Акустика автомобиля

Акустика автомобиля

 

Шумы в автомобиле, это один из серьезных раздражающих факторов в длительной поездке. Высокий уровень шумов негативно воздействует на водителя во время управления автомобилем. Это не просто раздражающий фактор. Шум и акустические эффекты являются причиной повышенной утомляемости водителя. Источники автомобильного шума представляют собой сложный комплекс звуков, это звуки с улицы, вибрации, результат трения, циркуляция воздушных и тепловых потоков. Да и сам автомобиль, как и большинство механизмов, является источником шумов. Вот о том, из каких компонентов состоит акустика автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

 

Содержание
  1. Измерение уровня шума для автомобилей
  2. Инженерная акустика автомобиля
  3. Акустическое проектирование

 

 

Мы уже рассмотрели физические составляющие акустики в автомобилестроении. Поговорили об единицах измерения шума, величинах для оценки воздействия шума (защиты от шума) и воспринимаемых уровнях шума. Пришло время поговорить о методиках измерения шума и акустическом проектировании.

Измерение уровня шума для автомобилей

 

Методики измерения уровней шума, используе­мые для определения его предельных значений в соответствии с требованиями законодатель­ства, касаются исключительно внешних уровней шума. Директива ЕС 70/157/ЕЕС, вступившая в силу в 1970 году, вместе с ее последней редак­цией 2007/34/ЕЕС, определяет методы из­мерений и предельные значения уровней шума, создаваемого неподвижными и движущимися автомобилями. В связи с неадекватной приме­нимостью положений законодательства к реаль­ным ситуациям, возникающим в реальных усло­виях дорожного движения, законодатели ЕС в настоящее время работают в области пересмо­тра процедур измерения уровней шума в целях лучшего воспроизведения реальных условий городского дорожного движения. Директива 2001/43/ЕЕС включает дополнительный раздел, посвященный уровню шума, произво­димого шинами в диапазоне скоростей 80 км/ч.

 

 

Измерение уровней шума движущихся легковых автомобилей и гру­зовых автомобилей с разрешенной полной массой до 3,5 т

 

Схема измерения уровня шума движущихся автомобилейАвтомобиль приближается к линии АА, нахо­дящейся на расстоянии 10 м от створа микро­фона, с постоянной скоростью 50 км/ч (рис. «Схема измерения уровня шума движущихся автомобилей» ), а затем ускоряется «с полным газом» до линии ВВ (удаленной также на 10 м от створа микро­фона). Легковые автомобили с 4-ступенчатой механической коробкой передач испытыва­ются на второй передаче. Для автомобилей с более чем четырьмя прямыми передачами измерения выполняются последовательно при движении на второй и третьей передачах, для спортивных автомобилей — на третьей передаче, в соответствии с определением, приведенным в Директиве. Для автомобилей с автоматической трансмиссией измерения выполняются при по­ложении рукоятки селектора D.

Уровень шума определяется, как максималь­ный уровень звука, измеренный справа и слева от автомобиля на расстоянии 7,5 м от средней линии полосы движения. Если уровни шума измеряются во время движения на двух пере­дачах, за уровень шума принимается среднее арифметическое значение двух результатов.

 

 

Измерение уровня шума движущихся грузовиков с разрешенной полной массой более 3,5 т

 

Автомобиль движется до линии АА, которая удалена от створа микрофона на 10 м (рис. «Схема измерения уровня шума движущихся автомобилей» ), а затем ускоряется «с полным газом» до линии ВВ (удаленной также на 10 м от створа микро­фона). Скорость движения зависит от выбран­ной для испытаний передачи и номинальной величины оборотов двигателя. Выбор передачи определяется тем фактом, что в пределах ис­пытательного участка должна быть достигнута как минимум номинальная скорость движения, но в то же время автомобиль должен пройти участок, не достигая предельно допустимых оборотов двигателя. Уровень шума определя­ется как максимальное значение из результатов всех измерений.

