Hvernig á að draga úr hávaða og titringi í bíl á skilvirkan hátt

Allir bílstjórar meta mismunandi hluti í bíl — sumir leggja áherslu á rúm í farþegarými, aðrir þrá nákvæma stjórnun. En hljóðrænt þægindi er eitthvað sem allir hafa áhyggjur af. Þú þarft ekki að vera verkfræðingur til að vita þegar bíll er of hávær; það kemur í ljós á fyrstu mínútunum á akstrinum. Ólíkt akstursgæðum eða hemlunargáfum gerir hávaði strax þrýsting. Í bílaiðnaðinum er þetta svæði þekkt undir sameinuðu hugtak: NVH — Hávaði, Titringur og Grófleiki (Noise, Vibration, and Harshness).

Hvað er NVH og hvers vegna skiptir það máli fyrir aksturslegt þægindi

NVH stendur fyrir Hávaða, Titring og Grófleika — þrjú líkamleg fyrirbæri sem hafa mest bein áhrif á hvernig þægilegt (eða óþægilegt) er að aka bíl. Þegar NVH-gildi eru léleg eru áhrifin á mannslíkamann raunveruleg og mælanleg:

Taugakerfið og heilinn verða ofhlaðin
Einbeiting og viðbragðstími minnka
Almenn meðvitund og líkamlegur tónn lækkar
Langar ferðir verða mun þreytandi

Þetta er einmitt ástæðan fyrir því að nútíma hljóðlátar bílar eru mun minna þreytandi á löngum ferðum. Hins vegar væri mistök að halda að það að bæta við meiri hljóðeinangrun leysi vandann. Í raun er hljóðeinangrun síðasta varnarlínan — og ekki alltaf sú áhrifaríkasta. Hér er hvers vegna.

Helstu uppsprettur hávaða og titrings í bíl

Til að skilja hvernig á að þagga niður hávaða í bíl þarftu fyrst að vita hvaðan þeir koma. Þó að það séu tugi mögulegar uppsprettur í hvaða ökutæki sem er, eru þær ráðandi:

Vélin og útblásturskerfið
Rúllandi dekk
Loftfræðilegt loftstreymi kringum karosseríið

Hlutfallslegt framlag hverrar uppsprettu breytist með hraðanum. Við borgarhraða er drifkerfið ráðandi. Á þjóðveginum við 90–100 km/klst. stuðla allar uppsprettur nokkurn veginn jafnt. Yfir 120–130 km/klst. yfirtaka loftfræðilegar og vegatengar truflanir. Einfalt sagt: hávaði myndast af titringi, og sá titringur er líkamlega skaðlegur — bæði fyrir farþega og vélræna hluta ökutækisins.

Hvernig hávaði berst um ökutæki

Sérhver hávaðauppspretta — eins og vélin — breiðist út um bílinn á tvo aðskilda vegu:

Uppbyggingarlega — í gegnum líkamlegar titringar í líkamsplötum og byggingareiningum tengdum uppsprettunni
Hljóðfræðilega — beint í gegnum loftið, þar á meðal í gegnum sprungur og plötur

Að skilja þessar tvær leiðir er nauðsynlegt, þar sem sérhver þeirra krefst annarrar þagganastefnu.

Þriggja þrepa forgangsaðferðin við hávaðaminnkun

Bílaverkfræðingar takast á við NVH í stranga forgangsröð. Hljóðeinangrun — aðferðin sem flestir tengja við „að gera bíl hljóðlátari” — er í raun í síðasta sæti:

Draga úr styrk við uppsprettuna — lágmarka hversu mikill hávaði og titringur myndast til að byrja með
Minnka uppbyggingarlega framsendingu — koma í veg fyrir að titringur dreifist um karosseríið og byggingarlegar einingar
Nota hljóðeinangrun — fanga loftborinn hávaða sem þegar hefur myndast og borist

Ef fyrstu tvö skrefin eru framkvæmd vel þarf tiltölulega lítið af hljóðeinangrunarefni. Þetta er ekki bara verkfræðilegt val — það sparar þyngd, kostnað og eldsneyti.

Hvernig verkfræðingar draga úr vél- og útblástrarhávaða við uppsprettuna

Þaggun vélarhávaða hefst löngu áður en nokkurt einangrunarefni er borið á. Lykilverkfræðilegar aðferðir eru meðal annars:

Fínstilling brunaferlis til að vera eins slétt og stýrt og mögulegt er
Hönnun helstu þátta — strokkabekkjarins, lokahlífarinnar og olíupottarins — þannig að þeir fari ekki í hljóðraun í takt við vélarhringinn
Notkun plasts og hávaðafrásogandi efna beint á vélhluta
Innilokkun allrar vélarinnar þar sem pakkning leyfir
Nýting hvata og agnasíu, sem að auki jafna útblásturgaspúls og draga úr útblástrarhávaða

Vélarfestingar: Að loka fyrir titring áður en hann nær karosseríinu

Þegar titringur yfirgefur vélina verður að stöðva hann áður en hann nær karosseríinu. Vélarfestingar eru aðalhindrunin. Festingarpunktar þeirra eru vandlega valdir til að forðast að örva hljóðraunir karosseríans — lærdómur sem nam á þeim dýra leikskóla með snemmbúnum framleiðslulíkönum eins og VAZ-2108, sem þjáðist af óþægilegum tomgangstitringi vegna illa staðsettar framfestingar. Lausnin þá var að mýkja festinguna, sem leiddi af sér nýtt sett af vandamálum.

