Рационально гасим автомобильные шумы и вибрации

Каждый из нас определяет важность тех или иных потребительских свойств автомобиля. Например, для одних в приоритете простор, а для других — управляемость. Но одинаково для всех важна звукоизоляция. Не нужно быть экспертом, чтобы понять, шумно в автомобиле или нет. Первые выводы можно сделать уже в начале поездки, в то время как для оценки плавности хода или тормозов требуется времени. В промышленности существует так называемая “объединенная концепция NVH” (шум, вибрация и жесткость).

Если компоненты NVH работают плохо, это чувствуется: нервная система и мозг перегружены, нарушена концентрация внимания, снижается тонус и реакция. Поэтому на дальние расстояния комфортнее всего ездить на современных автомобилях с более качественным шумоподавлением. Только не думайте, что “звукоизоляция со временем стала лучше!” Теоретически звукоизоляция — это последний и далеко не самый эффективный способ обеспечения акустического комфорта. Теперь давайте разберемся, почему.

Трудно говорить о NVH без глубокого погружения в физику и математику. Дабы не зацикливаться на высоких материях, некоторые понятия мы упростим. Но вы не ошибетесь, если скажете, что шум порождают вибрации. Последние сами по себе также вредны, в особенности для техники.

Начнем с того, что у любой вибрации есть источник. Чаще всего это двигатель и выхлопная система, колеса и воздух, обтекающий кузов. Есть еще несколько десятков источников, но преобладают те, что перечислены выше. Обычно при движении в условиях города основную роль играет силовой агрегат, при движении по шоссе на скорости 90-100 км/ч практически все детали машины в равной степени влияют на шумообразование, а вот на скорости 120-130 км/ч первое беспокойство вызывают возмущения аэродинамического и дорожного плана. Но это в теории.

Любой шум, например от двигателя, распространяется двумя путями: механически — посредством колебаний панелей корпуса и структурных элементов, имеющих физическую связь с источником, и непосредственно через воздух, в том числе “проникающий” через те же панели. Поэтому есть три основных способа подавления шума. В первую очередь, это снижение интенсивности его источника. Во-вторых, ослабление вторичного излучения элементами конструкции. В-третьих, звукоизоляция, то есть “улавливание” той составляющей, которая передается по воздуху.

К примеру, чтобы снизить шум от двигателя, необходимо при возможности организовать слаженный процесс сгорания, который по возможности должен быть сглажен. Большие звуковые излучатели — блок цилиндров, крышка головки, поддон картера — созданы таким образом, чтобы не вступать в резонанс с тактом рабочего процесса в цилиндрах. Все чаще для производства таких элементов используют пластмассу, непосредственно на них наносят шумопоглощающие материалы, а весь двигатель по возможности “инкапсулируют”. В прошлом выхлопные системы производили много шума, но благодаря катализаторам и сажевым фильтрам, удалось сгладить пульсации выхлопных газов для поддержки глушителей выхлопа.

Следует избегать последующей передачи вибраций опорами силового агрегата. Точки их крепления необходимо выбирать таким образом, чтобы не провоцировать вибрации тела. Памятна история первого серийного ВАЗ-2108, в котором вибрации и шум на холостом ходу достигали некомфортного уровня из-за неправильно расположенной передней опоры. Двигать опору было уже поздно, ее сделали мягче, что повлекло за собой много других проблем…

Сегодня гидравлические опоры силового агрегата, сочетающие в себе упругую и подавляющую функции (как сочетание пружины и амортизатора в подвеске), уже не являются экзотикой. Наиболее эффективны активные опоры, создающие движение в противоположной фазе вибрации или меняющие жесткость в зависимости от условий.

Вибрации, которые все еще касаются кузова, необходимо свести к минимуму. Очень важно избегать резонансов. Максимально жесткий корпус вовсе не обязательно означает отсутствие шума. Монолитная конструкция может способствовать уменьшению резонанса, но при этом и увеличить передачу структурных шумов.

В отличие от журналистов, инженеры-конструкторы часто используют понятие резонансных частот кузова, а не жесткость на кручение. Более того, оптимальная частота не должна быть как можно выше или ниже ― она должна быть именно такой, чтобы избежать резонансов. Ведь кузов является лишь одним из нескольких элементов сложнейшей вибрационной системы, включающей в себя упругие элементы подвески, шины, автокресла и все источники вибрации.

