Як эфектыўна зменшыць шум і вібрацыю ў аўтамабілі

Кожны вадзіцель цэніць у аўтамабілі рознае — адны аддаюць перавагу прасторнасці салона, іншыя прагнуць дакладнага кіравання. Але акустычны камфорт важны для ўсіх. Каб зразумець, ці занадта гучны аўтамабіль, не трэба быць інжынерам — гэта становіцца відавочным ужо праз некалькі хвілін язды. У адрозненне ад якасці хады або эфектыўнасці тармажэння, шум робіць імгненнае ўражанне. У аўтамабільнай прамысловасці гэтая галіна ахоплена адзіным паняццем: NVH — шум, вібрацыя і жорсткасць.

Што такое NVH і чаму гэта важна для камфорту кіравання

NVH расшыфроўваецца як шум, вібрацыя і жорсткасць — тры фізічныя з’явы, якія найбольш непасрэдна ўплываюць на тое, наколькі прыемна (ці непрыемна) кіраваць аўтамабілем. Калі ўзровень NVH нізкі, уздзеянне на чалавечы арганізм рэальнае і вымернае:

Нервовая сістэма і мозг перагружаюцца
Зніжаецца канцэнтрацыя і хуткасць рэакцыі
Падае агульная пільнасць і фізічны тонус
Язда на доўгія адлегласці становіцца значна больш стомнай

Менавіта таму сучасныя больш ціхія аўтамабілі значна менш стомяць у доўгіх паездках. Аднак было б памылкай лічыць, што проста дадатковая гукаізаляцыя вырашае праблему. На самай справе гукаізаляцыя — гэта апошняя лінія абароны, і не заўсёды самая эфектыўная. Вось чаму.

Асноўныя крыніцы шуму і вібрацыі ў аўтамабілі

Каб зразумець, як зменшыць шум у аўтамабілі, спачатку трэба ведаць, адкуль ён паходзіць. Нягледзячы на тое, што ў кожным транспартным сродку ёсць дзясяткі патэнцыяльных крыніц, галоўнымі з іх з’яўляюцца:

Рухавік і выхлапная сістэма
Качэнне шын
Аэрадынамічны паток вакол кузава

Адносны ўклад кожнай крыніцы мяняецца ў залежнасці ад хуткасці. На гарадскіх хуткасцях дамінуе сілавая ўстаноўка. На шашы пры 90–100 км/г усе крыніцы ўносяць прыкладна роўны ўклад. Пры хуткасці звыш 120–130 км/г пераважаюць аэрадынамічныя і дарожныя перашкоды. Прасцей кажучы: шум ствараецца вібрацыямі, і гэтыя вібрацыі фізічна шкодныя — як для пасажыраў, так і для механічных вузлоў аўтамабіля.

Як шум распаўсюджваецца па аўтамабілі

Любая крыніца шуму — напрыклад, рухавік — распаўсюджваецца па аўтамабілі двума розными спосабамі:

Структурна — праз фізічныя вібрацыі ў панэлях кузава і канструктыўных элементах, звязаных з крыніцай
Акустычна — непасрэдна праз паветра, у тым ліку праз зазоры і панэлі

Разуменне гэтых двух шляхоў вельмі важна, паколькі кожны з іх патрабуе сваёй стратэгіі барацьбы з шумам.

Трохступенны прыярытэтны падыход да зніжэння шуму

Аўтамабільныя інжынеры вырашаюць праблему NVH у строгай прыярытэтнай паслядоўнасці. Гукаізаляцыя — падыход, які большасць людзей звязвае з «зацішэннем аўтамабіля» — фактычна стаіць апошняй у спісе:

Зменшыць інтэнсіўнасць у крыніцы — звесці да мінімуму колькасць генеруемага шуму і вібрацыі
Аслабіць структурную перадачу — прадухіліць распаўсюджванне вібрацый па кузаве і канструктыўных элементах
Ужыць гукаізаляцыю — паглынуць паветраны шум, які ўжо быў сфарміраваны і перададзены

Калі першыя два этапы выкананы добра, патрабуецца адносна мала гукаізаляцыйнага матэрыялу. Гэта не проста інжынерная перавага — гэта эканомія масы, кошту і паліва.

