Ognuno di noi determina l’importanza di alcune proprietà di consumo di un’auto. Ad esempio, qualcuno è più interessato alla spaziosità e qualcun altro alla sterzabilità. Ma il comfort acustico è importante per tutti. Non è necessario essere un esperto per sapere se un’auto è rumorosa. Le prime conclusioni possono essere tratte letteralmente all’inizio del viaggio. Allo stesso tempo, la valutazione della scorrevolezza o dei freni richiede tempo. Nel settore esiste un concetto combinato di NVH (Noise, Vibration, Harshness).
Se tutto è negativo nella sfera NVH, una persona lo sente fisicamente: il sistema nervoso e il cervello sono sovraccaricati, la concentrazione è compromessa, il tono e la reazione diminuiscono. Pertanto, è più facile guidare per lunghe distanze con le moderne auto più silenziose. Non pensate che “l’isolamento acustico sia migliorato nel tempo”! In teoria, l’isolamento acustico è l’ultimo e non necessariamente il più efficace modo per garantire il comfort acustico. Ora cerchiamo di capire perché.
È difficile parlare di NVH senza una profonda immersione nella fisica e nella matematica. Per non rimanere bloccati in questioni elevate, semplificheremo alcune cose. Ma non è sbagliato dire che il rumore è generato dalle vibrazioni. Anche queste ultime sono dannose, soprattutto per le apparecchiature tecniche.
Quindi, ogni vibrazione ha una fonte. I rumori e le vibrazioni delle auto sono generati principalmente dal motore e dall’impianto di scarico, dal rotolamento delle ruote e dall’aria che scorre intorno alla carrozzeria. Esistono altre decine di fonti, ma sono quelle sopra elencate a dominare. Di solito, alle velocità urbane, il “contributo” principale è dato dal propulsore, tutto “canta” quasi allo stesso modo sui 90-100 km/h dell’autostrada, e dopo i 120-130 km/h, la prima preoccupazione sono i disturbi di origine aerodinamica e stradale. Questo in teoria.
Qualsiasi rumore, come quello di un motore, si propaga in due modi. Meccanicamente – attraverso le vibrazioni dei pannelli della carrozzeria e degli elementi strutturali che hanno un collegamento fisico con la sorgente, e direttamente attraverso l’aria, anche “penetrando” attraverso gli stessi pannelli. Esistono quindi tre modi principali per affrontare il rumore. In ordine prioritario, si tratta di una riduzione dell’intensità della sua origine, dell’attenuazione delle radiazioni secondarie da parte degli elementi strutturali e, solo al terzo posto, dell’isolamento acustico, cioè della “cattura” della componente trasmessa dall’aria.
Ad esempio, l’abbattimento del rumore del motore inizia con l’organizzazione del processo di combustione, che deve essere possibilmente attenuato. I grandi emettitori di suono – il blocco cilindri, il coperchio della testata, la coppa – sono progettati in modo da non risuonare nel tempo con il processo di lavoro nei cilindri. Sempre più spesso questi elementi sono realizzati in plastica, vengono applicati direttamente su di essi materiali fonoassorbenti e, se possibile, l’intero motore viene “incapsulato”. Un tempo i sistemi di scarico facevano molto rumore, ma i catalizzatori e i filtri antiparticolato, che attenuano le pulsazioni dei gas di scarico per supportare i silenziatori, hanno involontariamente contribuito.
Un’ulteriore trasmissione di vibrazioni dovrebbe essere impedita dai supporti dell’unità di potenza. I punti di fissaggio sono scelti in modo da non provocare vibrazioni del corpo. È memorabile la storia della prima VAZ-2108 di serie, in cui le vibrazioni e il rumore al minimo raggiunsero un livello fastidioso a causa di un supporto anteriore posizionato in modo errato. Era troppo tardi per spostare il supporto, che fu reso più morbido, il che comportò una serie di altri problemi…
Oggi i supporti idraulici della centralina, che combinano una funzione elastica e soppressiva (come un duetto di molla e ammortizzatore nelle sospensioni), non sono più esotici. I supporti attivi che creano un movimento in fase opposta alle vibrazioni o che cambiano la loro rigidità a seconda delle condizioni sono i più efficaci.
Le vibrazioni che raggiungono comunque il corpo devono essere ridotte al minimo. È molto importante evitare le risonanze. Un corpo massimamente rigido non è necessariamente silenzioso. La costruzione monolitica può ridurre le risonanze, ma aumenta la trasmissione del rumore strutturale.
A differenza dei giornalisti, gli ingegneri automobilistici utilizzano spesso il concetto di frequenze di risonanza della scocca, piuttosto che la sua rigidità torsionale. Inoltre, la frequenza ottimale non dovrebbe essere la più alta o la più bassa possibile, ma esattamente tale da evitare le risonanze. Perché la scocca è solo uno dei componenti del più complesso sistema di vibrazioni, che comprende elementi elastici di sospensione, pneumatici, sedili e tutte le fonti di vibrazione.