Шум от неподвижных транспортных средств

 

При контроле уровня шума от неподвижного автомобиля его замеры производят вблизи отверстия выхлопной трубы. При замере ча­стоту вращения коленчатого вала доводят до 3/4 частоты, при которой двигатель достигает номинальной мощности. После установления постоянной частоты вращения педаль газа резко переводится в положение холостого хода. Во время этого процесса замеряется максимальное A-скорректированное значе­ние уровня звукового давления на расстоя­нии 50 см от отверстия выхлопной трубы под углом (45 ±10)° в горизонтальной плоскости к направлению выхода газов. Полученные Данные в дБ(А) заносятся с пометкой «Р» (для отличия отданных, получаемых другими методами измерения) в паспорт автомобиля.

Каких-либо предельных значений для из­мерения уровня шума неподвижных авто­мобилей в сертификате типа испытаний не указано.

Внутренний шум

 

Внутренний шум не нормируется. Уровень внутреннего шума измеряется обычно при Равномерном движении, начиная со скорости 60 км/ч или со скорости, составляющей 40 % от максимальной, как А-скорректированное значение уровня звукового давления, и на­носится на график скорости. Первая зона измерения — место водителя. Другие точки измерения выбираются на уровне уха пасса­жира. В настоящее время указывать уровень внутреннего шума в виде одного значения не планируется.

 

 

Инженерная акустика автомобиля

 

Оборудование для проведения акустических измерений

 

Указанные ниже средства измерений исполь­зуются для измерения и оценки не только уровней внешнего шума, но также и внутрен­него шума, в частности, шума, производимого вибрацией различных компонентов автомо­биля:

  • Конденсаторные микрофоны для изме­рения звукового давления — определяют уровень звука в дБ(А);
  • Контактные ушные микрофоны для точ­ного воспроизведения звука (с головными телефонами);
  • Камеры для акустических измерений — обычно оборудуются стенками с высокой степенью звукопоглощения;
  • Для измерения уровня вибрации и вибра­ционного шума используются датчики (как правило, массой менее 1 г), работающие, например, на пьезоэлектрическом эф­фекте. Лазерные виброметры, работаю­щие на эффекте Допплера, используются для быстрых бесконтактных измерений.

 

Применение расчетных методов в акустике

 

Колебания и вибрации

 

Расчеты собственных частот вибраций вы­полняются с использованием метода конеч­ных элементов (FEM). Коррекция модели с использованием экспериментального модального анализа или моделирования действующих сил позволяет выполнить рас­четы реальных действующих форм вибрации. Таким образом конструкции могут быть опти­мизированы на ранних стадиях разработки в отношении их вибрационных реакций и аку­стического излучения.

Оценка шума, распространяемого в воздуш­ной и жидкой средах

 

Расчеты акустических полей излучения, на­пример, в отсеках или полостях, выполня­ются с использованием метода конечных элементов (FEM) или метода граничных эле­ментов (ВЕМ).

 

 

Акустический контроль качества

 

Такой контроль включает оценку шума и уров­ней помех, а также классификацию неисправ­ностей на основе слышимого звука или струк­турного шума как части производственного процесса. Акустический контроль качества применяется, в частности, при испытаниях электродвигателей вовремя их первоначаль­ной эксплуатации. В некоторых специальных случаях могут использоваться автоматиче­ские испытательные устройства, однако они в настоящее время пока еще не в состоянии достичь человеческих уровней гибкости, из­бирательности и познавательной способно­сти. Преимущества в этом отношении будут отданы интеллектуальным измерительным системам и комбинированным методам оце­нок акустических характеристик.

Акустическое проектирование

 

Акустическое проектирование — это активное и целенаправленное действие, имеющее це­лью получить желаемые акустические харак­теристики изделия Цель заключается в при­дании изделию специфического «звучания», ожидаемого покупателем, соответствующего сущности бренда и вызывающего вполне определенные эмоциональные ассоциации.

С конца 1980-х годов акустическое про­ектирование, специальная область акустики, постепенно стало важным инструментом применения технических разработок в от­ношении акустики и сегодня широко ис­пользуется во многих областях. Наиболее известным является автомобильный сектор, где как покупатели, так и пресса проявляют большой интерес к результатам акустиче­ского проектирования изделий. Активные работы ведутся в этом направлении и в дру­гих областях, например, в области разработки бытовых приборов (например, пылесосов и посудомоечных машин) и даже производства пищевых продуктов (особый хруст карто­фельных чипсов).