Як інжынеры зніжаюць шум рухавіка і выхлапу непасрэдна ў крыніцы

Зніжэнне шуму рухавіка пачынаецца задоўга да нанясення якога-небудзь ізаляцыйнага матэрыялу. Ключавыя інжынерныя стратэгіі ўключаюць:

Аптымізацыю працэсу згарання для забеспячэння максімальнай плаўнасці і кіраванасці
Праектаванне асноўных вузлоў — блока цыліндраў, вечка клапанаў і паддона рухавіка — такім чынам, каб яны не рэзаніравалі ў такт з цыклам рухавіка
Выкарыстанне пластыку і шумапаглынальных матэрыялаў непасрэдна на дэталях рухавіка
Капсуляванне ўсяго рухавіка там, дзе дазваляе компановка
Выкарыстанне каталізатараў і сажавых фільтраў, якія дадаткова згладжваюць пульсацыі адпрацаваных газаў і зніжаюць шум выхлапу

Падушкі рухавіка: блакіроўка вібрацыі да таго, як яна дасягне кузава

Як толькі вібрацыя пакідае рухавік, яе трэба спыніць да таго, як яна дасягне кузава. Падушкі рухавіка — гэта галоўны бар’ер. Месцы іх мацавання старанна падбіраюцца, каб не ўзбуджаць рэзананс кузава — урок, засвоены на горкім вопыце ранніх серыйных мадэляў, такіх як ВАЗ-2108, які пакутаваў ад непрыемнай вібрацыі на халастых абаротах з-за няўдала размешчанай пярэдняй падушкі. Рашэннем тады было змякчэнне падушкі, якое спарадзіла новы шэраг праблем.

Сучасныя тэхналогіі мацавання рухавікоў значна прасунуліся наперад:

Гідраўлічныя падушкі — спалучаюць эластычнасць і дэмпфіраванне, падобна пары спружына–амартызатар
Актыўныя падушкі — генеруюць рух у проціфазе для кампенсацыі вібрацый або дынамічна рэгулююць жорсткасць у залежнасці ад умоў язды

Канструкцыя кузава і кіраванне рэзанансам

Любыя вібрацыі, якія прайшлі праз падушкі рухавіка, павінны гасіцца самой канструкцыяй кузава. Як ні дзіўна, максімальна жорсткі кузаў — гэта не аўтаматычна ціхі кузаў. Нягледзячы на тое, што жорсткая маналітная канструкцыя можа зменшыць рэзананс, яна таксама можа павялічыць структурную перадачу шуму.

Аўтамабільныя інжынеры засяроджваюцца на рэзанансных частотах, а не на грубай кручальнай жорсткасці. Мэта — не павялічыць або паменшыць частоты да максімуму, а дакладна размясціць іх так, каб яны не супадалі з частотамі, якія генеруюцца шынамі, падвескай, рухавіком і іншымі крыніцамі вібрацыі. Увесь аўтамабіль разглядаецца як адна складаная вібрацыйная сістэма.

Канструктыўныя меры для кіравання рэзанансам кузава ўключаюць:

Узмацняльныя планкі і штампаваныя ўзмацняльныя пласціны, нават на ненясучых панэлях
Высокатрывалыя і тэрмаапрацаваныя сталі
Пракатаныя панэлі зменнай таўшчыні
Клеявое злучэнне дэталей кузава
Вібрацыйныя дэмпферы — масы, жорстка або мякка прымацаваныя, якія зрухаюць уласную частоту панэлі за межы праблемных дыяпазонаў. Трохкілаграмовы чыгунны прут, схаваны ўнутры пярэдняга бампера, — гэта не памылка, а дакладна распрацаванае рашэнне
Пена, закачаная ў парожніны кузава ў разліковых месцах
Бітумныя маты, якія выбарачна наносяцца на плоскія панэлі (а не бязладна, як пры тунінгавых устаноўках)
Мінімізацыя адтулін і зазораў у перагародцы матарнага адсека, з дбайнай герметызацыяй усіх пакінутых адверстваў

