Kuidas tõhusalt summutada auto müra ja vibratsioone

Iga juht hindab autos erinevaid asju — mõni eelistab ruumi salongis, teine aga täpset käitumist. Akustiline mugavus on aga midagi, mis on oluline kõigile. Pole vaja olla insener, et aru saada, millal auto on liiga lärmakas — selleks piisab esimestest sõiduminutitest. Erinevalt sõidumugavusest või piduritõhususest jätab müra kohe mulje. Autotööstuses hõlmab seda valdkonda ühtne mõiste: NVH — müra, vibratsioon ja karedus (ingl. k. Noise, Vibration, and Harshness).

Mis on NVH ja miks see sõidumugavuse jaoks oluline on

NVH tähistab müra, vibratsiooni ja karedust — kolme füüsikalist nähtust, mis mõjutavad kõige vahetumalt seda, kui meeldiv (või ebameeldiv) on autot juhtida. Kui NVH tase on halb, on mõjud inimkehale reaalsed ja mõõdetavad:

Närvisüsteem ja aju koormatakse üle
Keskendumisvõime ja reaktsiooniaeg halvenevad
Üldine erksus ja füüsiline toonus langevad
Pikad sõidud muutuvad märkimisväärselt väsitavamaks

Just seetõttu tunnevad tänapäeva vaiksemad autod pikkadel sõitudel palju vähem kurnavad. Samas oleks viga arvata, et rohkema helisoojustuse lisamine probleemi lahendab. Tegelikult on helisoojustus viimane kaitseliin — ja mitte alati kõige tõhusam. Siin on põhjus.

Auto müra ja vibratsioonide peamised allikad

Et mõista, kuidas auto müra summutada, tuleb esmalt teada, kust see pärineb. Kuigi igas sõidukis on kümneid võimalikke allikaid, on valdavad neist:

Mootor ja heitgaasisüsteem
Veerevad rehvid
Aerodunaamiline õhuvool ümber kere

Iga allika suhteline osakaal muutub sõltuvalt kiirusest. Linnakiiruste puhul domineerib jõuülekanne. Maanteel kiirusel 90–100 km/h panustavad kõik allikad ligikaudu võrdselt. Üle 120–130 km/h hakkavad üle kanduma aerodünaamilised ja teest tulenevad häired. Lihtsamalt öeldes: müra tekitavad vibratsioonid ja need vibratsioonid on füüsiliselt kahjulikud — nii sõitjatele kui ka sõiduki mehhaanilistele osadele.

Kuidas müra autos levib

Iga müra allikas — näiteks mootor — levib autos kahel erineval viisil:

Struktuurse tee kaudu — füüsiliste vibratsioonidena kere paneelidesse ja konstruktsioonielementidesse, mis on allikaga ühendatud
Akustilise tee kaudu — otse läbi õhu, sealhulgas läbi pragude ja paneelidee

Nende kahe levitee mõistmine on oluline, sest kumbki nõuab erinevat summutamisstrateegiat.

Müravähenduse kolmeastmeline prioriteetne lähenemine

Autotööstuse insenerid tegelevad NVH-ga ranges prioriteetjärjekorras. Helisoojustus — lähenemisviis, mida enamik inimesi seostab „auto vaiksemaks muutmisega” — on tegelikult viimases kohas:

Vähenda intensiivsust allika juures — minimeeri juba tekitatava müra ja vibratsiooni hulka
Nõrgenda struktuurset ülekandumist — takista vibratsioonide levimist läbi kere ja konstruktsioonielementide
Rakenda helisoojustust — püüa kinni õhuleviv müra, mis on juba tekkinud ja edasi kandunud

Kui kaks esimest sammu on hästi teostatud, on vaja suhteliselt vähe helisoojustusmaterjali. See ei ole pelgalt inseneride eelistus — see säästab kaalu, kulu ja kütust.

Kuidas insenerid vähendavad mootori ja heitgaaside müra allika juures

Mootori mürasummutus algab ammu enne mis tahes soojustusmaterjali paigaldamist. Peamised insenerilahendused hõlmavad:

Põlemisprotsessi optimeerimine, et see oleks võimalikult sile ja kontrollitud
Põhikomponentide projekteerimine — silindrite plokk, klapikate ja õlivann — nii, et need ei resoneeriks mootori tsükliga sünkroonselt
Plastist ja müra neelavate materjalide kasutamine otse mootori komponentidel
Kogu mootori kapseldamine, kus paigutus seda lubab
Katalüsaatorite ja tahkeosakeste filtrite kasutamine, mis muuseas siluvad heitgaaside pulsatsioone ja vähendavad väljalaskemüra

Mootori kinnitused: vibratsiooni blokeerimine enne kereni jõudmist

Kui vibratsioon on mootorist lahkunud, tuleb see peatada enne kere saavutamist. Mootori kinnitused on peamine barjäär. Nende kinnituspunktid valitakse hoolikalt, et vältida kere resonantside esilekutsumist — õppetund, mis saadi raskel moel varaste tootmismudelitega nagu VAZ-2108, mis kannatas ebamugavate tühikäiguvibratsioonide all halvasti paigutatud esimese kinnituse tõttu. Tollane lahendus oli kinnitust pehmendada, mis tekitas uusi probleeme.

