Com suprimir eficaçment els sorolls i les vibracions del cotxe

Tot conductor valora coses diferents en un cotxe — alguns prioritzen l’espai de l’habitacle, d’altres busquen una direcció àgil. Però el confort acústic és quelcom que importa a tothom. No cal ser enginyer per saber quan un cotxe fa massa soroll; es pot notar en els primers minuts de conducció. A diferència de la qualitat de marxa o el rendiment de frenada, el soroll causa una impressió immediata. En la indústria de l’automòbil, aquesta àrea queda coberta per un concepte unificat: NVH — Noise, Vibration, and Harshness (Soroll, Vibració i Duresa).

Què és el NVH i per què és important per al confort de conducció

NVH és l’acrònim de Noise, Vibration, and Harshness (Soroll, Vibració i Duresa) — els tres fenòmens físics que afecten de manera més directa la sensació de plaer (o desplaer) en la conducció. Quan els nivells de NVH són deficients, els efectes sobre el cos humà són reals i mesurables:

El sistema nerviós i el cervell es sobrecarreguen
La concentració i els temps de reacció disminueixen
L’estat d’alerta general i el to físic baixen
La conducció de llarg recorregut es torna significativament més esgotadora

Precisament per això, els cotxes moderns més silenciosos resulten molt menys esgotadors en els trajectes llargs. No obstant això, seria un error pensar que simplement afegir més insonorització resol el problema. De fet, la insonorització és l’última línia de defensa — i no sempre la més eficaç. A continuació expliquem per què.

Les principals fonts de soroll i vibracions del cotxe

Per entendre com suprimir els sorolls del cotxe, primer cal saber d’on provenen. Encara que hi ha desenes de fonts potencials en qualsevol vehicle, les principals són:

El motor i el sistema d’escapament
Els pneumàtics en rodadura
El flux d’aire aerodinàmic al voltant de la carrosseria

La contribució relativa de cada font canvia amb la velocitat. A velocitats urbanes, domina el grup motopropulsor. A l’autopista a 90–100 km/h, totes les fonts contribueixen de manera aproximadament igual. Per sobre de 120–130 km/h, predominen les pertorbacions aerodinàmiques i les generades per la carretera. En paraules senzilles: el soroll el generen les vibracions, i aquestes vibracions són físicament perjudicials — tant per als ocupants com per als components mecànics del vehicle.

Com es propaguen els sorolls per un vehicle

Qualsevol font de soroll — com ara el motor — es propaga pel cotxe de dues maneres diferenciades:

Estructuralment — a través de vibracions físiques en els panells de la carrosseria i els elements estructurals connectats a la font
Acústicament — directament per l’aire, incloses les escletxes i els panells

Entendre aquestes dues vies és essencial, ja que cadascuna requereix una estratègia de supressió diferent.

L’enfocament de prioritat en tres passos per a la reducció del soroll

Els enginyers de l’automòbil aborden el NVH en un ordre de prioritat estricte. La insonorització — l’enfocament que la majoria de la gent associa amb «fer un cotxe més silenciós» — ocupa l’últim lloc:

Reduir la intensitat a la font — minimitzar la quantitat de soroll i vibració generada des d’un principi
Atenuar la transmissió estructural — evitar que les vibracions es propaguin per la carrosseria i els elements estructurals
Aplicar insonorització — capturar el soroll aeri que ja s’ha generat i transmès

Si els dos primers passos s’executen correctament, cal relativament poc material d’insonorització. Això no és tan sols una preferència d’enginyeria — estalvia pes, cost i combustible.

Com redueixen els enginyers el soroll del motor i de l’escapament a la font

La supressió del soroll del motor comença molt abans d’aplicar cap material d’insonorització. Les estratègies d’enginyeria clau inclouen:

Optimitzar el procés de combustió perquè sigui el més suau i controlat possible
Dissenyar els components principals — el bloc de cilindres, la tapa de vàlvules i el càrter d’oli — de manera que no ressonin en sincronia amb el cicle del motor
Utilitzar plàstics i materials absorbents del soroll directament als components del motor
Encapsular tot el motor quan l’espai disponible ho permet
Aprofitar els catalitzadors i els filtres de partícules, que incidentalment suavitzen les pulsacions dels gasos d’escapament i redueixen el soroll de l’escapament

Suports del motor: bloquejar la vibració abans que arribi a la carrosseria

Un cop la vibració abandona el motor, cal aturar-la abans que arribi a la carrosseria. Els suports del motor són la barrera principal. Els seus punts de fixació es trien acuradament per evitar excitar les resonàncies de la carrosseria — una lliçó apresa a les dures amb els primers models de producció com el VAZ-2108, que patia una vibració incòmoda en ralentí a causa d’un suport frontal mal posicionat. La solució d’aquell moment va ser suavitzar el suport, cosa que va introduir un nou conjunt de problemes.

