Cómo suprimir de manera eficiente los ruidos y vibraciones de los automóviles

Cada uno de nosotros determina la importancia de ciertas propiedades de consumo de un automóvil. Por ejemplo, algunos están más interesados en la amplitud y otros en la maniobrabilidad. Pero el confort acústico es relevante para todos. No es necesario ser un experto para saber si un automóvil hace ruido. Las primeras conclusiones se pueden sacar literalmente al comienzo de su viaje. Al mismo tiempo, la evaluación de la suavidad de funcionamiento o de los frenos lleva tiempo. En la industria, existe un concepto combinado de NVH (ruido, vibración, dureza; por sus siglas en inglés).

Si todo está mal en la esfera NVH, una persona lo siente físicamente: el sistema nervioso y el cerebro están sobrecargados, la concentración se deteriora, el tono y la reacción disminuyen. Por lo tanto, es más fácil conducir largas distancias en automóviles modernos más silenciosos. ¡No crea que “el aislamiento acústico ha mejorado con el tiempo”! En teoría, el aislamiento acústico es la última y no necesariamente la forma más eficaz de proporcionar confort acústico. Ahora entendamos por qué.

Es difícil hablar de NVH sin una inmersión profunda en física y matemáticas. Para no quedarnos estancados en asuntos elevados, simplificaremos algunas cosas. Pero no está mal decir que el ruido lo generan las vibraciones. Estos últimos también son perjudiciales, especialmente para los equipos técnicos.

Entonces, cualquier vibración tiene una fuente. Los ruidos y vibraciones de los automóviles son generados principalmente por el motor y el sistema de escape, las ruedas giratorias y el aire que fluye alrededor de la carrocería. Hay otras pocas docenas de fuentes, pero son las enumeradas anteriormente las que dominan. Habitualmente, a velocidades urbanas, el principal “aporte” lo hace la unidad de potencia, todo “canta” casi por igual en los 90-100 km/h de la carretera, y después de 120-130 km/h, la primera preocupación son las perturbaciones de origen aerodinámico y de carretera. Esto es en teoría.

Cualquier ruido, como el de un motor, se propaga de dos formas. Mecánicamente – a través de las vibraciones de los paneles de la carrocería y elementos estructurales que tienen una conexión física con la fuente, y directamente a través del aire, incluso “penetrando” a través de los mismos paneles. Por lo tanto, hay tres formas principales de lidiar con el ruido. En orden de prioridad, se trata de una reducción en la intensidad de su origen, la atenuación de la radiación secundaria por elementos estructurales, y solo en tercer lugar, el aislamiento acústico, es decir, “captar” el componente que se transmite por el aire.

Por ejemplo, la atenuación del ruido del motor comienza con la organización del proceso de combustión, que debe suavizarse si es posible. Los grandes emisores de sonido (el bloque de cilindros, la tapa del cabezal, el cárter) están diseñados para no resonar en el tiempo con el proceso de trabajo en los cilindros. Cada vez más, estos elementos están hechos de plástico, se les aplican directamente materiales que absorben el ruido y, si es posible, todo el motor está “encapsulado”. Los sistemas de escape solían hacer mucho ruido, pero los catalizadores y los filtros de partículas, que suavizan las pulsaciones de los gases de escape para soportar los silenciadores de escape, ayudaron sin saberlo.

La transmisión de vibraciones debe evitarse mediante los soportes de la unidad de potencia. Los puntos de su unión se eligen para no provocar vibraciones corporales. La historia de la primera serie VAZ-2108 es memorable, en la que las vibraciones y el ruido en reposo alcanzaron un nivel incómodo debido a un soporte frontal ubicado incorrectamente. Era demasiado tarde para mover el soporte, se suavizó, lo que trajo una serie de problemas distintos…

Hoy, los soportes hidráulicos de la unidad de potencia, que combinan una función elástica y de supresión (como un dúo de un resorte y un amortiguador en la suspensión), ya no son exóticos. Los soportes activos que crean movimiento en la fase opuesta a la vibración o cambian su rigidez según las condiciones son los más efectivos.

Deben minimizarse las vibraciones que aún llegan al cuerpo. Es muy importante evitar resonancias. El cuerpo de máxima rigidez no resulta necesariamente silencioso. La construcción monolítica puede reducir las resonancias, pero aumentar la transmisión de ruido estructural.

A diferencia de los periodistas, los ingenieros automotrices a menudo usan el concepto de frecuencias de resonancia del cuerpo, en lugar de su rigidez torsional. Además, la frecuencia óptima no debe ser tan alta o baja como sea posible, debe ser exactamente tal que evite resonancias. Porque la carrocería es solo uno de los miembros del sistema de vibración más complejo, que incluye elementos de suspensión elásticos, neumáticos, asientos y todas las fuentes de vibración.