Tänapäevane mootori kinnitamise tehnoloogia on märkimisväärselt arenenud:

Hüdraulilised kinnitused — ühendavad elastsuse ja summutuse, sarnaselt vedru-amortisaatori paarile
Aktiivsed kinnitused — tekitavad vastufaasset liikumist vibratsioonide neutraliseerimiseks või kohandavad jäikust dünaamiliselt vastavalt sõidutingimustele

Kere struktuur ja resonantsi juhtimine

Kõiki vibratsioone, mis läbivad mootori kinnitused, peab haldama kere struktuur ise. Vastupidiselt ootustele ei tähenda maksimaalselt jäik kere automaatselt vaikset autot. Kuigi jäik, monoliitne konstruktsioon võib vähendada resonantsi, võib see ka suurendada struktuurset müra ülekandumist.

Autotööstuse insenerid keskenduvad resonantssagedustele, mitte toorele torsioonijäikusele. Eesmärk ei ole lükata sagedused nii kõrgele või madalale kui võimalik — vaid paigutada need täpselt nii, et need ei langeks kokku rehvide, vedrustuse, mootori ja teiste vibratsiooniallikate poolt tekitatud sagedustega. Kogu sõidukit käsitletakse ühe keeruka vibratsioonisüsteemina.

Kere resonantsi juhtimiseks kasutatavad struktuurimeetmed hõlmavad:

Jäigastusribasid ja pressitud tugevdusplaate ka mitte-kandjatel paneelidel
Kõrgtugevaid ja kuumtöödeldud teraseid
Muutuva paksusega valtsitud paneele
Kere komponentide liimimist
Vibratsioonisummuteid — jäigalt või pehmelt kinnitatud massid, mis nihutavad paneeli loomulikku sagedust problemaatilistest vahemikest eemale. Kolme kilogrammine malm-riba esipõkkeris peidus ei ole viga — see on täpselt arvutatud lahendus
Vaht, mis süstitakse kere õõnsustesse arvutatud kohtades
Bituumenmatid, mis paigaldatakse valikuliselt tasastele paneelidele (mitte kõikjale, nagu järelturul tehakse)
Tulemüüri läbiviikude ja pragude minimeerimine, kõik allesjäänud avad hoolikalt tihendatuna

Rehvi kontroll

Helisoojustus: tõhus, kui kasutatakse valikuliselt

Alles pärast kõigi struktuuriliste ja allika tasandi meetmete ammendamist on mõtet lisada helisoojustust. Kui eelnevad sammud on õigesti teostatud, on seda tegelikult väga vähe vaja. Tuntud näide: seitsmenda põlvkonna Volkswagen Golf kasutas neli kilogrammi vähem soojustusmaterjali kui eelmine mudel, tänu paremale eelnevale insenertehnilisele tööle.

Tänapäevased akustilised vooderdised ja põrandakatted on täpselt vormitud vastama tulemüüri ja põranda täpsele profiilikujule. Teatud sisevooder on vältimatu — see täidab ka soojusisolatsiooni ülesannet. Kuid kui märkad pagasiruumis varupatta ümber paljast metalli, ei ole see kokkuhoidmise märk — see on tõend, et tootja oli kindel, et müra on juba hästi kontrolli all.

Hoiatus järelturu helisoojustuse kohta: lisamatide paigaldamine oma autosse avaldab küll mõju, kuid see on harva kulutõhus. Kulutad materjalidele ja tööle märkimisväärselt, saades vastu ehk ühe-kahe detsibelli võiduи, lisades samal ajal kümneid kilogramme püsivat kaalu — mis suurendab kütusekulu.

Helisageduste mõistmine autos

Kõik mürad ei ole võrdselt tüütavad — sagedus mängib olulist rolli selles, kuidas heli tajume:

Väsimus tekib 80 dB juures vahemikus 2 000–4 000 Hz
5 000–6 000 Hz juures piisab väsimuse tekitamiseks juba 60 dB-st
Struktuurne (kere kaudu leviv) müra on tavaliselt alla 500 Hz — tajutav madala, müriseva urinana, peamiselt teelt ja heitgaasidelt
Õhuleviv müra domineerib üle 1 000 Hz (kõrgsagedus üle 800 Hz) — peamiselt mootorist ja aerodünaamikast
Inimkuulmine ulatub 20 Hz-st 20 000 Hz-ni; autosisestes keskkondades on tavaliselt tegemist 30–8 500 Hz vahemikuga

Peale sageduse on oluline ka müra iseloom. On lairibahelisid (sageduste segu) ja tonaalseid helisid — konkreetsed, äratuntavad helid nagu elektrilise roolivõimendi uin või konditsioneerisüsteemi jahutusaine sisin. Üks auto võib toota sadu selliseid erinevaid toone. Head tootjad kõrvaldavad need teekatsetel täielikult — mõnikord on lihtsam nihutada heli vähem ärritavasse sagedusalasse, kui seda täielikult kõrvaldada.

