Zaj- és rezgéskomfort, a régi-új tudományterület

Különösebb magyarázat nélkül is nyilvánvaló, hogy a járműépítés és a járműfejlesztés rengeteg ismeretet kíván, mégpedig szerteágazó tudományágakból. Ahogy haladunk előre az időben és bővül a szakemberek tudásköre, ezzel egy ütemben a szükséges tudás szerteágazósága is egyre nagyobb méreteket ölt. Ennek köszönhető, hogy ma már megkerülhetetlen, hogy egy autó fejlesztése során figyelembe vegyék az autó zaj- és rezgéskomfortját, melyet az angolszász terminológiában NVH-nek rövidítünk.

Ebben a cikkben a fenti témakört mutatjuk be.

Mi az, hogy NVH?

A mozaikszó három kifejezésből áll össze: Noie, Vibration, Harshness. A tudományterület feladata, hogy a nemkívánatos zajt, vibrációt és nyersességet kiiktassa a jármű belteréből – vagy az autóból bárhonnan. Az első kettő egészen jól mérhető megfelelő műszerezettség mellett, az utolsó viszont egy viszonylag szubjektív tulajdonság, nem mutatható ki számszerűen. Ennélfogva inkább ember elemző módszerekkel mérik, melyek a pszichoakusztika eszköztárához tartoznak.

Megkülönbözhetünk külső és belső NVH-t. Utóbbi az utasok és a vezető menetkomfortján segít, míg a külső a jármű által bárhol gerjesztett zajjal foglalkozik – ebbe beletartozik a vezetési zajteszt is.

A tudományterület különlegessége, hogy bár a zaj mérhető és számokkal kimutatható, az emberi hallás rendkívül szubjektív, így könnyen előfordulhat, hogy két, látszólag azonos erősségű zajforrást teljesen különbözőnek hallunk, így nem kerülhetjük meg a szubjektív elemzéseket sem.

Zajforrások

Rendkívül fontos megjegyezni, hogy a járműfejlesztőknek jóval egyszerűbb dolga lenne, ha minden típusú zajt ki kellene zárniuk az utastérből – ez ma már megoldott probléma lenne. A valóság azonban az, hogy vannak olyan zajforrások, amikről a vezetőnek muszáj hallania a közúton, különben extra veszélynek tenné ki önmagát és a környezetét egyaránt – elég, ha csak a szirénázó, megkülönböztető jelzést használó járművek elhaladásának megkönnyítésére gondolunk.

Így már sokkal nehezebb kiszűrni azokat a zajforrásokat, melyek valóban nemkívánatosak. Ilyenek például a hajtásláncból származó, vagy a kerék-út kapcsolat miatt létrejövő zajok. Ide soroljuk a jármű körüli áramlásból keletkezőket (szélzaj), és a mechanikai, illetve elektronikai zajforrásokat is.

A zaj terjedése

A zaj is egy hang, vagy hangok halmaza, ami hullámszerűen (normál esetben gömbhullámként) terjed. Belátható azonban, hogy a hang csak akkor terjed, ha a forrás egy arra alkalmas közegben található. Amikor egy kalapáccsal ráütünk egy szeg fejére, azt azért halljuk, mert a levegő mint közeg továbbítja a forrás által keltett rezgést. Ha ezt az ütés légüres térben követnénk el (például az űrben), nem hallanánk azt, mivel nincs közvetítő közeg, ami eljuttatná a fülünkig.

Ugyanakkor a szeg és a kalapács találkozásából kialakuló vibrációt a kalapács nyelén éreznénk, ezt ugyanis maga a kalapács közvetítené a kezünkig – ezt hívjuk testhangnak.

Ilyenek például a következők:

• Csapágyzajok
• Fogaskerékzajok
• Szíj- vagy láncmozgásból származó zajok

A levegőben terjedő hangot pedig értelemszerűen léghangnak hívjuk. Ezek közül néhányat már említettük is, mert ezek adják a környezeti zajterhelés zömét:

• Gumiabroncs-zaj
• Körüláramlási zaj
• Motorzaj
• Kipufogózaj

A zajforrás detektálása

Ma már minden nagy járműgyártó rendelkezik akusztikai mérőhelyiségekkel, süketszobákkal, ahol különböző módszerek segítségével keresik azokat a zajforrásokat, amelyeket mindenképp ki akarnak szűrni a jármű menettulajdonságai közül.

Az egyik legsokatmondóbb analízis a Fourier-transzformáció, mely azt mutatja meg a mérnök számára, hogy a különböző zajfrekvencia-tartományok milyen erősen vannak jelen a járműkörül vagy a járműben egy adott gerjesztés hatására. Lényegében a Foiruer-transzformáció jelen esetben nem más, mint az időtartományban felvett jelek frekvenciatartományba történő átkonvertálása.

Ez az adat abban segít, hogy következtetéseket vonjanak le a zaj pontos forrásáról – ilyenkor következik be a tesztjellegű alkatrészcsere, a modális elemzés, a statisztikai energiaanalízis és számos egyéb módszer, amivel detektálják és kiiktatják a szóban forgó zajforrásokat.

Számítógépes szimulációk

Éppúgy, mint a szilárdságtani elemzéseknél, itt is rendszeresen alkalmaznak szoftveres szimulációkat a különböző anomáliák és túl magas zajszintek megszüntetéséhez még a rendkívül költséges prototípusgyártás előtt.

Rendkívül érdekes tény, hogy a zajforrás frekvenciatartománya döntően befolyásolhatja a választott vizsgálati módszert. A jól szimulálható esetek közé tartozik például a szerkezeti zaj- és rezgéselemzés modellezése. Ha a vizsgált jelenség mondjuk 20-30 Hz alatti tartományban vizsgálandó, akkor akár több modellt is felépítenek a megfelelő elemzés érdekében.

Ezzel szemben, ha a vizsgált jelenség magasabb frekvencián, például 1 kHz felett jelentkezik, akkor a korábban említett statisztikai energiaelemzési (SEA) modell jobb megközelítés lehet.

A két említett tartomány között is számtalan zajforrás található – itt gyakori alkalmazás a például a vibroakusztikus végeselem-módszer. Ma már a felsorolt technikákon túl számos egyéb változat, és ezek kombinációi is léteznek.

Megoldások

Mit tesznek a zajforrással, ha megtalálják azt?

Motoroknál, és egyéb alkatrészeknél is jellemző megoldás a tömeg megváltoztatása – ez ugyanis elhangolja a sajátfrekvenciáját az adott elemnek, így nem fogja továbbítani a szóban forgó zajt.

Ha a fenti megoldás nem lehetséges, megpróbálják izolálni a zajt – például a kerékjárati ívekben található szivacsokkal, extra szigetelésekkel, hogy a gördülési zajból a lehető legkevesebb kerüljön az utastérbe.

Újabban a belső NVH-nál bevett módszernek számít a zaj kioltása egy azonos erősségű, ellentétes fázisú hanghullámmal, melyet a jármű hangszórói szolgáltatnak. Bár a zaj továbbra is megmarad, az ellentétes fázisú hangnak köszönhetően az utasok egyiket sem érzékelik.

Amiért fontos

A menetkomforton túl az NVH egészségvédelmi célokat is szolgál, ugyanis a környezeti zajterhelésnek számos káros hatása van:

• Halláskárosodás
• Beszédértés romlása
• Alvászavar
• Negatív hatás a magatartásra (agresszió)
• Fiziológiai egészségromlás (vérnyomás, pulzusszám növekedése)