Агляд шын

Гукаізаляцыя: эфектыўная пры выбарачным ужыванні

Толькі пасля таго, як вычарпаны ўсе структурныя меры і меры на ўзроўні крыніцы, мае сэнс дадаваць гукаізаляцыю. Калі папярэднія этапы выкананы правільна, яе патрабуецца вельмі мала. Вядомы прыклад: Volkswagen Golf сёмага пакалення выкарыстоўваў на чатыры кілаграмы менш ізаляцыйнага матэрыялу, чым яго папярэднік, дзякуючы лепшай інжынернай апрацоўцы на больш ранніх этапах.

Сучасныя акустычныя панэлі і дываковыя збіркі прэцызійна фармуюцца ў адпаведнасці з дакладнымі контурамі перагародкі матарнага адсека і падлогі. Пэўнае ўнутранае пакрыццё неабходна — яно таксама забяспечвае цеплаізаляцыю. Але калі вы заўважаеце адкрыты метал вакол нішы для запаснога кола ў багажніку, гэта не мера эканоміі — гэта знак таго, што вытворца быў упэўнены: шум ужо добра кантралюецца.

Асцярога наконт пасляпродажнай шумадэмпфіраванні: дадатковыя маты ў вашым аўтамабілі дадуць эфект, але ён рэдка апраўдвае выдаткі. Вы значна патраціцеся на матэрыялы і работу, каб атрымаць, магчыма, адзін-два дэцыбелы, адначасова дадаўшы дзясяткі кілаграмаў пастаяннай масы — а гэта павялічвае расход паліва.

Разуменне гукавых частот у аўтамабілі

Не ўвесь шум аднолькава раздражняльны — частата адыгрывае вялікую ролю ў тым, як мы ўспрымаем гук:

Стомленасць наступае пры 80 дБ у дыяпазоне 2000–4000 Гц
На частотах 5000–6000 Гц дастаткова ўсяго 60 дБ, каб выклікаць стомленасць
Структурны (перадаваны праз кузаў) шум звычайна ніжэй 500 Гц — успрымаецца як нізкі гул, пераважна ад дарогі і выхлапу
Паветраны шум дамінуе вышэй за 1000 Гц (высокачастотны — вышэй за 800 Гц) — у асноўным ад рухавіка і аэрадынамікі
Чалавечы слых ахоплівае ад 20 Гц да 20 000 Гц; у аўтамабільных умовах звычайна задзейнічаны дыяпазон 30–8500 Гц

Акрамя частаты, важны і характар шуму. Ёсць шырокапалосныя шумы (сумесь частот) і тональныя шумы — пэўныя, распазнавальныя гукі, такія як піск маторчыка электрычнага ўзмацняльніка кіравання або свіст халадагента ў сістэме кандыцыянавання. Адзін аўтамабіль можа выдаваць сотні такіх розных тонаў. Добрыя вытворцы поўнасцю ліквідуюць іх падчас дарожных выпрабаванняў — часам прасцей перанесці гук на менш раздражняльную частату, чым ліквідаваць яго цалкам.

Варта адзначыць, што вымярэнні ў дэцыбелах не заўсёды адпавядаюць суб’ектыўнаму ўспрыманню. Чалавечы слых не аднолькава адчувальны на ўсіх частотах, і хоць вымяральнікі шуму сапраўды прымяняюць крывыя зважвання па частотах для наближэння да нашага ўспрымання, гэты метад не дасканалы. Вось чаму аўтавытворцы заўсёды спалучаюць аб’ектыўныя вымярэнні з суб’ектыўнымі слуховымі сесіямі экспертаў.

Актыўнае шумазніжэнне ў сучасных аўтамабілях

Адным з найбольш абмяркоўваемых сучасных распрацовак з’яўляецца актыўнае шумазніжэнне (АШЗ), якое выкарыстоўвае аўдыядынамікі аўтамабіля для генерацыі гукавых хваль у проціфазе да непажаданых шумаў — эфектыўна нейтралізуючы іх. Тэарэтычна два гукі складаюцца ў цішыню.

