Кожен з нас визначає важливість тих чи інших споживчих властивостей автомобіля. Наприклад, когось більше цікавить місткість, а когось – керованість. Але акустичний комфорт актуальний для всіх. Вам не потрібно бути експертом, щоб знати, чи шумить автомобіль. Перші висновки можна зробити буквально на початку подорожі. У той же час оцінка плавності ходу або гальм вимагає часу. У промисловості існує комбіноване поняття NVH (Noise, Vibration, Harshness).
Якщо в сфері НВГ все погано, людина відчуває це фізично: нервова система і мозок перевантажуються, порушується концентрація, знижується тонус і реакція. Тому на сучасних більш тихих автомобілях легше їздити на великі відстані. Не думайте, що «з часом звукоізоляція стала кращою»! Теоретично звукоізоляція є останнім і не обов’язково найефективнішим способом забезпечення акустичного комфорту. Тепер розберемося чому.
Без глибокого занурення у фізико-математику важко говорити про НВХ. Щоб ми не зациклювалися на високих справах, деякі речі спростимо. Але не буде неправильно сказати, що шум створюється вібрацією. Самі останні теж шкідливі, особливо для технічного обладнання.
Отже, будь-яка вібрація має джерело. Шум і вібрація автомобіля створюється головним чином двигуном і вихлопною системою, колесами, що котяться, і повітрям, що обтікає кузов. Є ще кілька десятків джерел, але домінують перелічені вище. Зазвичай на міських швидкостях основний «внесок» вносить силовий агрегат, на трасі 90-100 км/год все «співає» практично однаково, а після 120-130 км/год в першу чергу турбують перешкоди. аеродинамічного та дорожнього походження. Це в теорії.
Будь-який шум, наприклад шум від двигуна, поширюється двома шляхами. Механічно – через вібрації панелей кузова і елементів конструкції, які мають фізичний зв’язок з джерелом, і безпосередньо через повітря, в тому числі «проникаючи» через ті ж панелі. Тому існує три основних способи боротьби з шумом. У першу чергу це зменшення інтенсивності його походження, послаблення вторинного випромінювання елементами конструкції і лише в третю чергу ― звукоізоляція, тобто «уловлювання» компонента, який пропускається повітрям.
Наприклад, зниження шуму двигуна починається з організації процесу згоряння, який по можливості слід згладити. Великі випромінювачі звуку ― блок циліндрів, кришка головки, піддон картера – сконструйовані так, щоб не резонувати в такт робочому процесу в циліндрах. Все частіше такі елементи виготовляють із пластику, безпосередньо на них наносять шумопоглинаючі матеріали, по можливості «герметизують» весь двигун. Раніше вихлопні системи створювали багато шуму, але каталізатори та сажові фільтри, які згладжують пульсації вихлопних газів для підтримки глушників, мимоволі допомогли.
Подальша передача вібрацій повинна бути унеможливлена опорами силового агрегату. Точки їх кріплення вибираються так, щоб не провокувати коливання кузова. Пам’ятна історія першого серійного ВАЗ-2108, в якому через неправильно розташованої передньої опори вібрації і шум на холостому ході досягли некомфортного рівня. Переносити опору було пізно, її зробили м’якшою, що принесло ряд інших проблем…
Сьогодні гідравлічні опори силового агрегату, які поєднують в собі пружну і пригнічувальну функції (як дует ресори і амортизатора в підвісці), вже не є екзотикою. Найефективнішими є активні опори, які створюють рух у фазі, протилежній вібрації, або змінюють свою жорсткість залежно від умов.
Треба звести до мінімуму вібрацію, яка все ще досягає тіла. Дуже важливо уникати резонансів. Максимально жорсткий корпус не обов’язково виявиться тихим. Монолітна конструкція може зменшити резонанс, але збільшити передачу структурного шуму.
На відміну від журналістів, автомобільні інженери часто використовують поняття резонансних частот кузова, а не його жорсткості на кручення. Крім того, оптимальна частота не повинна бути максимально високою або низькою – вона повинна бути саме такою, щоб уникнути резонансів. Тому що кузов — це лише один із учасників найскладнішої вібраційної системи, до якої входять пружні елементи підвіски, шини, сидіння та всі джерела вібрації.