La disposición de carga del cuerpo se desarrolla teniendo en cuenta todo lo anterior. Incluso aquellas partes que no soportan una carga importante, tienen barras de refuerzo y placas de refuerzo estampadas para contrarrestar las vibraciones tanto como sea posible. Los aceros de alta resistencia y tratados térmicamente, la laminación de espesores variables, las tecnologías para pegar partes de la carrocería y otros trucos se utilizan incluso en la industria automotriz masiva. Al mismo tiempo, la simulación por computadora seguirá detectando vibraciones residuales. ¿Qué debes hacer con ellos?

En pocas palabras, debe cambiar las frecuencias de las vibraciones naturales en esos puntos para evitar la resonancia. Por ejemplo, mediante el uso de amortiguadores de vibraciones: masas fijadas de forma rígida o suave. No se sorprenda al encontrar una barra de hierro fundido de tres kilogramos en algún lugar de las entrañas del parachoques delantero durante la reparación: no se olvidó aquí en la fábrica, sino que se atornilló estrictamente de acuerdo con el cálculo del diseño para nivelar las fluctuaciones de ciertas frecuencias. A menudo se colocan cargas más pequeñas en partes de la suspensión o del sistema de escape.

La espuma, que se asemeja a la construcción en sus características, se vierte en la cavidad del cuerpo en ciertos lugares, y las esteras de betún, por ejemplo, se pegan a los paneles planos. Pero no todo, como en el tuning de garaje, sino de forma selectiva, con una elección de lugares basada en el modelado por computadora. El ruido utiliza las lagunas, por lo que se minimiza el número de ellas en la carrocería, y especialmente en el escudo del motor. Cualquiera de ellos está cuidadosamente aislado. Es bueno que los accionamientos mecánicos del acelerador y las transmisiones automáticas, que servían como un poderoso canal para transmitir vibraciones, sean cosa del pasado. Y solo después de seleccionar todas las reservas de diseño, es el momento del aislamiento acústico.

Si todo se hace correctamente en las etapas anteriores, no necesitará mucho. Por ejemplo, se utilizaron cuatro kilogramos menos de materiales de aislamiento acústico para el Golf de séptima generación que para su predecesor. Los tapetes y alfombras suaves y modernas son obras maestras tecnológicas, moldeadas con precisión a los contornos y relieve del escudo del motor o del piso. En el interior del automóvil, no puede prescindir de una cubierta, porque también realiza una función de aislamiento térmico. Pero no se sorprenda, por ejemplo, por el metal desnudo alrededor de la rueda de repuesto en el maletero; esto significa que, según el fabricante, el ruido se ha suprimido con éxito mediante medidas primarias.

Estos “protocolos” se aplican no solo al ruido del motor, sino también a cada fuente. Créanos, podemos escribir sobre la lucha contra el estruendo de los neumáticos en movimiento, las perturbaciones aerodinámicas o los sonidos externos en artículos separados. Hay muchos matices, sutilezas y trucos. El pegado casero con tapetes adicionales ciertamente tiene un efecto, pero este enfoque no puede llamarse racional. No solo tendrá que gastar mucho dinero en materiales y trabajar para obtener un par de decibelios de ventaja, sino que también tendrá que llevar consigo decenas de kilogramos adicionales, pagándolos con un mayor consumo de combustible.

La última tendencia son los sistemas activos de reducción de ruido que utilizan altavoces del sistema de audio para crear un sonido útil en la fase opuesta a la dañina. Uno con otro debe dar silencio. Por desgracia, estos sistemas no funcionan con precisión, están limitados en el rango de potencia y frecuencia: es física. El ruido del motor y de la carretera llega a los oídos del conductor y los pasajeros en solo 0,009 segundos, y los mejores anti-sistemas reaccionan en 0,002 segundos. Está claro que mejorarán, pero lo principal es no llegar a la misma situación que con ESP, cuando el desarrollo de la electrónica de seguridad se convirtió en un debilitamiento de los principios básicos de diseño …

Cuanto mayor es la frecuencia del sonido, más perturbador es. Por ejemplo, el efecto de fatiga comienza a un volumen de 80 decibeles (dB) en el rango de frecuencia de 2000-4000 Hz, y ya con 60 dB a 5000-6000 Hz. Los ruidos estructurales, que son propagados por el cuerpo, tienen principalmente una frecuencia por debajo de 500 Hz y son percibidos por el oído como más graves, zumbidos y de baja frecuencia. En un automóvil, en su mayoría provienen de la carretera, pero también hay una contribución del sistema de escape.

Y las perturbaciones que se transmiten acústicamente dominan a frecuencias superiores a 1000 Hz (se consideran de alta frecuencia después de 800 Hz). Aquí, la unidad de potencia y la aerodinámica producen principalmente ruidos. Una persona percibe el sonido en el rango de 20 Hz a 20,000 Hz, pero generalmente tenemos que lidiar con 30-8500 Hz en un automóvil.