La disposizione dei carichi della carrozzeria viene sviluppata tenendo conto di tutti questi elementi. Anche le parti che non sopportano un carico elevato sono dotate di barre di irrigidimento e piastre di rinforzo stampate per contrastare il più possibile le vibrazioni. Acciai ad alta resistenza e trattati termicamente, laminazione a spessore variabile, tecnologie di incollaggio delle parti della carrozzeria e altri accorgimenti sono utilizzati anche nell’industria automobilistica di massa. Allo stesso tempo, la simulazione al computer rileverà comunque le vibrazioni residue. Come comportarsi?
In poche parole, è necessario modificare le frequenze delle vibrazioni naturali in questi punti per evitare la risonanza. Ad esempio, utilizzando smorzatori di vibrazioni – masse rigide o morbide. Non stupitevi di trovare una barra di ghisa di tre chilogrammi da qualche parte nelle viscere del paraurti anteriore al momento della riparazione: non è stata dimenticata in fabbrica, ma è stata avvitata rigorosamente secondo i calcoli di progetto per livellare le fluttuazioni di certe frequenze. I carichi più piccoli sono spesso collocati su parti delle sospensioni o del sistema di scarico.
La schiuma, che con le sue caratteristiche assomiglia a quella da costruzione, viene versata nella cavità della carrozzeria in alcuni punti e i tappetini di bitume, ad esempio, vengono incollati sui pannelli piatti. Ma non dappertutto, come nel tuning in officina, bensì in modo selettivo, con una scelta dei punti basata sulla modellazione al computer. Il rumore sfrutta tutte le feritoie, per cui il numero di esse nella carrozzeria, e soprattutto nello scudo motore, è ridotto al minimo. Ogni punto viene accuratamente isolato. È bene che gli azionamenti meccanici dell’acceleratore e le trasmissioni automatiche, che fungevano da potente canale di trasmissione delle vibrazioni, appartengano al passato. Solo dopo aver selezionato tutte le riserve di progettazione, è il momento dell’isolamento acustico.
Se tutto è stato fatto correttamente nelle fasi precedenti, non ne servirà molto. Ad esempio, per la Golf di settima generazione sono stati utilizzati quattro chilogrammi in meno di materiali per l’isolamento acustico rispetto al modello precedente. I moderni tappetini e tappeti morbidi sono capolavori tecnologici, modellati con precisione sui contorni e sui rilievi dello scudo motore o del pavimento. Nell’abitacolo dell’auto non si può assolutamente fare a meno di un rivestimento, perché svolge anche una funzione di isolamento termico. Ma non stupitevi, per esempio, del metallo nudo intorno alla ruota di scorta nel bagagliaio: significa che, secondo il produttore, il rumore è stato soppresso con successo da misure primarie.
Tali “protocolli” vengono applicati non solo al rumore del motore, ma anche a ogni fonte. Credeteci, possiamo scrivere della lotta contro il rombo dei pneumatici che rotolano, i disturbi aerodinamici o i suoni esterni in articoli separati. Ci sono molte sfumature, sottigliezze e trucchi. L’incollaggio casalingo con tappetini aggiuntivi ha certamente un effetto, ma questo approccio non può essere definito razionale. Non solo dovrete spendere molti soldi in materiali e lavoro per un paio di decibel di vantaggio, ma dovrete anche portarvi dietro decine di chilogrammi in più, pagandoli con un maggiore consumo di carburante.
L’ultima tendenza è rappresentata dai sistemi di riduzione attiva del rumore che utilizzano gli altoparlanti dell’impianto audio per creare un suono utile nella fase opposta a quello nocivo. L’uno e l’altro dovrebbero dare silenzio. Purtroppo, questi sistemi non funzionano con precisione, sono limitati nella potenza e nella gamma di frequenze: è la fisica. Il rumore del motore e della strada raggiunge le orecchie del guidatore e dei passeggeri in soli 0,009 secondi, e i migliori sistemi antirumore reagiscono in 0,002 secondi. È chiaro che miglioreranno, ma l’importante è che non si verifichi la stessa situazione dell’ESP, quando lo sviluppo dell’elettronica di sicurezza si è trasformato in un indebolimento dei principi di base della progettazione…
Più alta è la frequenza del suono, più è fastidioso. Ad esempio, l’effetto fatica inizia a un volume di 80 decibel (dB) nella gamma di frequenze di 2000-4000 Hz, e già con 60 dB a 5000-6000 Hz. I rumori strutturali, che vengono propagati dal corpo, hanno principalmente una frequenza inferiore a 500 Hz e sono percepiti dall’orecchio come bassi a bassa frequenza, ronzii, bassi. In un’auto, provengono principalmente dalla strada, ma c’è anche un contributo dal sistema di scarico.
I disturbi trasmessi acusticamente dominano a frequenze superiori a 1000 Hz (sono considerati ad alta frequenza dopo 800 Hz). Qui sono soprattutto il propulsore e l’aerodinamica a produrre rumori. Una persona percepisce il suono nell’intervallo tra 20 Hz e 20.000 Hz, ma di solito in un’auto abbiamo a che fare con 30-8500 Hz.
