Бесшумная революция

Бесшумность — вот что в первую очередь удивляет наших соотечественников, которые впервые проехались в салоне новенькой иномарки. И хотя сегодня на нашем рынке автоуслуг предлагается немалое количество способов и средств для шумоизоляции салона автомобиля, ни одно из них не обеспечивает эффективной защиты от шумов, исходящих от работающего двигателя, колес, обтекающего кузов воздуха. Секрет бесшумности новых иномарок заключается в новых методах и средствах борьбы с этим недостатком, которые применяются еще на этапах проектирования и производства автомобиля. Проиллюстрируем это на примере автомобилей фирмы Opel.

Борьба с шумом в автомобиле вызвана желанием повысить комфорт в его салоне и обеспечить безопасность автомобиля, так как воздействие шума на водителя, особенно в течение длительного времени, вызывает усталость, расстройство нервной системы и как следствие — снижение реакции. Требования к шумности автомобиля установлены соответствующими законодательными документами. Так, в настоящее время в соответствии с требованиями евростандарта излучаемый автомобилем шум не должен превышать 74 дБ(А). Предыдущие требования, установленные в 1980 году, ограничивали эти показатели 80 дБ(А). Если сравнить на слух эту разницу, то окажется, что в 1980 году от одной легковушки было столько шума, сколько сейчас от четырех вместе взятых.

Однако борьба с шумом имеет и обратную сторону. Бесшумный автомобиль может оказаться еще более опасным, чем шумный. В полной тишине водитель теряет ощущение скорости автомобиля и мощности его двигателя, что иногда приводит к потере управляемости и другим негативным последствиям. Очень тихоходный автомобиль опасен и для пешеходов, которые могут не услышать надвигающуюся сзади опасность.

Последние модели автомобилей фирмы Opel — Astra, Vectra, Omega — имеют средний показатель уровня шумов 72,9 дБ(А), что более чем на 1 дБ(А) меньше установленных стандартом норм. Чтобы добиться такого результата, производителю этой марки машин потребовалось вложить огромные средства (в 1980 году 34 млн. марок) в создание специальной лаборатории в Центре технологического развития (TDC — Technical Development Center) по исследованию акустики автомобиля, оснащенной самым современным оборудованием, насчитывающей более 70-ти высококлассных специалистов-акустиков. В состав этой лаборатории входит одно из самых больших звуконепроницаемых помещений в мире. В комнате размером 20 х 16 м с помощью большого количества точно установленных микрофонов вне зависимости от погодных условий измеряются шумы, излучаемые механизмами и системами автомобиля.

До этого времени борьбой с шумом в фирме Opel занималось созданное в 1969 году отделение акустики при центре технического развития фирмы, в штат которого входило всего 20 человек. Акустическая настройка автомобиля в то время прежде всего зависела от чувствительности барабанных перепонок долго служащего технического персонала и количества установленного изоляционного материала. Сегодня эти функции выполняет специальное акустическое оборудование, которое позволяет инженерам анализировать шумы и вибрации подвески и выхлопной системы по отдельности.

Колебания и шумы в природе исходят от различных источников, имеют разную частоту, тон и могут распространяться в твердом теле — в виде вибраций, и в воздухе — как аэродинамический шум, т.е. хаотичные колебания воздуха. В автомобиле имеется три основных источника шума, которые и являются причиной нежелательного, а иногда и опасного акустического сопровождения. Во-первых, это поток воздуха, который обтекает кузов автомобиля, а точнее, его элементы — передние стойки, проемы дверей и лобовых стекол, наружные зеркала заднего вида. Источником повышенных шумов являются раздвижные крыши, люки и всевозможное дополнительное оборудование, в том числе багажники на крыше, спойлеры.

Во-вторых, двигатель с системой выпуска отработавших газов, агрегаты и узлы трансмиссии и органов управления. Уровень шумов и вибраций в этом случае напрямую зависит от точности и качества изготовления деталей механизмов, зазоров в сопряженных деталях, подшипниках и т.д.

Немало шума исходит и от контактирующих с поверхностью дороги шин автомобиля. В зависимости от формы рисунка протектора, его профиля, характеристик дорожного покрытия диапазон шумов может быть довольно широким — от низкочастотных до высокочастотных. Кроме того, источником шума и вибраций в автомобиле является и подвеска, которая реагирует на все неровности дороги и снижает передачу ударных нагрузок на кузов автомобиля.

Испытания

Работу над понижением уровня шумов и вибраций инженеры фирмы Opel начинают еще на стадии проектирования автомобиля путем моделирования колебательных процессов на компьютере. Специалисты-акустики ставят перед собой две задачи — подавить колебания, возникающие в узлах и агрегатах, являющиеся источниками вибраций и шумов, и сориентировать эти колебания в нужном направлении. Моделирование и анализ колебательных процессов на компьютере позволяет определить параметры твердых структур заблаговременно до внедрения проекта в металл

Испытания акустических характеристик уже воплощенного в жизнь проекта — т.е. изготовленного опытного образца автомобиля — проводят в звукоизолированной, экранированной или, как ее еще называют, безэховой камере на беговых барабанах. Установленный в камере специальный прибор стоимостью 10 млн. марок позволяет проводить испытания привода автомобиля. В отличие от обычных измерительных приборов, его главное преимущество состоит в том, что он позволяет исследовать привод автомобиля, систему выпуска отработавших газов независимо от кузова, который искажает распространяющиеся от агрегатов и систем колебания. Для этого на беговые барабаны устанавливается только несущая часть кузова со всем навесным оборудованием: силовой установкой, трансмиссией, подвесками, что значительно облегчает установку различных датчиков и микрофонов для измерения уровней шумов.

