當我談汽車聲學時，我在談什麼(四)
大家好，在這個國內春暖花開德國零下十度的日子裡，新的一篇汽車聲學專欄又沒有任何徵兆地和大家見面了。
想先和大家聊聊最近我幹了些什麼。
前兩天乘火車回學校的時候遭遇了在德國極端天氣里十分不罕見的列車延誤和班次取消。只有每當在德國遇到特別慘的事情時才想起祖國媽媽的好（那你倒是回來呀）。
回布倫瑞克以後見了些老朋友扯淡。我很為其中的幾位感到高興，因為當他們談起讀研前後的工作內容的變化時，左右嘴角上揚都特么快能完美模擬一個2 內的cosinus，可想而知這樣的狀態是真的很棒棒了~
但是聯想自己，未來可見的幾年內我還是會一門心思鑽進汽車聲學的海洋里，什麼自動駕駛，什麼電動車混動車，跟我有關係嗎?
…………
當然有關係啊233 細心的小朋友已經發現了這就是段非常自（jiang）然（ying）的轉折，今天專欄的內容是混動車和電動車的聲學。
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NVH工程師眼裡沒有好車。——來自用戶「誰給你的勇氣代表NVH工程師說話的「
1. 電動車和混動車的聲學問題描述
可能有些胖友要問了，電車有什麼聲學問題？我開下來好像沒什麼惱人的雜訊嘛。
關於這部分的解答，還請移步拙作《當我談汽車聲學時，我在談什麼(一)》觀看後半部分，一定能給你一個滿意的解答。
好了，電車聲學問題描述完了。我們下期專欄再見。
……
不好意思開個玩笑。
首先我們從混動車開始講起。知乎上能夠找到非常多關於混動車的優秀科普和行業解析，比如 @魚非魚 的混動科普系列和 @姚昌晟 博士的回答，我再過多贅述就實在相形見絀，在這裡就只挑跟聲學搭邊的內容做點微小的工作。
首先我們來簡單了解一下混動車的驅動模式。
上圖橫軸為轉速，縱軸為發動機或/和電機（E-Motor，Generator）的扭矩。在內燃機和電機的共同作用下可在相同轉速下獲得大於純內燃機單獨做功所獲得的扭矩。而竊以為對於混動車來說最讓人心動的就是Betriebspunktsverschiebung (BPV)的工況（在串聯混動和eCVT上可隨時進行，並聯混動在電池充滿電的情況下無法達成該工況）, 內燃機在此區域內永遠保持最大的熱效率。而電機的正轉和反轉就決定了在該工況下它具體是作用為發電機還是電動機。發動機和電機/電動機工作的排列組合就對應了這張沒有肌肉的肌肉圖裡混動車驅動從上到下五種不同的驅動模式。
上圖看似跟聲學的關係不大。
對，其實就是沒什麼關係。
但是在這些不同驅動模式的過度當中會對我們敏感的屁股和耳朵有怎樣的刺激呢？下圖給出了一個相當完整的總結。
圖1.2是大名鼎鼎的動力分流系統在改變驅動模式時產生的NVH問題, 對，豐田Prius說的就是你，就你事情多，你看隔壁神車飛度和思域都沒有這些問題。
其中橫軸是車速。有一些高中物理基礎的朋友應該不難理解，車速與發動機或/和電機的轉速正相關，因為與本篇內容沒什麼太大關係所以我就不具體在此進行推導了。大家把橫軸理解成轉速也不會在本質上有太多的區別。縱軸仍然是扭矩。
在之後的篇幅中我會對其中的內容做出儘可能詳細的描述。
2. 不招人待見的混動車&電車聲學
對駕駛員和乘客來說電車當然好。加速快，行駛過程中零排放，雜訊小，整個人都可持續可再生了。然而背後是無數工程師忍受著智障同事或上司在工作群里整天"我愛工作工作使我快樂"和「Happy Life, 10% Daimler Drive」的辛苦付出。(大概哦，我沒在整車廠待過，我只是說大概哦微笑)