La tecnologia moderna de suports del motor ha avançat considerablement:

Suports hidràulics — combinen elasticitat i amortiment, com un conjunt de molla i amortidor
Suports actius — generen un moviment en contrafase per cancel·lar les vibracions, o ajusten la rigidesa de manera dinàmica en funció de les condicions de conducció

Estructura de la carrosseria i control de la resonància

Qualsevol vibració que aconsegueixi superar els suports del motor ha de ser gestionada per l’estructura de la carrosseria. De manera contraintuïtiva, una carrosseria maximalment rígida no és automàticament una de silenciosa. Tot i que una construcció rígida i monolítica pot reduir la resonància, també pot augmentar la transmissió de soroll estructural.

Els enginyers de l’automòbil es centren en les freqüències de resonància en lloc de la rigidesa torsional bruta. L’objectiu no és desplaçar les freqüències el màxim possible cap amunt o cap avall — és posicionar-les amb precisió perquè no coincideixin amb les freqüències generades pels pneumàtics, la suspensió, el motor i altres fonts de vibració. Tot el vehicle es tracta com un sistema de vibració complex.

Les mesures estructurals emprades per gestionar la resonància de la carrosseria inclouen:

Barres rigidificadores i plaques de reforç embotides, fins i tot en panells no estructurals
Acers d’alta resistència i tractats tèrmicament
Panells laminats de gruix variable
Encolat de components de la carrosseria
Amortidors de vibració — masses acoblades de manera rígida o flexible que desplacen la freqüència natural d’un panell fora dels rangs problemàtics. Una barra de ferro colat de tres quilograms amagada dins d’un para-xocs davanter no és un error — és una solució d’enginyeria de precisió
Escuma injectada a les cavitats de la carrosseria en ubicacions calculades
Mantes de betum aplicades de manera selectiva als panells plans (no indiscriminadament, com en les instal·lacions del mercat de recanvis)
Minimització de les perforacions i les escletxes al tallafocs, amb totes les obertures restants segellades acuradament

Inspecció de pneumàtics

Insonorització: eficaç quan s’utilitza de manera selectiva

Només després d’haver esgotat totes les mesures estructurals i a nivell de font té sentit afegir insonorització. Quan els passos anteriors es fan correctament, de fet se’n necessita molt poca. Un exemple ben conegut: la setena generació del Volkswagen Golf va utilitzar quatre quilograms menys de material d’insonorització que el seu predecessor, gràcies a una millor enginyeria en les etapes anteriors.

Els revestiments acústics moderns i els conjunts de moqueta es modelen amb precisió per adaptar-se als contorns exactes del tallafocs i el terra. Algun revestiment interior és inevitable — també proporciona aïllament tèrmic. Però si s’observa metall nu al voltant de la cavitat de la roda de recanvi al maleter, no és una mesura de reducció de costos — és un senyal que el fabricant estava segur que el soroll ja estava ben controlat.

Una advertència sobre la insonorització del mercat de recanvis: afegir mantes addicionals al propi cotxe té un efecte, però rarament és rendible. Es gastarà considerablement en materials i mà d’obra per obtenir un guany d’aproximadament un o dos decibels, afegint alhora desenes de quilograms de pes permanent — que incrementa el consum de combustible.

Comprensió de les freqüències de so a l’interior del cotxe

No tots els sorolls resulten igualment molestos — la freqüència juga un paper important en com percebem el so:

La fatiga apareix a 80 dB en el rang de 2.000–4.000 Hz
A 5.000–6.000 Hz, tan sols 60 dB n’hi ha prou per causar fatiga
El soroll estructural (transmès per la carrosseria) es troba normalment per sota dels 500 Hz — percebut com un brunzit baix i ronc, principalment de la carretera i l’escapament
El soroll aeri domina per sobre de 1.000 Hz (alta freqüència per sobre de 800 Hz) — principalment del motor i l’aerodinàmica
L’oïda humana abasta de 20 Hz a 20.000 Hz; els entorns dins del cotxe solen implicar 30–8.500 Hz

Més enllà de la freqüència, també importa el caràcter del soroll. Hi ha sorolls de banda ampla (una barreja de freqüències) i sorolls tonals — sons específics i identificables com el xiulet del motor de la direcció assistida elèctrica o el sibilament del refrigerant en el sistema d’aire condicionat. Un sol cotxe pot produir centenars d’aquests tons diferenciats. Els bons fabricants els eliminen completament durant les proves en carretera — de vegades és més fàcil desplaçar un so a una freqüència menys irritant que eliminar-lo del tot.

