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摘要：实践环节在本科教学中具有重要地位。基于科研平台的资源，面向本科生开设车辆噪声测量分析的实践课程。新的实践课程充分考虑本科生的知识背景，注重基础理论的综合运用能力和创新精神的培养。新的课程实践表明，学生的兴趣和主动性显著提高，达到了本科生综合能力提高的目的。
关键词：车辆噪声；测量分析；实践课程
本文引用格式：刘宁宁，等.基于车辆噪声测量分析的创新类实践课程探索[J].教育现代化,2020,7(50):157-160.
Exploration of Innovative Practical Courses Based on Vehicle Noise Measurement and Analysis
LIU Ning-ning,GUO Hui,SUN Pei,MA Xi-pei
（Shanghai University of Engineering Science,Shanghai）
Abstract:Practice plays an important role in undergraduate teaching.Based on the resources of scientific research platform,a practical course of vehicle noise measurement and analysis is offered for undergraduates.The new practice course fully considers the knowledge background of undergraduates and pays attention to the cultivation of comprehensive application ability and innovative spirit of basic theory.The new curriculum practice shows that students'interest and initiative are significantly improved,and the comprehensive ability of undergraduates is improved.
Key words:Vehicle noise;Measurement and analysis;Practice course
一 引言
目前我国汽车的产销量已跃升世界第一[1]。随着人们对汽车舒适性要求的提高，车辆NVH（Noise、Vibration、Harshness）水平已经成为影响人们评价汽车产品质量的重要指标及购车取向的主要因素之一。NVH广泛受到各国汽车整车及零部件企业的重视，但我国汽车制造业总体水平还不高，创新能力不足，因此汽车人才的培养对我国汽车业的发展具有至关重要的作用。国内高等院校车辆工程专业普遍开设“汽车噪声分析与控制技术及应用”等相关课程，培养高水平应用型工程师人才[2]。但是，传统的以理论教学为重、实践教学为辅的本科教学模式已无法满足国家对汽车应用型和创新型人才培养的需求[1,3]。因此，在集中实践教学环节中开设相应的实验项目，引导学生开展探究式学习，掌握相关的声学信号处理知识和现代测试技术，将有助于学生综合能力的提高。
本校上海市新能源汽车振动噪声测试控制专业技术服务平台，拥有整车半消声室、西门子LMS数据采集系统、振动噪声传感器等相关的NVH测试分析仪器设备。目前，平台实验室主要用于学院相关的科研研究项目，为了扩大该实验服务平台的效用，使其科研和教学并用，使更多的学生熟悉车辆NVH的基本知识，开设与车辆NVH相关的实验项目到汽车技术基础实验中。本实践教学项目针对本科教学基于此实验室服务平台开展，拓宽学生对车辆噪声测量分析的理解和实践操作能力。
二 实践课程教学体系
作为培养高素质工程应用型人才的高校，实践教学可以充分调动学生的兴趣，拓展学生的视野，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养创新性思维及动手能力[4]。测试技术是现代学生必要掌握的工程技能[5]。该实践课程的主要内容包括实验目的、实验设备、信号处理基本概念、实验注意事项、实验步骤、实验数据分析与思考、创新研究性实验。在实验过程中突出重点，理论与实践并行。
（一)实验目的
通过实验的理论学习和动手操作，使学生直观感受车辆噪声的大小和理解其对汽车行驶舒适性能的影响；掌握数据信号采集设备的工作原理及操作规程；掌握车辆噪声信号测量方法和噪声信号的分析方法；从数据测量分析中理解汽车车身及内前围的隔声效果。
（二）实验设备
噪声信号测试采集系统组成示意图如图1所示。首先被测对象的噪声信号经噪声传感器拾取，将物理信号转为电信号，再经调制放大；然后由数据采集系统进行A/D转换，将电信号转为数字信号；最后数字信号存储在计算机中。根据测试系统各个环节测试需求选择设备，要满足测试目标不失真，量程、误差范围等相关技术参数达到测试标准。测试对象为实验室现有的乘用车。噪声传感器为PCB公司的378B02，集成了前置放大器，灵敏度50mV/Pa（噪声传感器受环境温度和湿度影响，因此测试时选用噪声传感器校准仪重新校准），频率范围3.15~20kHz。数据采集系统为西门子公司的LMS SCADAS设备，总体动态范围≥150dB，任意通道间干扰≥-120dB，信噪比≥110dB。通过LMS Test.Lab软件将数据采集系统送入计算机系统的噪声信号进行采集存储，然后进行后续处理分析。为了达到测试的精度和让学生更接近噪声测试工程实际，整个测试在半消声室进行。半消声室是声学测试的一个特殊实验室，地面为硬质刚性反射面，其余墙壁上均铺设有吸声系数大于0.99的吸声材料。因此，当噪声源或信号采集仪置于地面上时，噪声源和信号采集仪之间只有直达声而没有反射声。学校半消声室大小长宽高9.8*8.6*3.5米，本底噪声小于18dB(A)，截止频率63Hz。
（三)信号处理基本概念