Несущая конструкция кузова разработана с учетом всего вышеизложенного. Даже те детали, которые не несут серьезной нагрузки, имеют стержни жесткости и штампованные армирующие пластины, чтобы максимально противодействовать вибрациям. Высокопрочные и термообработанные стали, прокатка переменной толщины, технологии склеивания кузовных деталей и другие ухищрения — все это используют даже в массовом автомобилестроении. В то же время с помощью компьютерного моделирования все равно можно обнаружить остаточные вибрации. Что же с ними делать?

Проще говоря, во избежание резонанса вам нужно изменить частоты собственных колебаний в таких точках. Например, при помощи гасителей колебаний — жестко или мягко закрепленных масс. Не удивляйтесь, если во время ремонта где-то в недрах переднего бампера найдете трехкилограммовую балку из чугуна: ее не забыли на заводе при сборке, а привинтили строго в соответствии с конструкторскими расчетами, чтобы сгладить колебания определенных частот. Меньшие грузы зачастую ставят на детали подвески или выхлопной системы.

Пену, которую по своим характеристикам напоминает строительную, заливают в полость кузова в определенных местах, а битумные маты, например, клеят к плоским панелям. Но при этом не по всей поверхности, как это принято в гаражном тюнинге, а выборочно на основании результатов компьютерного моделирования. Шум проникает через любые бреши, поэтому их количество в корпусе, и особенно в щите двигателя, сведено к минимуму. Любое отверстие тщательно изолируют. Хорошо, что механические приводы акселератора и автоматических коробок передач канули в Лету. Именно они были мощным каналом передачи вибраций. После того, как вы выбрали проектные резервы, пора приступить к шумоизоляции.

Если на предыдущих этапах не допущено ошибок, не потребуется много материала. Например, для Гольфа седьмого поколения мы использовали на четыре килограмма меньше шумоизоляционных материалов, чем для модели более старого поколения. Современные мягкие маты и ковры представляют собой настоящие шедевры техники, точно отлитые под контуры и рельефы моторного щита или пола. В салоне автомобиля вообще нельзя обойтись без покрытия, поскольку оно выполняет еще и теплоизоляционную функцию. Но не удивляйтесь, например, оголенному металлу вокруг запасного колеса в багажнике — это означает, что производитель позаботился о подавлении шума первичными мерами.

Такие “протоколы” применяют не только к шуму от двигателя, но и к каждому источнику. Поверьте, о борьбе с гулом от вращающихся колес, аэродинамическими возмущениями или внешними звуками мы можем рассказать в отдельных статьях. Здесь очень много нюансов, тонкостей и хитростей. Домашняя оклейка дополнительными ковриками, конечно, дает эффект, но рациональным такой подход назвать сложно. Ради пары децибел преимущества вам придется не только раскошелиться на материалы и работу, но и носить с собой десятки лишних килограммов, что в дальнейшем выльется в больший расход топлива. 

Последняя тенденция — это активные системы шумоподавления, которые используют динамики аудиосистемы для создания полезного звука в фазе, противоположной вредному. Одно, помноженное на другое, должно давать тишину. К сожалению, такие системы, работают неточно, они ограничены по мощности и частотному диапазону. Ничего не поделаешь — физика. Шум от двигателя и дороги доходит до ушей водителя и пассажиров всего за 0,009 секунды, а лучшие противосистемы реагируют за 0,002 секунды. Очевидно, что они будут улучшаться ― но главное, чтобы не вышло как когда-то с ESP, когда развитие электроники безопасности обернулось ослаблением основных принципов проектирования…

Чем выше частота звука, тем сильнее он раздражает. Например, эффект усталости наступает с громкости 80 децибел (дБ) в диапазоне частот 2000-4000 Гц, а при 5000-6000 Гц — уже с 60 дБ. Структурные шумы, распространяемые кузовом, чаще всего имеют частоту ниже 500 Гц и воспринимаются на слух как более низкочастотные, гудящие, басовые. В автомобиле они в основном поступают с дороги, но выхлопная система также вносит свою лепту.

А помехи, которые передаются акустически, доминируют на частотах свыше 1000 Гц (после 800 Гц считаются высокочастотными). Здесь превалируют силовой агрегат и аэродинамика. Человеческое ухо воспринимает звук в диапазоне от 20 Гц до 20 000 Гц, но в автомобиле обычно приходится иметь дело с частотой 30-8500 Гц.