Val la pena assenyalar que els mesuraments en decibels no sempre coincideixen amb la percepció subjectiva. L’oïda humana no és igualment sensible a totes les freqüències, i si bé els sonòmetres apliquen corbes de ponderació de freqüència per aproximar-se a la nostra audició, aquest mètode no és perfecte. Per això els fabricants d’automòbils sempre combinen mesuraments objectius amb sessions d’escolta expert subjectiva.

Cancel·lació activa del soroll en els vehicles moderns

Un dels desenvolupaments recents més comentats és la reducció activa del soroll (RAS), que utilitza els altaveus d’àudio del cotxe per generar ones sonores en fase oposada al soroll no desitjat — cancel·lant-les efectivament. En teoria, els dos sons es combinen fins al silenci.

A la pràctica, els sistemes actius s’enfronten a limitacions físiques reals:

Estan limitats tant en potència com en rang de freqüència
El soroll del motor i de la carretera arriba a les orelles dels ocupants en aproximadament 0,009 segons
Els millors sistemes actius responen en 0,002 segons — deixant una finestra estreta però imperfecta
La precisió en un ample espectre de freqüències continua sent un repte

Aquests sistemes milloraran indubtablement — però el risc és que el seu desenvolupament es converteixi en un substitut d’una enginyeria fonamental sòlida, en lloc d’un complement.

Normatives de soroll dels cotxes: el que exigeix la llei

Els nivells de soroll interior en els turismes no estan regulats ni a la UE ni als EUA — només el soroll exterior està subjecte a límits legals. Els fabricants estan motivats comercialment per mantenir els interiors silenciosos, però no hi ha cap mínim legal.

Rússia adopta un enfocament diferent. Durant la certificació del vehicle, el soroll interior es mesura mitjançant múltiples mètodes — incloent-hi a velocitat constant i durant l’acceleració. Els llindars generals són:

Turismes estàndard: màxim 77 dB
Monovolums i vehicles amb configuració familiar: fins a 79 dB
SUV (i alguns crossovers certificats com a tals): fins a 81 dB
Esportius de menys de 2 tones i més de 75 kW/t: es permet un excés de 4 dB
Cotxes que superen els 110 kW/t (≈150 cv/tona): provats únicament a velocitat constant

Les normatives inclouen prou excepcions per cobrir la majoria dels vehicles d’alt rendiment — però sorgeixen casos límit. El cupè Porsche 911 R, per exemple, va ser en un moment bloquejat del mercat rus específicament perquè no complia els requisits de certificació de soroll interior.

Reptes del NVH en els vehicles elèctrics i els cotxes del futur

Les noves tecnologies de vehicles estan creant nous reptes de NVH en lloc d’eliminar-los:

Els materials lleugers (aliatges d’alumini, compostos) redueixen la massa però augmenten la transmissió de soroll estructural
Els pneumàtics més amples ofereixen millor adherència i maniobrabilitat però generen més soroll de rodadura
Les estratègies de combustió orientades a l’eficiència poden fer que l’encesa dels cilindres sigui menys suau, augmentant la vibració del motor
Els motors elèctrics desplacen el soroll cap al rang incòmode de 5.000 Hz i introdueixen soroll electromagnètic — una banda de freqüència que els motors de combustió interna emmascaraven anteriorment
Sons que anteriorment quedaven emmascarats — com els moviments dels reguladors del sistema de climatització — es tornen perceptibles sense el soroll del motor per cobrir-los

En el futur dels vehicles autònoms, el confort acústic probablement es convertirà en un dels principals elements diferenciadors entre vehicles. Quan no hi ha cap tasca de conducció en la qual centrar-se, els passatgers es tornen molt més sensibles al soroll ambiental. Els enginyers que un cop van tractar el NVH com un refinament de darrera fase ara el tenen en compte des de les primeres decisions de disseny — i aquest canvi de prioritat és el canvi més important en com els cotxes moderns es fabriquen en silenci.