Стены этой уникальной камеры изготовлены из минеральной ваты толщиной 1,2 метра, что полностью исключает проникновение посторонних шумов снаружи и отражение колебаний от стен. Для поддержания необходимого температурного режима в ходе всего периода проведения испытаний камера оборудована вентиляционной системой с протоком воздуха 33000 м3/ч и системой охлаждения. Все это дает возможность имитировать испытания автомобиля в движении, исключая при этом влияние погодных условий.

Беговые барабаны установленного в камере испытательного стенда позволяют имитировать скорость автомобиля до 200 км/час, но при этом еще изменять рабочие поверхности качения — барабанов, повторяя таким образом различные типы дорожного покрытия. Этот стенд дает возможность проводить испытания передне-, задне- и полноприводных автомобилей при полных, частичных нагрузках и на холостых оборотах. Для измерения уровня шумов в качестве чувствительного элемента используется бинауральный (binaurally: bini — два; auris — ухо) прибор с высокочувствительными микрофонами, который вмонтирован в манекен человека и является прототипом органов слуха человека.

Испытания работы подвески в отдельности, а также вместе с кузовом и двигателем, измерение передающихся на кузов вибраций проводят на специальном гидравлическом вибростенде. Колеса автомобиля устанавливаются на четыре гидроцилиндра, каждый из которых управляется индивидуальным компьютером, а в процессе испытаний перемещаются независимо друг от друга и с различной амплитудой и частотой (до 100 Гц). Здесь инженеры могут проанализировать работу подвески при движении автомобиля по дорогам с различным качеством покрытия, определить недостатки и пути их устранения. Чтобы избежать передачи вибраций на здание, в котором установлен стенд, гидроцилиндры установлены на собственный 134-тонный фундамент с воздушной подушкой.

Для измерения величины колебаний на сегодняшний день используется голографический метод, не требующий непосредственного контакта измерительных инструментов с испытуемым объектом. Принцип его работы заключается в следующем: для получения в конструкции колебательных процессов на изучаемый элемент кузова или на кузов в целом устанавливают один или несколько электромагнитных вибраторов; через систему линз с зеркалами изучаемый элемент подсвечивается вспышками двух лазеров длительностью 30 наносекунд (30 миллиардных долей секунды); колебания, выраженные в виде вибраций, при этом фиксируются специальной камерой, которая воспроизводит их в виде двух голограмм. В дальнейшем анализируя эти голограммы специалисты-акустики определяют размер, тип деформаций и наличие критических точек, что позволяет давать рекомендации конструкторам и технологам по усовершенствованию тех или иных деталей кузова.

Кроме различных лабораторных испытаний, проводятся и дорожные испытания автомобиля на открытом воздухе. На тестовой площадке длиной 20 м на расстоянии 7,5 м от осевой линии два ряда микрофонов (по 14 штук в каждом) записывают уровень шумов при максимальном ускорении автомобиля со скорости 50 км/ч на 2-й и 3-й передачах.

Новый метод борьбы с шумом

В поисках новых путей борьбы с шумом в своих автомобилях специалисты фирмы Opel пришли к так называемому методу активного гашения шума (Active Noise Control — ANC), который является весьма эффективным и приемлемым для использования в автомобилях. Заключается этот метод в наложении на существующие нежелательные колебания противоколебаний такой же амплитуды и частоты, но со сдвигом фаз на 1800.

Установленная на автомобиль система ANC включает в себя три основных элемента — гаситель шума, микрофоны и модуль управления. Гашение шума осуществляется следующим образом: установленные в салоне микрофоны регистрируют акустические колебания, генерируемые, например, двигателем; модуль управления при этом мгновенно обрабатывает полученную информацию и определяет необходимые характеристики волн гашения шума; далее в работу вступает гаситель шума, который через динамики аудиосистемы автомобиля производит зеркально отраженные противоволны. В итоге колебательные процессы складываются и на диаграмме принимают форму прямой, наложенной на осевую. На практике сидящие в салоне автомобиля пассажиры защищены от воздействия шумов второго порядка, генерируемых двигателем, трансмиссией, системами впуска воздуха и выпуска отработавших газов.

Применительно к автомобилям Opel метод гашения шумов ANC позволил инженерам снизить интенсивность шума четырехцилиндровых двигателей до 10 дБ(А) — достаточно высокий результат, значительно превышающий другие методы борьбы с шумностью двигателей, такими, например, как применение уравновешивающих валов. Благодаря этому методу уже в скором будущем это позволит производителям автомобилей отказаться от применения шумоизоляционных материалов, что снизит вес автомобиля и, соответственно, уменьшит расход топлива.

Проводятся в Центре технологического развития исследования и в таком перспективном направлении, как «психоакустика». Заключается оно в обеспечении условий работы агрегатов и систем, которые были бы приятны для восприятия, т.е. не вызывали негативных последствий и носилии бы характер обратной связи. Последняя характеристика важна с точки зрения безопасности автомобиля, так как позволяет водителю не терять чувство скорости, запас мощности двигателя и т.д.

Юрий Дацык

Автоцентр

Метки: Active Noise Control ANC Opel TDC Technical Development Center

Похожие

Яндекс.Метрика