Помимо спектрального состава (частоты шума), важна и природа спектра. Существуют широкополосные шумы, то есть смесь звуков и тональных шумов. Например, завывание электромотора гидроусилителя руля или хрипение хладагента в недрах кондиционера. Автомобиль способен производить сотни таких особых “нот”, а хорошие производители “ликвидируют” их полностью еще на стадии дорожных испытаний.

К слову сказать, величина громкости шума в децибелах не обязательно соответствует субъективным ощущениям человека. Хотя бы потому, что человеческое ухо воспринимает звуки разных частот по-разному. Да, шумомеры также обрабатывают сигналы с микрофона в сложной программе в попытке скопировать чувствительность уха. Но это далеко не всегда срабатывает. На практике автопроизводители обязательно ориентируются не только на измерения, но и на мнение экспертов. Иногда легче перевести звук на более приятную для человеческого уха частоту, нежели подавить его. Все это решается в ходе дорожных испытаний.

Ограничений по внутрисалонному шуму для легковых автомобилей ни в ЕС, ни в США нет — только на внешний. Очевидно, что производители заинтересованы в том, чтобы клиенту было комфортно находится в автомобиле. Однако у России свой путь. В ходе сертификации все новые автомобили, в том числе Rolls-Royce или Mercedes-Maybach S-класса, проверяются на соответствие Приложению № 3 к техническому регламенту “О безопасности колесных транспортных средств”. При проверке специалисты вешают микрофоны в салоне и измеряют шум несколькими методами, в том числе при движении на постоянной скорости и при разгоне.

В общем, шум не должен превышать 77 дБ, но есть исключения. Для автомобилей вагонной или полукапотной компоновки (минивэны) допустимым считается значение в 79 дБ. Если автомобиль сертифицирован как внедорожник (так иной раз поступают и с некоторыми кроссоверами), то эти значения могут быть на пару децибел выше. В свое время коллекционный Porsche 911 R не попал в Россию именно из-за несоответствия требованиям уровня внутреннего шума.

Хотя для спортивных автомобилей предусмотрены отдельные условия. При снаряженной массе менее двух тонн и соотношении мощности к массе более 75 кВт/т (102 л. с. на тонну) допускается превышение на четыре децибелы. Если на тонну приходится более 110 кВт (почти 150 л. с.), то испытания проводят щадящим способом, только на постоянной скорости. В эти рамки вписывается множество гражданских автомобилей. Даже не очень мощная 145-сильная Lada Vesta Sport имеет 109 л. с. на тонну. Зачем тогда весь этот ажиотаж вокруг сертификации внутреннего шума, из-за чего производителю приходится нести ненужные расходы, которые в конечном итоге будут включены в цену автомобиля?

Интересно, что в учебниках по теории автомобилестроения советских времен о шуме и вибрации обычно не говорится ни слова. С ней зачастую боролись по остаточному принципу: когда и кузов, и двигатель уже были готовы, конструкторы начинали думать о том, как бы сделать в салоне потише. Например, они также использовали изоляцию, но при этом опустили первые два шага: борьбу с источником возмущений и их распространением. Сегодня конкурентоспособный автомобиль можно построить только в случае, если производитель задумывается о NVH уже на стадии компоновки, не говоря уже о проектировании.

Современные технологии — это новые вызовы. Активное облегчение кузова, использование легких материалов способствует увеличению структурного шума. Шины становятся шире ― и, следовательно, производят все больше шума. В погоне за экологичностью процесс сгорания топлива в цилиндре зачастую становится менее плавным, что ведет к образованию больших колебаний.

Отказ от двигателя внутреннего сгорания в пользу электродвигателя не решит эту задачу. Вместо привычных 2500-3000 Гц частотный спектр, излучаемый двигателем, находится в неудобном диапазоне около 5000 Гц, где к нему примешивается новый тип шума ― электромагнитный. Появляются новые звуки, которые ранее не замечали, потому что их заглушал двигатель внутреннего сгорания. Например, те, которые создают заслонки климат-контроля. Если же еще глубже заглянуть в будущее с навязываемым нам беспилотным управлением, то роль NVH лишь возрастет, потому что обсуждать будет практически нечего, за исключением акустического комфорта в автомобиле. А ведь шум — это понятие, которое близко каждому из нас…

Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/5ebe5f04ec05c49c7e0000eb.html