Nútíma vélarfestingartækni hefur þróast verulega:

Vökvafestingar — sameina teygni og deyfingu, svipað og par af gormi og höggdeyfi
Virkar festingar — mynda gagnfasa hreyfingu til að eyða titringi, eða stilla stífleika kvikt eftir akstursskilyrðum

Uppbygging karosseríans og hljóðraunastýring

Sérhver titringur sem kemst framhjá vélarfestingunum verður að vera stjórnað af uppbyggingu karosseríans sjálfs. Þvert á hugsunarfar er hámarks stíft karossería ekki sjálfkrafa hljóðlátt. Þó að stíf, einliða smíð geti dregið úr hljóðraunum getur hún einnig aukið uppbyggingarlega hávaðaframsendingu.

Bílaverkfræðingar einblína á hljóðraunartíðnir frekar en hrát snúningsþol. Markmið er ekki að þrýsta tíðnum eins hátt eða lágt og mögulegt er — heldur að staðsetja þær nákvæmlega þannig að þær falli ekki saman við tíðnir sem mynda dekk, fjöðrun, vél og aðrar titringuppsprettur. Allt ökutækið er meðhöndlað sem eitt flókið titringkerfi.

Uppbyggingarlegar ráðstafanir til að stjórna hljóðraunum karosseríans eru meðal annars:

Stíflustaðir og stansaðar styrktarplötur, jafnvel á plötum sem bera ekki álag
Háþreksstál og hitameðhöndlað stál
Rúllaðar plötur með breytilegri þykkt
Límtenging líkamshluta
Titringsdeyðar — stíft eða mjúkt festar massaeiningur sem færa náttúrulega tíðni plötu í burtu frá vandræðalegum sviðum. Þriggja kílógrams steypujárnsstaur falin inni í framhlíf er ekki mistök — það er nákvæmlega verkfræðileg lausn
Froða sprautað í líkamshólf á reiknuðum stöðum
Bítumsmottur bornir á flatar plötur með vali (ekki af handahófi, eins og í eftirmarkaðsuppsetningum)
Lágmörkun á gattum og bilum í eldveggnum, þar sem allar eftirstandandi opnur eru vandlega insiglað

Dekksskoðun

Hljóðeinangrun: Áhrifarík þegar notuð með vali

Aðeins eftir að allar uppbyggingarlegar og uppsprettustigsráðstafanir hafa verið tæmdar er skynsamlegt að bæta við hljóðeinangrun. Þegar fyrri skrefin eru framkvæmd rétt þarftu í raun mjög lítið af henni. Þekkt dæmi: sjöunda kynslóðar Volkswagen Golf notaði fjórum kílógrömm minna einangrunarefni en forveri hans, þökk sé betri uppstreymisverkfræði.

Nútíma hljóðrænar klæðningar og teppisamsetningar eru nákvæmlega mótaðar til að passa við nákvæmar útlínur eldveggs og gólfs. Sumt innra yfirþekja er óumflýjanlegt — það veitir einnig hitaeinangrun. En ef þú tekur eftir berum málmi kringum varadekksholið í skottinu er það ekki ráðstöfun til að spara kostnað — það er merki um að framleiðandinn var viss um að hávaðinn væri þegar vel stjórnað.

Varnaðarorð um eftirmarkaðshljóðdeyðingu: að bæta við aukastrúturum í eigin bíl hefur áhrif, en það er sjaldan hagkvæmt. Þú munt eyða talsvert í efni og vinnu og ná kannski einni eða tveimur desíbel í framfara, en bæta um leið tugum kílógrama af varanlegri þyngd við — sem eykur eldsneytisnotkun.

Að skilja hljóðtíðnir í bíl

Ekki er allur hávaði jafn ertandi — tíðni gegnir lykilhlutverki í hvernig við skynjum hljóð:

Þreyta kemur fram við 80 dB á 2.000–4.000 Hz sviðinu
Við 5.000–6.000 Hz er aðeins 60 dB nóg til að valda þreytu
Uppbyggingarlegt (karossería-sent) hávaði er venjulega undir 500 Hz — skynjað sem lágt, daufar tónsveiflur, aðallega frá veginum og útblástri
Loftborinn hávaði ræður ríkjum yfir 1.000 Hz (há tíðni yfir 800 Hz) — aðallega frá vél og loftfræði
Mannleg heyrn nær yfir 20 Hz til 20.000 Hz; í bílumhverfi eru venjulega um 30–8.500 Hz

Utan tíðni skiptir eðli hávaðans einnig máli. Það eru breiðbandshávaðar (blanda af tíðnum) og tónhávaðar — sérstök, þekkjanleg hljóð eins og hvín rafknúinnar stýrisvélar eða blístur kælimiðils í loftræstikerfi. Einn bíll getur framleitt hundruð slíkra sérstakra tóna. Góðir framleiðendur eyða þessum algjörlega meðan á vegprófunum stendur — stundum er auðveldara að færa hljóð yfir á minna ertandi tíðni en að eyða því algjörlega.