Несуча конструкція кузова розроблена з урахуванням усього вищесказаного. Навіть ті деталі, які не несуть серйозного навантаження, мають ребра жорсткості та штамповані пластини посилення, щоб максимально протидіяти вібрації. Високоміцні і термічно оброблені сталі, прокат змінної товщини, технології склеювання кузовних деталей і інші хитрощі використовуються навіть в масовому автомобілебудуванні. У той же час комп’ютерне моделювання все одно визначить залишкові вібрації. Що з ними робити?
У двох словах, вам потрібно змінити частоти власних коливань у таких точках, щоб уникнути резонансу. Наприклад, за допомогою віброгасителів – жорстко або м’яко закріплених мас. Не дивуйтеся, якщо під час ремонту десь у надрах переднього бампера виявите трикілограмовий чавунний брусок: його не забули тут на заводі, а прикрутили строго за проектним розрахунком, щоб вирівняти. коливання певних частот. Менші навантаження часто припадають на частини підвіски або вихлопної системи.
У порожнину кузова в певних місцях заливається піна, яка своїми характеристиками нагадує будівельну, а на плоскі панелі приклеюють, наприклад, бітумні мати. Але не по всьому, як в гаражному тюнінгу, а вибірково, з вибором місць на основі комп’ютерного моделювання. Шум використовує будь-які лазівки, тому їх кількість в кузові, а особливо в щитку двигуна, зведено до мінімуму. Будь-який з них ретельно ізолюється. Добре, що механічні приводи акселератора і АКПП, які служили потужним каналом для передачі вібрацій, пішли в минуле. І тільки після того, як підібрані всі резерви конструкції, настає черга звукоізоляції.
Якщо на попередніх етапах все зроблено правильно, то багато цього вам не знадобиться. Наприклад, для Golf сьомого покоління використано на чотири кілограми менше шумоізоляційних матеріалів, ніж для його попередника. Сучасні м’які килимки та ковроліни – це технологічні шедеври, точно виліплені під контури та рельєф щитка двигуна чи підлоги. В салоні автомобіля взагалі не обійтися без покриття, адже воно виконує ще й теплоізоляційну функцію. Але не дивуйтеся, наприклад, голому металу навколо запаски в багажнику — це означає, що, за словами виробника, першочерговими заходами шум вдалося придушити.
Такі «протоколи» застосовуються не тільки до шуму від двигуна, а й до кожного джерела. Повірте, про боротьбу з гуркотом котяться шин, аеродинамічними перешкодами або зовнішніми звуками можна написати в окремих статтях. Існує маса нюансів, тонкощів і хитрощів. Домашнє обклеювання додатковими матами, безумовно, дає ефект, але раціональним цей підхід назвати не можна. Вам доведеться не тільки витратити купу грошей на матеріали і попрацювати за пару децибел переваги, але і возити з собою десятки зайвих кілограмів, розплачуючись за них підвищеною витратою палива.
Останнім трендом стали системи активного шумозаглушення, які використовують динаміки аудіосистеми для створення корисного звуку в протилежній фазі до шкідливого. Один з одним повинні дарувати тишу. На жаль, такі системи не працюють точно, вони обмежені в потужності і частотному діапазоні: це фізика. Шум від двигуна і дороги доноситься до вух водія і пасажирів всього за 0,009 секунди, а найкращі антисистеми реагують за 0,002 секунди. Зрозуміло, що вдосконалюватимуться ― але головне, щоб не вийшло так, як з ESP, коли розвиток електроніки безпеки обернувся ослабленням базових принципів конструкції…
Чим вища частота звуку, тим більше він заважає. Наприклад, ефект втоми починається при гучності 80 децибел (дБ) в діапазоні частот 2000-4000 Гц, і вже з 60 дБ в 5000-6000 Гц. Структурні шуми, які поширюються організмом, в основному мають частоту нижче 500 Гц і сприймаються на слух як більш низькочастотні, дзижчачі, басові. В автомобілі вони в основному надходять з дороги, але є і внесок вихлопної системи.
А перешкоди, що передаються акустично, домінують на частотах вище 1000 Гц (після 800 Гц вони вважаються високочастотними). Тут в основному шумить силовий агрегат і аеродинаміка. Людина сприймає звук в діапазоні від 20 Гц до 20 000 Гц, але зазвичай в автомобілі ми маємо справу з 30-8500 Гц.