如上文所說，傳統內燃機車的行駛速度是與發動機轉速耦合的。如果你有興趣讀一之前的第二篇汽車動力總成聲學專欄《當我談汽車聲學時，我在談什麼（二）》，那就不難發現傳統汽車的諸多聲學問題刨根問底可以追究到發動機階次上。
而混動車由於有電機時不時的參與，所以它的室內雜訊並不完全是發動機的鍋（然而各位標定仍然難辭其咎）。
既然單這樣闡述也不一定能說服大家，那在下告辭。
哦不是，那請看下圖。
上圖為某動力分流系統中滿載加工況下（ICE+EM）的發動機轉速和混動車車速在時域上的曲線橫軸為時間，縱軸有兩根，左邊為車速，對應看黑線，右邊為內燃機轉速，對應灰線。很明顯可以觀察到的是，隨著車速不斷升高過程中，雖然在15秒之前發動機轉速同時一路往高里飆，而15秒以後就基本保持在5500 rpm左右了。這個和傳統內燃機車不同的加速過程就產生了motorboat effect聲學現象。
https://www.zhihu.com/video/954213568900460544 不難理解。如此，由於混動車還有諸如電機，電池及其熱管理系統，AC/DC逆變器，DC/AC逆變器等等純內燃機車沒有的零部件，導致了不同零部件和系統之間新的交互，自然就產生了純內燃機車沒有的聲學問題，嚴重影響聲學品質層面上的整車舒適性。
拆開來講：
- 動力總成在發動機啟停時的低頻振動和雜訊
- 被改變的動力總成轉動慣量和固有頻率
- 整車純電啟動時電動機和/或發電機制動能量回收時的電磁雜訊
- 變速箱嘯叫（在有變速箱的情況下，詳見《當我談汽車聲學時，我在談什麼（二）》）
- 電池冷卻系統的空氣動力雜訊
- 電子功率控制器的控制雜訊
2.1 混動動力總成在發動機啟停時的低頻振動和雜訊
嚴格意義上啟停並不能算是混動車特有的聲學問題。舉個例子，歐洲大眾狗夫全系（柴油版，汽油版和CNG版）在手動和自動檔上都標配了Start-Stop功能。相信很大一部分朋友都有類似的經驗，下班路上頻繁地自動熄火和輕踩油門，一股股巴拉拉振動能量從屁股匯聚到頭頂，最後在我們的體內散溢。
然而如上文提到的那樣，在諸如豐田普銳斯這樣的動力分流驅動系統或例如並聯P2系統中，車速和發動機轉速並不完全耦合，完全可能發生低扭矩下發動機被熄火而車子悄悄切換到純電駕駛模式的工況。所以不難想像，對於動力分流混動車的啟停功能來說，與NVH舒適性最相關的就是啟停時發動機的振動。 這部分振動主要來自於發動機點火時產生的氣體力（活塞處於上下止點時的氣體力最大，也可以把這些時刻的氣體力叫活塞力）。
值得一提的是，在低速區間內（每個車型的具體速度區間不同，真得問標定）也會發生E-Motor與發動機在勻速時經常切換的工況。具體請看下圖。
沒有經過專業訓練的駕駛員很難在一輛混動車低速勻速駕駛時通過聲學特徵來判斷現在是內燃機在做功還是動力系統已經被切換到純電模式。觀察圖2.2可見三段特別短的時間段，是某六缸內燃機在低速時參與驅動的第三階次時域聲壓級曲線，平均每段約2.5秒，以及該車的時域聲壓級曲線。兩者僅相差15dB左右。
15dB是什麼概念呢？嬰兒均勻的呼吸聲，下雨天室外助你整晚熟睡不擔心側漏的白雜訊不過如此，很難在風燥，胎噪等其他雜訊的覆蓋下被察覺。換句話說，整車廠並不希望乘客和駕駛員在低速勻速下感受到電機和發動機的切換。
2.2 整車純電啟動時E-Motor和/或發電機制動能量回收時的電磁雜訊