Það er vert að hafa í huga að desíbelmælingar passa ekki alltaf við huglæga skynjun. Mannleg heyrn er ekki jafn næm á öllum tíðnum, og þó að hávaðamælar beiti tíðnivigtunarkúrfum til að nálgast heyrn okkar er þessi aðferð ekki fullkomin. Þess vegna sameina bílaframleiðendur alltaf hlutlægar mælingar við huglægar sérfræðingahlustanarlotur.

Virk hávaðaeyðing í nútíma ökutækjum

Eitt af þeim þróunum sem mest er rætt um að undanförnu er virk hávaðaminnkun (ANR — Active Noise Reduction), sem notar hátalara bílsins til að mynda hljóðbylgjur í gagnstæðri fasa við óæskilegan hávaða — og eyðir þannig í raun. Í kenningunni sameinast hljóðin tvö í þögn.

Í reynd standa virk kerfi frammi fyrir raunverulegum líkamlegum takmörkunum:

Þau eru takmörkuð bæði í afli og tíðnisviði
Vél- og vegahávaði nær eyrum farþega á um 0,009 sekúndum
Bestu virku kerfin svara á 0,002 sekúndum — og skilja eftir þröngt en ófullkomið svigrúm
Nákvæmni yfir breitt tíðnisvið er enn áskorun

Þessi kerfi munu án efa batna — en hættan er sú að þróun þeirra verði staðgengill fyrir hljóðlegar grundvallarverkfræðilegar lausnir, frekar en viðbót við þær.

Hávaðareglugerðir fyrir bíla: Hvað lög krefjast

Innanhúss hávaðastig í fólksbílum er óreglulægt bæði í Evrópusambandinu (ESB) og Bandaríkjunum — aðeins útihljóð er háð lagalegum mörkum. Framleiðendur hafa viðskiptalegan hvata til að halda innri rými þægilegt, en það er ekkert lögbundið gólf.

Rússland hefur aðra nálgun. Við vottun ökutækja er innanhúss hávaði mældur með mörgum aðferðum — þar á meðal við fastan hraða og við hröðun. Almennar þröskuldar eru:

Venjulegir fólksbílar: hámark 77 dB
Smábifreiðar og vagnalagabílar: allt að 79 dB
Jeppar (og sumir crossover-bílar vottuðir sem slíkir): allt að 81 dB
Íþróttabílar undir 2 tonnum með yfir 75 kW/t: heimilt er 4 dB umfram
Bílar sem fara yfir 110 kW/t (≈150 hestöfl/tonn): aðeins prófaðir við fastan hraða

Reglugerðirnar innihalda nóg undantekningar til að ná yfir flestar frammistöðubílar — en jaðartilfelli koma upp. Porsche 911 R coupé var til dæmis á einum tímapunkti lokaður af rússneska markaðnum sérstaklega vegna þess að hann uppfyllti ekki kröfur innri hávaðavottunar.

NVH-áskoranir í rafbílum og framtíðarökutækjum

Ný ökutækjatækni skapar nýjar NVH-áskoranir frekar en að eyða þeim:

Léttir efniviður (álblendi, samsett efni) dregur úr massa en eykur uppbyggingarlega hávaðaframsendingu
Breiðari dekk bjóða upp á betri grip og stjórnun en mynda meira vegahávaða
Hagkvæmnismiðaðar brennsluaðferðir geta gert strokkaíkveikju minna slétta og aukið vélatitring
Rafmótorar færa hávaða yfir á óþægilegt 5.000 Hz svið og kynna til sögunnar rafsegulhávaða — tíðnisvið sem brunahreyflarnir huldu áður
Áður huldir hljóðar — eins og hreyfingar loftræstingarloka — verða áberandi án vélarhávaða til að hylja þá

Í sjálfakstursframtíðinni mun hljóðrænt þægindi líklega verða eitt af helstu aðgreiningunum milli ökutækja. Þegar enginn akstursvandi er til að einbeita sér að verða farþegar mun næmari á umhverfishávaða. Verkfræðingar sem einu sinni meðhöndluðu NVH sem síðstigsfínpússningu eru nú að taka tillit til þess frá fyrstu skipulagsákvörðununum — og sú breyting á forgangsröðun er einstaka mikilvægasta breytingin í hvernig nútíma bílar eru gerðir hljóðlátar.