Крім спектрального складу (шумової частоти) важливий також характер спектра. Розрізняють широкосмугові шуми, тобто суміші звуків, і тональні шуми. Наприклад, виття електромотора гідропідсилювача керма або хрип холодоагенту в надрах кондиціонера. Автомобіль може виробляти сотні таких специфічних «записок», а хороші виробники «знищують» їх повністю на етапі дорожніх випробувань.
До речі, значення гучності шуму в децибелах не обов’язково відповідає суб’єктивним відчуттям людини. Хоча б тому, що наш орган слуху по-різному сприймає звуки різних частот. Так, шумоміри теж обробляють сигнали з мікрофона в складній програмі, намагаючись скопіювати чутливість вуха. Але це не завжди працює. На практиці автовиробники обов’язково орієнтуються не тільки на вимірювання, але і на думку експертів. Іноді простіше перевести звук на більш приємну частоту, ніж придушити його. Все це вирішується під час дорожніх випробувань.
Ні в ЄС, ні в США немає обмежень щодо внутрішнього шуму легкових автомобілів ― тільки щодо зовнішнього. Зрозуміло, що виробники життєво зацікавлені в тому, щоб покупцеві було зручно в салоні. Але, наприклад, у Росії свій шлях. Під час сертифікації всі нові автомобілі, в тому числі Rolls-Royce або Mercedes-Maybach S-класу, перевіряються на відповідність додатку No3 до технічного регламенту «Про безпеку колісних транспортних засобів». Тобто вони фактично розвішують мікрофони в салоні і вимірюють шум декількома методами ― в тому числі під час руху на постійній швидкості та при розгоні.
Загалом рівень шуму не повинен перевищувати 77 дБ, але є багато винятків. 79 дБ вже дозволені для автомобілів вагонної та напівкабінної компоновки, таких як мінівени. Якщо автомобіль сертифікований як позашляховик (так робиться навіть з деякими кросоверами), ці показники можуть бути перевищені на два децибели. Свого часу колекційне купе Porsche 911 R не потрапило в Росію саме через невідповідність певним вимогам до рівня внутрішнього шуму.
Хоча для спортивних автомобілів передбачена окрема виноска. Якщо споряджена маса менше двох тонн, а співвідношення потужності до ваги перевищує 75 кВт/т (102 к.с. на тонну), допускається перевищення на чотири децибели. Якщо на тонну більше 110 кВт (майже 150 к.с.), випробування проводять м’яко, тільки на постійній швидкості. У ці рамки вписується чимало цивільних автомобілів. Навіть не надто потужна 145-сильна Lada Vesta Sport має 109 к.с./т. Чому ж тоді здіймається шум навколо внутрішньої сертифікації шуму, що змушує виробників нести непотрібні витрати, які згодом будуть включені у вартість автомобіля?
Цікаво, що про шум і вібрацію в підручниках з теорії автомобілів радянських часів зазвичай не говориться ні слова. Боротьба з ними часто велася за залишковим принципом: коли і кузов, і двигун були готові, дизайнери почали шукати: як зробити салон тихіше? Наприклад, ту ж ізоляцію додали, пропустивши перші два етапи: боротьбу з джерелом завад і їх поширення. Сьогодні конкурентоспроможний автомобіль можна побудувати тільки в тому випадку, якщо виробник подумає про NVH на етапі компонування, не кажучи вже про дизайн.
Сучасні технології ставлять перед інженерами-акустиками нові виклики. Активне освітлення кузовів, використання легких матеріалів, таких як алюмінієві сплави або композити, сприяють збільшенню структурних шумів. Шини стають ширшими, а отже, і гучнішими. У гонитві за екологічністю процес згоряння палива в циліндрі часто стає менш плавним, тобто створює більше вібрацій.
Відмова від двигуна внутрішнього згоряння на користь електромотора не полегшує завдання. Замість звичних 2500-3000 Гц частотний спектр, який випромінює двигун, знаходиться в некомфортному діапазоні близько 5000 Гц, де до нього домішується новий тип шуму — електромагнітний. З’явилися нові звуки, які раніше ігнорувалися, тому що їх заглушав двигун внутрішнього згоряння. Наприклад, створені заслінками клімат-контролю. Якщо ми подивимося ще далі на нав’язане нам безпілотне майбутнє, то роль NVH тільки зросте, тому що, окрім акустичного комфорту в автомобілі, обговорювати майже нічого. А шум – це субстанція, яка здається зрозумілою кожному з нас…
Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/5ebe5f04ec05c49c7e0000eb.html
Published August 19, 2021 • 17m to read