首先我們簡單了解一下電機和它的毛病。
上圖電機的轉子與定子間產生交流電流。周期電流除了激勵電機殼體併產生不愉悅的電磁雜訊，此外還會因為磁力導致電機殼體的形變。因為缺少了發動機的頻域掩蔽，這部分雜訊在缺少有效降噪措施的電車或混動車的純電模式下會被人耳明顯感知。
在上頻譜圖中可以觀察到，當純電啟動（電機）和制動能量（發電機）回收時，兩者分別在20-50km/h和40-60km/h時速下有比較明顯的高階次雜訊，傳遞到駕駛室內就是類似變速箱嘯叫一般的雜訊了。
2.3 缺少發動機頻域掩蔽所致能被更人耳強烈感知的雜訊
關於頻域掩蔽效應我在拙作《當我在談汽車聲學時，我在談什麼（一）》里簡單聊過幾句。這裡請大家再跟我稍微複習一下。
頻域掩蔽指的是，低聲壓級聲源會被高聲壓級聲源遮蓋，導致人耳無法感受到低聲壓級聲源的存在，儘管前者仍然能通過測量手段證明它的存在。圖2.5中把頻域掩蔽中「伴隨聽閾」的概念很好地表達了出來。最下面的虛線為聽閾線，而不同的等聲壓級曲線和聽閾線圍起的面積就是人在掩蔽效應下所擁有的伴隨聽閾面積。舉個栗子，同樣在1kHz下，20dB的伴隨聽閾就比40dB的伴隨聽閾面積小上不止一倍。
掩蔽效應之所以在傳統汽車中有這麼廣泛的應用，是因為相對低頻的許多爹不親娘不愛的雜訊能被發動機相對高頻的雜訊掩蓋。而電車或混動車在純電模式下的室內雜訊具體在頻譜上如何分布呢？
風噪，胎噪，電機嘯叫，變速箱嘯叫（電車有一級減速器或並聯混動和動力分流混動的情況下），這些原本你早年出來混開著發動機車根本不會在意的雜訊在你終於有一天純電駕駛時全都還給你，更別說那些逆變器寬頻調製和汽車空調的雜訊，這酸爽簡直讓人不敢相信。
舉個簡單的汽車空調的例子。
上圖以不同顏色標出了在不同空調吹風等級下的汽車室內雜訊。灰色面積是非常典型的汽油和柴油車在空轉時的汽車室內雜訊區域。可以明顯觀察到，直至3級吹風，室內雜訊還可以被發動機的雜訊所掩蔽（灰色區域在③線以上），然後就沒有然後了。
對，然後就沒有然後了……沒有發動機還掩蔽什麼呀？
在電車裡如何解決因為缺少發動機掩蔽效應所造成的汽車室內雜訊惱人的問題呢？沒有人給我們更好的答案，前路還需摸索。
Referenzen:
K.Genuit, Future Acoustics of Electric-Vehicle
G.Kale, NVH challenges and solutions to mitigate Cabin Noise in Electric Vehicles
M.Pflüger, Fahrzeugakustik
P.Zeller, Handbuch Fahrzeugakustik
G.Eisele, K.Wolff, NVH of Hybrid Vehicles
Folien Vorlesung Fahrzeugakusitk, IfF, TUBS
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不知不覺是汽車聲學系列的第四篇更新了。該系列還有兩篇就結束。打算填上前幾期熱心群眾提出問題沒有作答的坑，也算對得起騙來的贊了。
往期文章：
Haochi：當我談汽車聲學時，我在談什麼(一)
Haochi：當我談汽車聲學時，我在談什麼(二)
Haochi：當我談汽車聲學時，我在談什麼(三)
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