为了让学生更好地理解和掌握噪声测量，要有一定的信号处理和噪声评价基础知识。信号的描述方法一般有时域和频域[6]。为更好地理解实验和激发创新思维，学生要掌握基本的信号频谱概念。时域是信号波形分析，描述数学函数或物理信号对时间的关系。频域是信号的频谱分析，描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。通过傅里叶变换可以将信号从时域变换到频域。采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示[6]。人耳听音的频率范围为20Hz到20kHz。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。因此本实验中设置采样频率为51200Hz。在噪声信号基本频谱分析中一般不需要对单个频率值进行具体分析。为了方便起见，人们把声频范围分为几个频带，每个频带成为一个频程。所谓倍频程是指使用频率f与基准频率f0之比等于2的n次方，即f/f0=2^n次方，则f称f0的n次倍频程。最常用的为1/3倍频程。
噪声大小一般用声压级来描述。声压就是大气压受到声波扰动后产生的变化，单位是帕斯卡（pa）。声压级定义为：将需要测量的声音声压有效值与参考声压值的比值取以10为底的常用对数，然后再乘以20，其单位是分贝（dB）。人体听觉系统对于不同频率的声音敏感度不同，为了使声音的客观量度和人体听觉主观感受取得近似的一致，设计了计权网络，主要的计权网络有A、B、C、D四种，最常用的是A计权。
（四）实验注意事项
常规的学生应严格遵守实验室规则，服务实验老师的指导，实验前应认真预习实验指导书及有关教材的内容，熟悉本实验的目的、原理、方法及操作规程。由于该实验设备属于高精密的科研设备，所以要注意轻拿轻放，不要跌落损坏。半消声室是专门建设的声学实验室，不能在内打闹，不能损坏吸声墙面。
（五）实验步骤
实验步骤主要包括场地和设备的布置、采集软件的设置和实施信号采集分析三部分。场地和设备的布置按照图1示意图布置，如图2所示。布置两个噪声传感器，一个在驾驶员头枕位置测量车内噪声，一个按照标准GB/T 14365-93布置在车外代表发动机噪声。采集软件的设置主要有通道的设置、传感器灵敏度的校准、采集时长、采样频率、频率分辨率等设置。所有工作准备好将汽车置于怠速工况就可以进行信号采集，然后进行数据分析。
（六）实验数据分析与思考
将怠速工况下的两个位置的噪声信号进行处理分析，分别计算总的A计权声压级和1/3倍频程下的A计权声压级。例如总的声压级驾驶员位置47.75dB(A)，车外位置59.95 dB(A)，可以看出车辆的隔声效果。将两个位置的1/3倍频程下的A计权声压级进行画图，如图3所示。从图3中可以从频域下看出两个位置噪声信号的差别，汽车内前围对噪声的中高频有很好的隔声效果。
（七）创新研究性实验
上诉的实验只是简单的车内外噪声测量，然后进行对比分析。如果有学生感兴趣可以查阅相关资料自己或和同学组队制定实验方案，然后交实验老师评阅，预约实验室时间进行测试分析。学生通过自己的创新研究实验，可以加深对理论知识的掌握，在实验中开拓自己的思路，验证自己的创新想法。创新研究性实验可以激发学生的参与热情，进一步培养学生的动手实践能力和科研创新精神。
三 实践课程考核方式和评价
课程考核主要包括三个方面：考勤、课堂表现、实验报告。有创新研究性实验的学生进行适当加分。由于实验是分组进行的，所以课堂表现按组考核，并能够培养学生团队协作的精神和组织分工的能力。在每组中动手能力强、表现好的同学也适当加分。鼓励同学与教师共同探讨实验的过程和结果分析，通过深入讨论强化对有关知识的掌握。实验报告需除了常规的实验内容和过程外，强调结果引申分析。实验结果延伸分析是培养学生科研能力的重要步骤之一，是巩固实践教学成果的环节，也是启发其创新思维的有效途径[4]。为了防止抄袭，要求学生根据实验结果手绘出像图2这样的图，然后深入的分析两个位置噪声信号的差别和特征。为了培养学生的创新实践能力和科研探索精神，鼓励学生自主设计实验方案，最大程度激发本科生的学习潜能。学生的实验方案提交老师审核通过后，可利于服务平台进行实验，并对学生适当加分鼓励。
四 实践教学效果及总结
（一）实践教学效果
通过教学设计和教学实践，学生在实验上积极主动地进行思考并与老师互动探讨，对学习充满了兴趣，能够在教师的引导下主动构建车辆NVH和噪声信号处理的概念。大多数同学能够自发独立主动地完成基本的实验内容，有些同学则更为深入，与教师探讨提出新的想法，完成实验。从交上来的实验报告中，部分学生查阅资料对结果分析进行了深入的探讨，提高了综合分析能力和创新能力。
（二）总结
通过不断的探索与努力，基于车辆噪声测量分析的实践课程教学体系日渐完善成熟，课题组编写了《汽车发动机怠速噪声基本测量分析指导书》和其教学大纲。此实践课程的开设使越来越多的学生对车辆NVH了解更加深入，对现代测试技术熟悉并产生兴趣。实践证明，实验课程如能贴近实际工程问题，更能获得学生的学习兴趣；课程设置要注重团队合作精神和创新思维的培养，更能符合现代大学生的培养要求，也更符合本校高素质工程应用型人才的教学理念。本实践课程不仅加深了学生对车辆噪声基本规律的理解和认识，还拓展了学生的视野，提高了工程综合实践能力。有想法和有潜力的学生可提出自己的创新研究性实验，这样可有力促进学生创新性思维的培养、提高学生的科研与工程实践能力。实践教学是一项长期而又复杂的系统工程，需要在理论和实践上不断探索，以求获得更好的教学效果。
参考文献
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[2]陈光冶,赵玖,周海亭.机械振动噪声综合性实验课的革新[J].实验室研究与探索,2003,22(6):24-25+49.
[3]贾倩,周长峰.基于创新能力培养的车辆工程专业实践教学体系改革[J].科技视界,2015,2015(21):60+77.
[4]柳贡民,李帅军.轮机工程专业《机械振动噪声学》课程实践教学初探[J].教育教学论坛,2012,2012(01):107-108.
[5]蒋玲莉,谭鸿创.面向应用型人才培养的“现代测试技术”课程案例教学[J].教育现代化,2018,5(39):7-8.
[6]王伯雄.测试技术基础[M].北京:清华大学出版社,2012.
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