Tuleb märkida, et detsibellimõõtmised ei vasta alati subjektiivsele tajule. Inimkuulmine ei ole kõigi sageduste suhtes võrdselt tundlik ja kuigi müramõõturid kasutavad sageduskaalu kõvereid meie kuulmise ligikaudseks jäljendamiseks, pole see meetod täiuslik. Seetõttu kombineerivad autotootjad alati objektiivseid mõõtmisi subjektiivsete ekspertkuulamisseansside-ga.

Aktiivne mürasummutus kaasaegsetes sõidukites

Üks enimräägitud hiljutistest arengutest on aktiivne mürasummutus (ANR), mis kasutab auto audiokõlareid soovimatu müra suhtes vastupidise faasiga helilainete tekitamiseks — summutades need tõhusalt. Teoreetiliselt liituvad kaks heli vaikuseks.

Praktikas seisavad aktiivsed süsteemid reaalsete füüsikaliste piirangutega silmitsi:

Need on piiratud nii võimsuse kui ka sagedusala poolest
Mootori- ja teemüra jõuab reisijate kõrvadeni ligikaudu 0,009 sekundiga
Parimad aktiivsed süsteemid reageerivad 0,002 sekundiga — jättes kitsa, kuid mittetäiusliku ajavahemiku
Täpsus laia sagedusala ulatuses jääb väljakutseks

Need süsteemid paranevad kahtlemata — kuid oht on, et nende arendamine asendab korraliku põhiinsenertehnilise töö, selle asemel et seda täiendada.

Auto müranormid: mida seadus nõuab

Sõiduautode salongi müratase on reguleerimata nii Euroopa Liidus kui ka USAs — ainult väline müra on seaduslike piirangute all. Tootjatel on äriline motivatsioon hoida saloon vaiksena, kuid seaduslikku alampiiri ei ole.

Venemaa kasutab teistsugust lähenemist. Sõiduki sertifitseerimisel mõõdetakse salongi müra mitmete meetoditega — sealhulgas konstantsel kiirusel ja kiirendamisel. Üldised lävendid on:

Tavapärased sõiduautod: maksimaalselt 77 dB
Väikebussid ja universaalkere sõidukid: kuni 79 dB
Maasturid (ja mõned sellisena sertifitseeritud linnmaasturid): kuni 81 dB
Spordiautod alla 2 tonni ja üle 75 kW/t: lubatud 4 dB ületamine
Autod, mis ületavad 110 kW/t (≈150 hj/tonn): testitakse ainult konstantsel kiirusel

Normid sisaldavad piisavalt erandeid enamiku sportautode jaoks — kuid äärmuslikke juhtumeid esineb. Porsche 911 R kupee näiteks oli ühel hetkel Venemaa turult blokeeritud just seetõttu, et see ei vastanud salongi müra sertifitseerimisnõuetele.

NVH väljakutsed elektrisõidukites ja tuleviku autodes

Uued sõidukitehnoloogiad loovad uusi NVH väljakutseid, mitte ei kõrvalda neid:

Kergmaterjalid (alumiiniumsulamid, komposiidid) vähendavad massi, kuid suurendavad struktuurset müra ülekandumist
Laiemad rehvid pakuvad paremat haaret ja käitumist, kuid tekitavad rohkem teemüra
Tõhususele suunatud põlemisstrateegiad võivad muuta silindrite töö vähem sujuvaks, suurendades mootori vibratsiooni
Elektrimootorid nihutavad müra ebamugavasse 5 000 Hz vahemikku ja toovad kaasa elektromagnetilise müra — sagedusvahemiku, mida sisepõlemismootorid varem varjasid
Varem varjatud helid — nagu kliimaseadme klapiliigutused — muutuvad märgatavaks, kui mootorihelil pole neid enam katta

Isejuhtivate autode ajastul saab akustiline mugavus tõenäoliselt üheks peamiseks sõidukite eristavaks teguriks. Kui pole juhtimisülesannet, millele keskenduda, muutuvad reisijad ümbritseva müra suhtes palju tundlikumaks. Insenerid, kes kunagi käsitlesid NVH-d hilise viimistlusetapina, arvestavad sellega nüüd juba esimestest paigutamisotsustest alates — ja see prioriteetide muutus on kõige olulisem muutus selles, kuidas tänapäevaseid autosid vaikseks tehakse.