Además de la composición espectral (frecuencia de ruido), la naturaleza del espectro también es importante. Hay ruidos de banda ancha, es decir, una mezcla de sonidos y ruidos tonales. Por ejemplo, el aullido del motor eléctrico de la dirección asistida o el silbido del refrigerante en las entrañas del aire acondicionado. Un automóvil puede producir cientos de tales “notas” específicas, y los buenos fabricantes las “destruyen” por completo en la etapa de pruebas en carretera.

Por cierto, el valor del volumen de ruido en decibelios no se corresponde necesariamente con los sentimientos subjetivos de una persona. Al menos porque nuestro órgano auditivo percibe los sonidos de diferentes frecuencias de manera diferente. Sí, los medidores de ruido también procesan las señales del micrófono en un programa complejo, tratando de copiar la sensibilidad del oído. Pero no siempre funciona. En la práctica, los fabricantes de automóviles se centran necesariamente no solo en las mediciones, sino también en la opinión de los expertos. A veces es más fácil transferir el sonido a una frecuencia más agradable que suprimirlo. Todo esto se resuelve durante las pruebas en carretera.

No hay restricciones sobre el ruido interno de los turismos ni en la UE ni en los EE. UU., Solo en el exterior. Está claro que los fabricantes están muy interesados ​​en hacer que el cliente se sienta cómodo en el interior. Pero, por ejemplo, Rusia se sale con la suya. Durante la certificación, se comprueba que todos los coches nuevos, incluidos Rolls-Royce o Mercedes-Maybach S-class, cumplan con el anexo nº 3 del reglamento técnico “Sobre la seguridad de los vehículos con ruedas”. Es decir, en realidad cuelgan micrófonos en la cabina y miden el ruido utilizando varios métodos, incluso al conducir a una velocidad constante y durante la aceleración.

En general, el ruido no debería superar los 77 dB, pero hay muchas excepciones. Ya se permiten 79 dB para los coches de diseño tipo wagon y semi-cabina, como minivans. Si el coche está certificado como SUV (esto se hace incluso con algunos crossovers), estos valores pueden superarse en dos decibelios. En un momento, el Porsche 911 R coupé coleccionable no llegó a Rusia precisamente por no cumplir con los requisitos específicos para el nivel de ruido interno.

Aunque se proporciona una nota a pie de página separada para los autos deportivos. Si el peso en vacío es inferior a dos toneladas y la relación potencia/peso es superior a 75 kW/t (102 hp por tonelada), se permite un exceso de cuatro decibeles. Si hay más de 110 kW (casi 150 CV) por tonelada, las pruebas se llevan a cabo de manera suave, solo a una velocidad constante. Muchos coches civiles encajan en este marco. Incluso el no tan poderoso Lada Vesta Sport de 145 caballos de fuerza tiene 109 hp por tonelada. ¿Por qué, entonces, se hace tanto escándalo por la certificación de ruido interno, lo que obliga a los fabricantes a incurrir en costos innecesarios que eventualmente se incluirán en el precio del automóvil?

Es curioso que no se diga ni una palabra sobre ruido y vibración en los libros de texto sobre teoría de los coches de la época soviética. La lucha contra ellos a menudo se llevó a cabo sobre la base del principio residual: cuando tanto la carrocería como el motor estaban listos, los diseñadores comenzaron a mirar: ¿cómo hacer que el interior sea más silencioso? Por ejemplo, agregaron el mismo aislamiento saltándose los dos primeros pasos: la lucha contra la fuente de perturbaciones y su propagación. Hoy en día, un automóvil competitivo se puede construir solo si el fabricante piensa en NVH en la etapa de diseño, sin mencionar el diseño.

Las tecnologías modernas plantean nuevos desafíos a los ingenieros acústicos. El aligeramiento activo de las carrocerías, el uso de materiales ligeros como las aleaciones de aluminio o los composites contribuyen a un aumento del ruido estructural. Los neumáticos son cada vez más anchos y, por lo tanto, más ruidosos. En la búsqueda del respeto al medio ambiente, el proceso de combustión del combustible en el cilindro a menudo se vuelve menos suave, es decir, genera más vibraciones.

El abandono del motor de combustión interna en favor del motor eléctrico no facilita la tarea. En lugar de los habituales 2500-3000 Hz, el espectro de frecuencia emitido por el motor se encuentra en el incómodo rango de aproximadamente 5000 Hz, donde se mezcla un nuevo tipo de ruido: el electromagnético. Hay nuevos sonidos que antes se ignoraban, porque fueron ahogados por el motor de combustión interna. Por ejemplo, los creados por los amortiguadores de climatización. Si miramos aún más hacia el futuro sin conductor que se nos impone, el papel de NVH solo crecerá, porque no habrá casi nada que discutir además del confort acústico en el automóvil. Y el ruido es un elemento que parece ser comprensible para cada uno de nosotros…

Esta es una traducción. Puede leer el original aquí: https://www.drive.ru/technic/5ebe5f04ec05c49c7e0000eb.html