Oltre alla composizione spettrale (frequenza del rumore), è importante anche la natura dello spettro. Esistono rumori a banda larga, cioè una miscela di suoni, e rumori tonali. Ad esempio, l’ululato del motore elettrico del servosterzo o il rantolo del refrigerante nelle viscere del condizionatore d’aria. Un’auto può produrre centinaia di queste “note” specifiche, che i bravi costruttori “distruggono” completamente nella fase di collaudo su strada.
Tra l’altro, il valore del volume del rumore in decibel non corrisponde necessariamente alle sensazioni soggettive di una persona. Se non altro perché il nostro organo uditivo percepisce in modo diverso i suoni di diversa frequenza. Certo, i misuratori di rumore elaborano anche i segnali provenienti dal microfono in un programma complesso, cercando di copiare la sensibilità dell’orecchio. Ma non sempre funziona. In pratica, le case automobilistiche si concentrano necessariamente non solo sulle misurazioni, ma anche sul parere degli esperti. A volte è più facile trasferire il suono a una frequenza più gradevole che sopprimerlo. Tutto questo viene risolto durante le prove su strada.
Nell’Unione Europea e negli Stati Uniti non esistono restrizioni sul rumore interno delle autovetture, ma solo su quello esterno. È chiaro che i produttori sono fortemente interessati a far sì che il cliente si senta a proprio agio all’interno dell’abitacolo. Ma, ad esempio, la Russia ha il suo metodo. Durante la certificazione, tutte le nuove auto, comprese le Rolls-Royce o le Mercedes-Maybach classe S, vengono controllate per verificare la conformità con l’allegato n. 3 del regolamento tecnico “Sulla sicurezza dei veicoli su ruote”. In pratica, vengono appesi dei microfoni nell’abitacolo e viene misurato il rumore con diversi metodi, tra cui la guida a velocità costante e l’accelerazione.
In generale, il rumore non dovrebbe superare i 77 dB, ma ci sono molte eccezioni. 79 dB sono già consentiti per le auto con configurazione wagon e semicabina, come i minivan. Se l’auto è certificata come SUV (questo avviene anche con alcuni crossover), questi valori possono essere superati di due decibel. Un tempo, la Porsche 911 R coupé da collezione non arrivava in Russia proprio a causa della mancata conformità ai requisiti specifici per il livello di rumorosità interna.
Anche se per le auto sportive è prevista una nota a parte. Se il peso a vuoto è inferiore a due tonnellate e il rapporto potenza/peso è superiore a 75 kW/t (102 CV per tonnellata), è consentito un eccesso di quattro decibel. Se il rapporto potenza/peso è superiore a 110 kW (quasi 150 CV) per tonnellata, i test vengono eseguiti in modo delicato, solo a velocità costante. Molte auto civili rientrano in questo quadro. Persino la non potente Lada Vesta Sport da 145 cavalli ha 109 CV per tonnellata. Perché, allora, si fa un gran parlare di certificazione del rumore interno, costringendo i produttori a sostenere costi inutili che alla fine saranno inclusi nel prezzo dell’auto?
È curioso che nei libri di testo sulla teoria delle automobili dell’epoca sovietica non si parli di rumore e vibrazioni. La lotta contro di essi era spesso condotta secondo il principio del residuo: quando la carrozzeria e il motore erano pronti, i progettisti iniziavano a cercare: come rendere gli interni più silenziosi? Ad esempio, aggiungevano lo stesso isolamento saltando le prime due fasi: la lotta contro la fonte dei disturbi e la loro propagazione. Oggi è possibile costruire un’auto competitiva solo se il costruttore pensa all’NVH già in fase di progettazione, per non parlare del design.
Le moderne tecnologie pongono nuove sfide agli ingegneri acustici. L’alleggerimento attivo delle carrozzerie, l’uso di materiali leggeri come le leghe di alluminio o i materiali compositi contribuiscono ad aumentare il rumore strutturale. I pneumatici diventano sempre più larghi e quindi più rumorosi. Nella ricerca del rispetto dell’ambiente, il processo di combustione del carburante nel cilindro diventa spesso meno fluido, ovvero genera più vibrazioni.
L’abbandono del motore a combustione interna a favore del motore elettrico non facilita il compito. Invece dei soliti 2500-3000 Hz, lo spettro di frequenza emesso dal motore si trova nella scomoda gamma di circa 5000 Hz, dove si mescola un nuovo tipo di rumore, quello elettromagnetico. Ci sono nuovi suoni che prima erano ignorati, perché annegati dal motore a combustione interna. Ad esempio, quelli creati dagli ammortizzatori del climatizzatore. Se guardiamo ancora più in là nel futuro senza conducente che ci è stato imposto, il ruolo dell’NVH non potrà che crescere, perché non ci sarà quasi più nulla da discutere oltre al comfort acustico dell’auto. E il rumore è una sostanza che sembra essere comprensibile per ognuno di noi…
Potete leggere l’originale qui: https://www.drive.ru/technic/5ebe5f04ec05c49c7e0000eb.html
Pubblicata August 19, 2021 • 12m to read