Кроме «акустического проектирования» часто встречаются и другие термины. Так по­нятие звукотехники, как правило, относится к конкретной технической реализации изде­лия в отношении его акустических свойств, разработанных на этапе акустического про­ектирования.

Качество звука относится к отдельным компонентам, которые пользователь может активно перемещать или включать и выклю­чать, например, выключателям, рукояткам, сервомоторам, заслонкам и т.д. Здесь звуки, издаваемые этими компонентами, должны подчеркивать качество и надежность изделия.

Звук на автомобиле

 

Процесс реализации звука, вообще говоря, всегда остается одним и тем же. Поясним это на примере автомобильного сектора.

Звук можно рассматривать, как слышимый контур обратной связи в системе «водитель- автомобиль», посредством которого водитель воспринимает реакции автомобиля, например, на нажатие педали акселератора или выбор той или иной передачи. Соответственно, звук определяется рабочим режимом двигателя, т.е. величиной оборотов и нагрузкой и их из­менением во времени, во время ускорения или замедления по сравнению с установившимся состоянием. К этому добавляются звуки, про­изводимые во время пуска двигателя или ра­боты на холостом ходу.

Чтобы водитель мог адекватно различать те или иные режимы, возникающие в про­цессе управления автомобилем, в смысле восприятия, требуется достаточная динамика изменения нагрузки. Она отражает величину выходной мощности двигателя и поэтому должна быть высокой, особенно на спортив­ных автомобилях. Важную роль играет то, каким образом происходит переход от мини­мальной нагрузки к полной. В зависимости от конструкции, реакция автомобиля на нажатие педали акселератора может субъективно вос­приниматься как «спонтанная» или «вялая», независимо от фактического, физически из­меренного ускорения.

Следует различать внешний и внутренний шум. Внешний шум — это шум, распростра­няющийся по воздуху, генерируемый всеми компонентами, в основном двигателем, системой выпуска отработавших газов и системой воздухозабора. На акустические условия в салоне автомобиля также влияют вибрационный шум и пути распространения шума через кузов.

 

 

Концепция акустического проектирования

 

В акустическом проектировании важнейшую роль играют базовые технические требо­вания. В автомобилестроении они вполне определенно отражают концепцию двигателя (бензиновый или дизельный двигатель, элек­трический или гибридный привод), конструкцию двигателя (рядный, оппозитный или двигатель Ванкеля), количество цилиндров и компоновку привода (переднее или заднее расположение двигателя, передний, задний или полный привод). Здесь следует обра­титься к «наследственным факторам» авто­мобиля, поскольку инженер-акустик должен руководствоваться выбранной концепцией.

Учитываются также образ изделия и сег­мент рынка. Инженер-акустик, как правило, основывается на акустических характеристи­ках предыдущей модели с тем, чтобы обе­спечить преемственность, но с новой интер­претацией.

Поскольку звук генерируется многими компонентами, на стадии проектирования необходимо принять много стратегически важных решений в отношении не только дви­гателя, но и всего автомобиля в целом, по­скольку в дальнейшем внесение каких-либо изменений будет невозможно. Сюда отно­сятся прежде всего системы воздухозабора и выпуска отработавших газов, концепции герметизации и демпфирования и типы опор двигателя и шасси. Во всех случаях прихо­дится искать компромисс с другими обла­стями проектирования.

Источники шума в автомобиле

 

На автомобиле имеется большое количество источников шума, которые значительно раз­личаются в отношении характера и уровня шума. Когда речь заходит о типичной аку­стической картине, решающую роль играют различные группы — привод с его механиче­скими шумами, газодинамические процессы сгорания топлива, процессы, происходящие в системах воздухозабора и выпуска отрабо­тавших газов и кузов с его многочисленными компонентами и демпфирующими материа­лами. Также играют свою роль нежелатель­ные шумы, производимые шинами и ветром.