На практыцы актыўныя сістэмы сутыкаюцца з рэальнымі фізічнымі абмежаваннямі:

Яны абмежаваны як па магутнасці, так і па дыяпазоне частот
Шум рухавіка і дарогі дасягае вушэй пасажыраў прыкладна за 0,009 секунды
Лепшыя актыўныя сістэмы рэагуюць за 0,002 секунды — пакідаючы вузкае, але недасканалае акно
Дакладнасць у шырокім спектры частот застаецца праблемай

Гэтыя сістэмы несумненна будуць удасканальвацца — але існуе рызыка, што іх развіццё стане заменай добрай фундаментальнай інжынерыі, а не яе дапаўненнем.

Нарматыўнае рэгуляванне шуму аўтамабіляў: патрабаванні заканадаўства

Узроўні шуму ўнутры легкавых аўтамабіляў не рэгулююцца ні ў ЕС, ні ў ЗША — толькі знешні шум падпадае пад заканадаўчыя абмежаванні. Вытворцы камерцыйна зацікаўлены ў цішыні салона, але заканадаўчай нормы не існуе.

Расія прытрымліваецца іншага падыходу. Пры сертыфікацыі транспартных сродкаў унутраны шум вымяраецца некалькімі метадамі — у тым ліку пры сталай хуткасці і пры паскарэнні. Агульныя парогавыя значэнні:

Стандартныя легкавыя аўтамабілі: максімум 77 дБ
Мінівэны і аўтамабілі з кузавам «ўніверсал»: да 79 дБ
Пазадарожнікі (і некаторыя крос-оверы, сертыфікаваныя як такія): да 81 дБ
Спартыўныя аўтамабілі масай менш за 2 тоны з магутнасцю больш за 75 кВт/т: дапускаецца перавышэнне на 4 дБ
Аўтамабілі з магутнасцю больш за 110 кВт/т (≈150 л.с./т): выпрабоўваюцца толькі пры сталай хуткасці

Нарматыўныя акты ўтрымліваюць дастаткова выключэнняў для большасці высокапрадукцыйных аўтамабіляў — але памежныя выпадкі ўсё ж узнікаюць. Купэ Porsche 911 R, напрыклад, у свой час было заблакіравана на расійскім рынку менавіта таму, што не адпавядала патрабаванням сертыфікацыі па ўнутраным шуму.

Праблемы NVH у электрамабілях і аўтамабілях будучыні

Новыя аўтамабільныя тэхналогіі ствараюць новыя праблемы NVH, а не ліквідуюць іх:

Лёгкія матэрыялы (алюмініевыя сплавы, кампазіты) зніжаюць масу, але павялічваюць структурную перадачу шуму
Шырэйшыя шыны забяспечваюць лепшае зачэпленне і кіравальнасць, але генеруюць больш дарожнага шуму
Стратэгіі згарання, арыентаваныя на эфектыўнасць, могуць зрабіць запальванне цыліндраў менш плаўным, павялічваючы вібрацыю рухавіка
Электраматоры зрухваюць шум у непрыемны дыяпазон 5000 Гц і ўводзяць электрамагнітны шум — дыяпазон частот, які раней маскіраваўся рухавікамі ўнутранага згарання
Раней замаскіраваныя гукі — напрыклад, рух заслонак сістэмы кліматызацыі — становяцца заўважнымі без гуку рухавіка, які іх перакрывае

У будучыні без вадзіцеля акустычны камфорт, верагодна, стане адным з галоўных адрозненняў паміж аўтамабілямі. Калі няма задачы кіравання, на якой можна засяродзіцца, пасажыры становяцца значна больш адчувальнымі да навакольнага шуму. Інжынеры, якія некалі разглядалі NVH як удасканаленне на позніх этапах, цяпер улічваюць яго ўжо з самых першых компановачных рашэнняў — і гэтае змяненне прыярытэтаў з’яўляецца адзіным найважнейшым зрухам у тым, як сучасныя аўтамабілі становяцца ціхімі.