Oczywiste jest, że projektowanie i budowa pojazdów wymagają sporej wiedzy z szerokiego zakresu dyscyplin. Samochody stają się z czasem coraz bardziej skomplikowane, a różnorodność wiedzy niezbędnej do ich konstruowania wzrasta wykładniczo. W związku z tym nieuniknione jest obecnie uwzględnienie w samochodach poziomu hałasu i wibracji, od których należy chronić użytkowników, aby zapewnić im komfort. Zjawisko to w terminologii anglosaskiej nosi skrótową nazwę NVH.

NVH jest właśnie tematem dzisiejszego artykułu.

Czym jest NVH?

Akronim skrywa trzy terminy: Noise, Vibration, Harshness, czyli hałas, wibracje i wstrząsy, a zadaniem nowej specjalizacji jest właśnie eliminacja tych niepożądanych zjawisk występujących podczas jazdy. Hałas i drgania dają się łatwo zmierzyć, ale wstrząsy to kwestia stosunkowo subiektywna, której nie da się przedstawić w formie liczby. Dlatego też wstrząsy są przedmiotem badań psychoakustyki.

Możemy wyróżnić zewnętrzne i wewnętrzne NVH. Zewnętrzne NVH zajmuje się hałasem generowanym przez pojazd słyszalnym w jego otoczeniu zaś wewnętrzne NVH dotyczy zapewnienia komfortu pasażerom i kierowcy w kabinie auta.

Szczególną cechą tej dziedziny jest to, że chociaż hałas można zmierzyć i wyrazić liczbowo, ludzki słuch jest niezwykle subiektywny, więc łatwo może się zdarzyć, że będziemy postrzegać dwa źródła hałasu, pozornie o tym samym natężeniu, jako zupełnie inne.

Źródła hałasu

Należy zauważyć, że praca konstruktorów pojazdów byłaby znacznie łatwiejsza, gdyby mogli uszczelnić kabinę pasażerską przed wszelkim hałasem – rozwiązałoby to całkowicie problem. W rzeczywistości jednak istnieją źródła hałasu, np. syreny policyjne i klaksony, które kierowca musi słyszeć. W przeciwnym razie narażałby siebie i otoczenie na dodatkowe niebezpieczeństwo.

W konsekwencji trudniej jest wykluczyć źródła hałasu, które są naprawdę niepożądane. Należą do nich na przykład hałasy pochodzące z układu napędowego lub kół, a także szum wiatru.

Rozprzestrzenianie się hałasu

Hałas to dźwięk, który rozprzestrzenia się jak fala. Można jednak zauważyć, że dźwięk rozprzestrzenia się tylko wtedy, gdy jego źródło znajduje się w odpowiednim dla niego medium. Kiedy uderzamy młotkiem w główkę gwoździa, słyszymy odgłos, ponieważ powietrze jako medium przenosi wibracje wytworzone przez źródło. Gdyby to uderzenie zostało wykonane w próżni (np. w przestrzeni kosmicznej), nie usłyszelibyśmy go, ponieważ nie ma medium, które mogłoby przenosić falę.

Jednocześnie czulibyśmy wibracje wytwarzane przez zderzenie gwoździa i młotka na trzonku, ponieważ sam młotek przenosiłby wibracje na nasze ręce.

Przykłady wibracji przenoszonych przez karoserię obejmują:

• Odgłosy łożysk
• Odgłosy przekładni
• Odgłosy paska lub łańcucha napędowego

Niektóre hałasy przemieszczają się w powietrzu. Należą do nich:

• Hałas wytwarzany przez opony
• Hałas z otoczenia
• Hałas silnika
• Hałas układu wydechowego

Wykrywanie źródła hałasu

Obecnie wszyscy najwięksi producenci pojazdów dysponują pomieszczeniami do pomiarów akustycznych, w których stosują różne metody badania źródeł hałasu, przed którymi należy chronić pojazd.

Jedną z najważniejszych analiz jest transformacja Fouriera, która pokazuje inżynierowi, jakie zakresy częstotliwości hałasu powstają wokół pojazdu lub w jego wnętrzu w wyniku danego wzbudzenia. Zasadniczo transformacja Fouriera to nic innego jak konwersja sygnałów zarejestrowanych w przeciągu czasu na określoną częstotliwość.

Dane te pomagają wyciągnąć wnioski na temat dokładnego źródła hałasu – wtedy następuje analiza modalna, statystyczna analiza energii i wiele innych etapów, w ramach których dane źródła hałasu są wykrywane i eliminowane.

Symulacje komputerowe

Podobnie jak w przypadku analiz wytrzymałościowych, symulacje komputerowe są tutaj regularnie wykorzystywane do eliminowania różnych anomalii i nadmiernych poziomów hałasu dzięki niezwykle kosztownej produkcji prototypów.

Niezwykle interesujący jest fakt, że zakres częstotliwości źródła hałasu może mieć decydujący wpływ na wybraną metodę badania. Mówimy tu o hałasie strukturalnym i wibracjach. Jeśli dane zjawisko ma być badane np. w zakresie poniżej 20-30 Hz, do właściwej analizy buduje się nawet kilka modeli.

Z drugiej strony, jeśli badane zjawisko występuje przy wyższej częstotliwości, np. powyżej 1 kHz, wówczas lepszym podejściem może być wspomniany wcześniej model Statystycznej Analizy Energii (Statistical Energy Analysis – SEA).

Istnieją niezliczone źródła hałasu pomiędzy dwoma wymienionymi zakresami – np. powszechnie stosowana jest tutaj wibroakustyczna metoda elementów skończonych. Obecnie, oprócz wymienionych technik, istnieje wiele innych wersji i ich kombinacji.

Rozwiązania

Co inżynierowie zrobią ze źródłem hałasu, jeśli je znajdą?

Typowym rozwiązaniem dla silników i innych komponentów jest zmiana masy – ponieważ w ten sposób dostraja się częstotliwość naturalną danego elementu, tak aby nie przenosił on hałasu.

Jeśli powyższe rozwiązanie nie jest możliwe, inżynierowie starają się wytłumić hałas – np. za pomocą gąbek w nadkolach czy dodatkowej izolacji tak, aby jak najmniej hałasu przedostawało się do kabiny pasażerskiej.

Od niedawna tłumienie hałasu za pomocą fali dźwiękowej o tej samej sile i przeciwnej fazie z głośników samochodowych jest uważane za powszechną metodę w wewnętrznym NVH. Chociaż hałas jest nadal obecny, pasażerowie nie będą go słyszeć dzięki dźwiękowi o przeciwnej fazie.

Dlaczego jest to ważne?

Oprócz komfortu jazdy, NVH służy również ochronie zdrowia, ponieważ zanieczyszczenie środowiska hałasem ma wiele szkodliwych skutków:

• Utrata słuchu
• Pogorszenie rozumienia mowy
• Zaburzenia snu
• Negatywny wpływ na zachowanie (agresja)
• Pogorszenie stanu fizjologicznego (podwyższone ciśnienie krwi, tętno)