 Пределы и допуски в дВ(А) для внешнего шума автомобилей  Пределы и допуски в дВ(А) для внешнего шума автомобилей

 

В процессе акустического проектирова­ния различают внешний и внутренний шум. Здесь важную роль играют изолирующие и Демпфирующие свойства кузова. В целях повышения уровня комфорта шумы, про­изводимые шинами и ветром, должны быть Сведены к минимуму. Это предполагает на­личие кузова с высокой степенью звукоизо­ляции. С другой стороны, кузов должен быть достаточно «прозрачным», чтобы желаемый звук, производимый двигателем и системой выпуска отработавших газов, мог выходить наружу. Здесь инженеры-акустики, разрабатывая эти компоненты и наделяя их новым звуком, руководствуются международными правилами, определяющими уровни внеш­него шума (см. табл. «Пределы и допуски в дВ(А) для внешнего шума автомобилей» ). Для стран Евросоюза предельное значение в настоящее время со­ставляет 74 дБ (А). В этом отношении эти об­щие нормативные положения не обязательно вступают в конфликт с целями акустиче­ского проектирования, поскольку громкость звука — это только один из аспектов; зна­чительно более важную роль играет общий характер звука. Как было сказано выше, звук должен соответствовать изделию.

 

 

Техническая реализация концепции акустического проектирования

 

Шум двигателя

 

Шум двигателя в основном вызван меха­ническим движением компонентов. Даже процессы сгорания топлива в цилиндрах вызывают вибрации в структуре двигателя. Во всех случаях вибрация, с одной стороны, передается через структурные элементы, а с другой стороны «излучается» в форме воз­душного шума. При этом шумы также могут возникать на определенном расстоянии от источника колебаний. Эти процессы опреде­ляются чувствительностью поверхностей мембран и собственными частотами локаль­ных структур.

Основными источниками шума являются приводы коленчатого и распределительного валов, картер двигателя, масляный поддон, крышка головки блока цилиндров, вспомо­гательные устройства (например, генератор и насос системы охлаждения) и ременные передачи. Все эти компоненты совместно формируют базовую акустическую картину агрегата (двигатель/трансмиссия).

Основная задача инженера-акустика за­ключается в том, чтобы определить отдель­ные многочисленные источники шума, за­писать эти шумы и внести соответствующие технические изменения с целью гармониза­ции вибрационных и акустических характе­ристик автомобиля. Гармонизация акустики двигателя представляет собой очень слож­ный процесс. Инженер-акустик должен иметь в своем распоряжении самые различные дан­ные и средства, включая:

  • Допуски, зазоры и структуры;
  • Тепловое расширение в зазорах;
  • Меры по предотвращению резонанса;
  • Выбор материала;
  • Картины вибрации двигателя/трансмиссии;
  • Конструкцию глушителя.

 

Здесь в большинстве случаев возникает конфликт интересов с другими аспектами разработки конструкции. Так, на четырехци­линдровых двигателях часто доминирующие составляющие второго порядка, восприни­маемые как неприятный гул, могут быть зна­чительно уменьшены при помощи уравнове­шивающих валов и посредством повышения жесткости конструкции. Однако это связано с увеличением веса, усложнением конструкции и заметным ухудшением рабочих характери­стик.

 

 

Шум от опоры двигателя и трансмиссии

 

Расположение и конструкция опор двигателя/ трансмиссии (системы подвески силового агрегата к кузову), которые также являются важными элементами передачи звука, зна­чительно влияют на уровень шума в салоне автомобиля. Жесткие опоры улучшают дина­мику автомобиля, но в то же время передают в салон очень неприятный шум двигателя, а также его вибрацию на кузов. Для прида­ния определенной мягкости и повышения комфорта могут быть использованы изо­лирующие, гидравлически демпфированные элементы.

Шум от системы выпуска отработавших газов и воздухозабора

 

Всасываемый в цилиндры воздух, участвую­щий в процессе сгорания топлива для образо­вания и передачи энергии, затем выводится в окружающую среду через систему выпуска отработавших газов. Конструкция выпускных коллекторов, выхлопных труб и глушителей оказывает огромное влияние на частоты и уровни акустического излучения компонен­тов. Здесь важно учитывать выход звука не только через те или иные отверстия, но также через поверхности всех компонентов. Изменения уровней шума, производимого этими источниками, могут быть очень боль­шими, легко достигая 15 дБ, например, при переходе из режима холостого хода к режиму полной нагрузки двигателя. На основе этой динамики этот источник идеально подходит для целей акустического проектирования.

