輪胎交互作用
  • 輪胎胎紋：每個輪胎上的獨特胎紋，有可能在特定車速下產生共振，進而形成不必要的噪音。
  • 路面紋理：路面的局部紋理，例如礫石、混凝土或瀝青，可能使輪胎產生振動，進而造成噪音和振動。
  • 路面斷續處：裂縫、突起、伸縮縫、溝槽和坑洞會衝擊輪胎，這些是乘車聲音粗糙度的核心來源。
• 空氣動力負載
  • 外部亂流：紊流氣流中的渦流是無謂噪音的重要來源。這類噪音通常稱為風切音；車輛上的任何突出部位，例如接縫、後視鏡、雨刷或車柱，都可能產生亂流並形成噪音。
  • 洩漏：空氣快速穿過車窗或車門接縫周圍的小細縫時，可能產生高頻哨音。
  • 腔體共振：開啟車窗時，可能導致駕駛室內產生壓力共振，進而形成脈衝聲。
  • 排氣系統：在內燃機車輛中，引擎排放的廢氣會通過排氣系統，由此產生的壓力波會發生共振，產生振動和噪音。
• 輔助子系統
  • 煞車尖鳴聲：煞車片與煞車碟盤或煞車鼓摩擦時，可能會引發共振，產生明顯且響亮的尖鳴聲。
  • HVAC 空調系統：暖氣與冷氣系統有多種噪音來源，包括鼓風機噪音、風管內的哨音，以及出風口內的亂流。在現代汽車中，由於空氣動力噪音和道路噪音已降低，HVAC 空調系統可能會是主要噪音源，尤電動車更是如此。
  • 渦輪增壓器：渦輪增壓器上的渦輪和壓縮機，在特定轉速下會產生明顯的高頻噪音。
  • 冷卻風扇：用於維持引擎或電池冷卻的皮帶和風扇，經常會在車輛靜止時，甚至在馬達關閉後持續運轉。
  • 鎖扣：車門、安全帶和車內置物空間的固定機械裝置，在開啟或關閉時，都會產生噪音和振動。
  • 致動器：現代車輛裝有幾十個電動致動器，這些致動器在車窗、座椅、門鎖、駐車煞車、雨刷及其他元件移動時，會發出嗡嗡聲與尖鳴聲。
  • 嗡鳴、吱響和異音 (BSR)：鬆動的車輛元件，例如車身鈑件、喇叭網罩、飾板固定夾和隔熱罩，可能在高頻下共振而發出嗡鳴聲，與其他零件摩擦而產生吱響，或撞擊其他物體而產生異音。

NVH 分析的傳遞路徑

工程師找出來源後，下一步就是量化噪音和振動如何從來源傳播至乘客。噪音通常是透過空氣傳播，稱為空氣傳導。振動能量則是透過固體元件傳遞，這稱為結構傳導。這項區分相當重要，因為傳遞路徑會影響乘客感知噪音或振動的方式，也會決定工程師可使用哪些方法控制聲音粗糙度。 

汽車工程師會使用各種感測器，量測原型車和量產車的振動及聲音。接著使用分析軟體，將測試資料轉換為實用資訊。

最常用於量測 NVH 的感測器有：

• 加速度計：可同時在三個維度上量測隨時間變化的運動，取得車輛上特定位置的加速度。
• 力轉換器：這類儀器通常稱為測力計，會放置在元件之間，用於量測元件之間隨時間變化的負載。
• 扭矩轉換器：用於量測輪軸應變，並將其轉換為隨時間變化的旋轉負載。
• 應變計：用於量測物體隨時間產生的變形。
• 麥克風：用於量測空氣壓力隨時間的變化，也就是聲音。
• 雷射振動計：這類光學系統針對從振動表面反射回來的雷射光束，量測其都卜勒位移，藉此取得表面沿雷射光束的方向隨著時間改變的偏移量。 

汽車工程師可採用多種方法來將車輛噪音和振動進行最佳化，以降低聲音粗糙度。汽車製造商會試著盡量在設計流程初期導入這些改善措施，因為此時變更設計的成本最低。

工程師會嘗試消除訊號、降低其能量，或使其聽感不那麼粗糙刺耳。訊號中各頻率的振盪和振幅，定義出特定的振動或噪音。針對各頻率振幅進行分析，即稱為頻譜分析。在特定頻率上出現多個訊號實例時，會形成一個或多個人耳可聽見的音調。這些基礎振動的振幅代表聲音的音量。描述音量感知的正確術語是響度，可運用響度心理聲學指標進行估算。 

降低振幅或改變頻率最常見的四種方法包括源頭修改、能量吸收、隔離，以及主動抑制。

源頭修改

處理 NVH 挑戰時，首先應從來源著手，也就是停止、降低或變更噪音或振動。如果訊號是共振所造成，工程師會改變剛度或幾何形狀，使自然頻率避開激發頻率，或在受到激發時將能量降至最低。透過加強零組件的固定，可減少甚至消除鬆動異響。若要從來源降低音調噪音，工程師會使用音高順序拓寬頻率範圍，或改變旋轉速度 RPM，將頻率轉移至較為悅耳的範圍。

能量吸收

訊號一旦離開來源，工程師會使用各種方法將其能量轉換為熱能，通常是透過阻尼或吸收達成。有個不錯的例子是，在天花板面板中使用隔音罩、減震器或吸音泡棉，吸收來自外部的噪音，並減少駕駛室內噪音的反射。吸能材料也會用於機械連接處以吸收振動。 

隔離

除了吸收訊號能量之外，汽車工程師運用的另一種方法是阻止訊號傳遞。設計人員會使用襯套、橡膠、液壓固定座和撓性接頭，阻隔振動在車輛中傳遞。

主動抑制

工程師可採用的另一種較先進改善措施，是使用特定頻率的放大聲音降低訊號振幅，又稱為主動式降噪 (ANC)，其原理是透過破壞性干涉達成降噪效果。破壞性干涉會產生一個與工程師希望降低之訊號相位相差 180 度的人工訊號。另一種主動抑制方法是加入令人愉快的聲音，藉此遮蔽刺耳噪音。 

在產品開發中，有一項廣為人知的準則是：在設計階段初期進行變更，費用幾乎始終較低。然而，工程師必須等到原型車或量產車完成後，才能進行 NVH 量測。這正是模擬派上用場之處，因為模擬可在遠早於任何實體元件的製造階段前，就為設計團隊提供資訊。在多數情況下，團隊會結合多種類型的模擬，從中瞭解並改善 NVH 效能。

工程師會先使用結構動力學，判斷 NVH 來源和傳遞路徑的自然振動和強制振動響應。Ansys Mechanical 軟體一類全方位高效率套件，可執行各式結構動力學模擬，包括自然頻率響應、強制振動、隨機振動，以及用於車輛單體式車身結構等大型組件的元件模態合成 (CMS)。

針對電動傳動系統，模擬工程師會使用 Ansys Maxwell 軟體一類通用工具，描述電磁力所產生的振動和噪音。若是專門針對電動馬達和致動器，可使用 Ansys Motor-CAD 軟體一類專用模擬工具，加快建立噪音來源模型，並評估 NVH 改善措施。Motor-CAD 軟體也是個絕佳例子，可說明 NVH 專用後處理工具如何加速模擬流程，並為工程師提供更具意義的資訊。

工程師也會使用 Ansys Motion 軟體這類工具，透過多體動力學 (MBD) 結構分析，評估訊號傳遞和 BSR。這類模擬會簡化結構，並聚焦於各種元件的連接方式，以及其動態運動方式。用於 NVH 的 MBD 模擬，通常著重在車輛懸吊系統或傳動系統。 

最後，工程師會使用 Ansys Fluent 軟體等計算流體力學 (CFD) 程式，預測並控制空氣動力噪音。氣動聲學分析結合流體動力學和聲學，用於預測並控制風切音。預測空氣動力噪音時，有個重要因素在於準確建立紊流模型，並預測流動何時及何處會從層流轉變為紊流。 

工程師瞭解噪音和振動的來源和傳遞方式後，即可使用 Ansys Sound 軟體等工具，聆聽虛擬原型的結果。他們可以透過陪審聆聽測試，評估乘客如何感知聲音，也可以透過響度、音調性和尖銳度等心理聲學指標計算，估算乘客對聲音的煩擾感知。這些評估準則大多遵循 ANSI、DIN 和 ECMA 等標準。下一步是在模擬工具中反覆修改設計，調整材料、幾何形狀、元件和連接關係，以降低響度和聲振粗糙度。 

除了這些工具外，團隊通常也會導入 Ansys optiSLang 軟體等最佳化平台，處理必須在多項輸入和輸出之間進行權衡的複雜情境。 

NVH 管理中最為顯著的改變是電動車的成長，以及如何因應電動馬達所產生的高頻振動。此外，相關團隊正致力於解決內燃機噪音不再能掩蓋其他聲音的問題，他們需要辨識這些噪音，並將其降至最低。

除了因應電動車所帶來的變化之外，NVH 工程的三大趨勢包括吸音技術創新、主動式降噪，以及主動聲音設計 (ASD)。企業正積極研究新材料與創新製造方法 (例如 3D 列印)，以打造能夠抑制或吸收噪音與振動的結構。研究人員也在探索車載邊緣運算、感測器技術與更高效率聲音產生器的改良方式，以求更準確地量測並降低不必要的噪音。透過被動或主動方式減噪後，便有空間創造新的聲音。例如，運用 ASD 即可開發具未來感的聲音，為電動動力傳動系統的高扭矩提供聽覺回饋，或為先進駕駛輔助系統 (ADAS) 警示產生細緻的 3D 聲音。電動車的一種強制性主動聲音功能，為低速行駛時的外部聲響，也就是車輛聲學警示系統。

最具前景的研究領域是研發團隊運用人工智慧 (AI)，協助瞭解並量化聲振粗糙度，將這些資料從主觀詮釋轉變為客觀且可量測的量值。 

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