Шум от кузова

 

Кузов является главной границей раздела между внешним и внутренним шумом. Кон­цептуально его основные функции заключа­ются в обеспечении пространства для раз­мещения пассажиров и багажа, их защите и изоляции от внешних воздействий, таких как шум, производимый шинами и ветром.

В процессе оптимизации акустики кузова важно обеспечить гармоничность элемен­тов конструкции в отношении соединений поверхностей мембран, источников вибра­ционного шума и опор двигателя/транс­миссии. Также акустически настраиваются перепускные каналы, уплотнения и элементы звукоизоляции. Здесь также имеются много­численные конфликты целей, поскольку многие меры по улучшению акустических характеристик сопровождаются увеличением веса автомобиля.

 

 

Методы оценки шума в автомобиле

 

Технология «искусственной головы»

 

Акустическое проектирование автомобиля является сложной задачей, которая может быть выполнена только в процессе сравнения друг с другом различных технических реше­ний. Технология «искусственной головы» или манекена предоставляет возможность до­стоверной регистрации параметров при раз­личных технических решениях с тем, чтобы затем их можно было сравнить. Таким обра­зом можно сравнить друг с другом большое количество вариантов и уменьшить объем дорогостоящих испытаний непосредственно на автомобиле.

Психоакустика

 

Психоакустическая оценкаЗвук невозможно оценить при помощи стан­дартных методов оценки. Когда речь идет о звуке, производимом автомобилем, по большей части используются такие слова как «спортивный», «звучный», «агрессивный» или «впечатляющий». Эти оценки следует перевести на технический язык, чтобы на дальнейших этапах разработчики знали, ка­кие спектры частот, динамика и иные пере­менные определяют эти субъективные впе­чатления. По этой причине эти субъективные факторы все более широко учитываются и структурируются с целью установления кри­териев их оценки. На практике, в процессе психоакустической оценки (рис. «Психоакустическая оценка» ) образцы звука оцениваются в соответствии с парами противоположных понятий.

Виртуальное моделирование акусти­ческого поведения автомобиля

 

Результаты анализа и измерений, проводи­мых на отдельных компонентах, могут быть использованы для прогнозирования акусти­ческого поведения автомобиля в целом. Тре­буемая для этого запись звука производится с использованием технологии «искусственной головы». Вариации могут затем моделиро­ваться в узком диапазоне с использованием современных компьютерных технологий. Желаемые акустические картины могут быть извлечены и сохранены в виртуальных за­писях звука. Эти записи в дальнейшем могут помочь определить желаемый звук.

С этой целью несколько объектов иссле­дования оценивают разработанные звуки в соответствии с ранее установленными кри­териями оценки и присваивают им градации в пределах определенного периода времени. Эти «градации» вводятся при помощи кла­виатуры и немедленно оцениваются компью­терной программой.

Таким образом становится возможно опре­делить предпочтения оценивающего, которые теперь будут технически сохранены и позволят определить, какие элементы являются необ­ходимыми или, наоборот, мешают, и влияние каких компонентов следует рассмотреть. Это дает возможность очень близко подойти к созданию желаемого звука, тем самым, внося вклад в обеспечение идентичности бренда из­делия и его привлекательности.

Однако, что касается этой процедуры, необходимо заранее прояснить, может ли «виртуально созданный звук» быть также технически реализован.

Активный звук

 

Эта технология уже используется в течение определенного времени в производстве ком­пьютерных игр и киноиндустрии. Однако, что касается ее применения в автомобилестроении, здесь необходимо тщательно взвесить все дополнительные затраты, увеличение веса, уменьшение свободного пространства и т.д. В настоящее время применение этой технологии очень ограничено.

В следующей статье я расскажу о пайке деталей автомобиля.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *