بخشی از مقاله
بررسی روش های کاهش نویز آیرودینامیکی در خودرو
چکیده
اخیراً بررسی نویز و ارتعاشات وارد به کابین خودروها از مهمترین مسائل حائز اهمیت و بهروز دنیا محسوب میشود. با توجه به پیشرفت تکنولوژی تولید خودرو و افزایش سرعت حرکت خودروها، منبع اصلی تولید صدا در داخل خودرو در سرعتهای بالا، نویزهای آیرودینامیکی میباشند. بدین منظور در این مقاله، پس از تقسیمبندی منابع اصلی نویز در خودرو بر مبنای فرکانس عملکرد آنها، به مدلهای ایدهآل چشمههای صوتی اشاره شده است. سپس مکانیزمهای تولید و انتقال صداهای آیرودینامیکی و نیز منابع فیزیکی تولید نویزهای آیرودینامیکی در خودرو مورد بررسی قرار میگیرند. در نهایت، اجزاء اصلی مولد نویز آیرودینامیکی در خودرو شناسایی شده و راهبردهای اساسی و روشهای کنترل این صداها در بر هم زدن آسایش سرنشینان خودرو تشریح میگردد.
کلمات کلیدی: نویز آیرودینامیکی- نویز باد- منابع نویز- نویز نشتی- نویز حفره- خودرو
1 مقدمه
سازندگان خودرو هر روزه در تلاشند تا راحتی سرنشینان خودرو را با بهبود مشخصههای مختلف از جمله کاهش سطح صدای داخل کابین افزایش دهند. بدین منظور دانستن انواع منابع نویز و ارتعاشات، توان این منابع در جهت ایجاد نویز و سایر پارامترهای مشخصه این منابع صوتی از قبیل فرکانس کاری، جزء لاینفک طراحی محسوب میگردند. یکی از منابع ایجاد نویز در خودرو مخصوصاً در سرعتهای بالا صداهای آیرودینامیکی (صدای باد) میباشند که غالباَ در اثر
فشارهای نوسانی مغشوش ایجاد شده در اثر جدایش جریان و
جریانهای ورتکس در اطراف بدنه خودرو (نظیر نواحی اطراف آینه های بغل و ستون اول خودرو) و یا در اثر نشتی نوارهای آببندی بوجود میآید1]و.[2
2 منابع اصلی نویز در خودرو
منابع عمده نویز در داخل خودرو، موتور، سیستم انتقال قدرت، تایرها، توزیع فشار آیرودینامیک در اطراف بدنه، اگزوز و ارتعاشات بدنه می باشد. نویز آیرودینامیکی در اثر حرکت برشی ناشی از ویسکوزیته در لایه مرزی پیرامون خودرو و جریان مغشوش در ناپیوستگیهای سطح ( نظیر نواحی اطراف آینههای بغل و ستون اول خودرو) و یا در اثر نشتی نوارهای آببندی بوجود میآید و با افزایش سرعت خودرو و نوسانات باد افزایش مییابد. لذا صداهای آیرودینامیکی در سرعتهای بالا و نیز فرکانسهای بالا میتواند منبع اصلی تولید نویز در خودرو باشد که باعث آزار سرنشینان میشود. شکل((1 منابع نویز در خودرو و فرکانس کاری هر یک را نمایش میدهد.
شکل(-(1 منابع نویز در خودرو و فرکانس کاری هر یک [3]
1
3 مدلهای ایدهآل چشمههای صوتی
زمانیکه هدف بررسی منابع صوتی آیرودینامیکی در خودرو میباشد، مربوط ساختن منابع حقیقی صوتی به چشمههای ایدهآل صوتی میتواند بسیار مفید باشد، زیرا این کار به مهندسان امکان پیشبینی چشمههای اصلی در خودرو را میدهد و بعلاوه به آنها در ارزیابی وابستگی سطح صدای حاصل از باد به سرعت جریان، کمک شایانی میکند. سه چشمه صوتی ایدهآل عبارتند از :
-1 چشمه صوتی مونوپل1
-2 چشمه صوتی دی پل2
-3 چشمه صوتی کوآدراپل3
1-3 چشمه صوتی مونوپل
نوع اول چشمههای صوتی، به چشمه صوتی مونوپل مشهور است. این چشمه صوتی در اثر جریان ناپایدار حجمی سیال نتیجه میشود و یکی از مؤثرترین چشمههای صوتی در اعداد ماخ پائین میباشد. یکی از بارزترین مثالهای این منبع صوتی، لوله خروجی دود ( اگزوز ) بدون صدا خفه کن4 میباشد. دیگر چشمه قدرتمند از این نوع، جریان حجمی ناپایدار هوا از داخل خودرو به سمت خارج، از مسیر درزها میباشد، که اصطلاحآ به آن صدای حاصل از نشتی گفته میشود .[4] همچنین شدت صدای حاصل از این نوع چشمه با توان چهارم سرعت در ارتباط است .[5]
2-3 چشمه صوتی دیپل
این چشمه صوتی به دلیل اثر فشار نوسانی و ناپایدار بر سطح تخت ایجاد میشود. اصولاً این فشارهای ناپایدار به علت اغتشاش در جریانمخصوصاً، در نواحی جدایش جریان و محل تشکیل گردابهها بوجود میآیند. بعنوان یک مثال از این نوع چشمه صوتی در خودرو، میتوان به آنتن خودرو اشاره کرد که در اثر نیروی نوسانی حاصل از ورتکس ون کارمن5 در حوالی آنتن خودرو تولید میشود.
سطح صدای تولیدی توسط این چشمه صوتی متناسب با توان ششم سرعت میباشد. از اینرو نسبت قدرت صدای چشمه دیپل به مونوپل متناسب با توان دوم عدد ماخ میباشد .[5]
3-3 چشمه صوتی کوآدراپل
این چشمه صوتی در اثر برخورد دو المان سیال با یکدیگر تولید میشود، که از نتیجه این برخورد، تنشهای درونی ناپایدار در سیال بوجود میآید. معمولاً این اتفاق در لایههای برشی مغشوش سیال و یا در جت ها رخ میدهد. سطح صدای تولیدی توسط این چشمه با توان هشتم سرعت متناسب است. بعلاوه نسبت قدرت چشمه صوتی کوآدراپل به دیپل با توان دوم عدد ماخ متناسب است. به عبارت دیگر، تا زمانیکه چشمه صوتی دیپل در خودرو به صورت ثابت موجود باشد، میتوان از چشمه صوتی کوآدراپل چشم پوشی کرد. از مقایسه چشمههای صوتی در خودرو و با توجه به کمی عدد ماخ در حرکت خودرو، نتیجه میشود که چشمه صوتی مونوپل مهمترین چشمه صوتی و همچنین چشمه صوتی غالب در خودرو میباشد .[5]
4 منابع فیزیکی تولید نویزهای آیرودینامیکی
اغلب چشمههای صوتی نویزهای آیرودینامیکی در خودرو شامل یکی از سه دسته صدای نشتی، صدای حفره و صدای حرکت باد میباشند.
اولین منبع نویز آیرودینامیکی در خودرو که از اهمیت بالایی برخوردار است، صدای حاصل از نشتیها میباشد. نشتیها از طریق دو مکانیزم باعث افزایش سطح صدای داخل خودرو میشوند. مکانیزم اول، تولید مستقیم صدا توسط جریان هوا از میان فواصل کوچک در داخل و خارج خودرو میباشد. مکانیزم دوم، انتشار صدای نشتی از خارج خودرو به داخل آن است، بدون اینکه توسط سازه خودرو تضعیف گردد. به عبارت دیگر به دلیل بالاتر بودن فشار داخل خودرو نسبت به خارج آن، این تفاوت فشار باعث میشود که یک جریان هوا در امتداد درزها از داخل خودرو به سمت خارج برقرار شود.
نویز نشتی زمانی تولید میشود که فشار منفی روی سطح بدنه خودرو بزرگتر از فشار آببندی6 شود. افزایش فشار آببندی می تواند به عنوان یک عمل پیشگیرانه جهت کاهش نویز نشتی صورت گیرد، اما این امر روی بسته شدن درها اثرات نامطلوبی خواهد گذاشت.[6]
در شکل((2 منابع اصلی نویز آیرودینامیکی در خودرو نشان داده شده است.
شکل(-(2 منابع نویز آیرودینامیکی در یک خودرو
برای مثال اگر جریان نشتی در یک ورق با ضخامت 4 میلیمتر که بر روی سطح آن یک سوراخ دایروی به قطر 4 میلیمتر ایجاد شده است عبور کند، یک صدای صوت1 در عدد استروهال 0/6 2 با فرکانس 4400 هرتز تولید خواهد کرد.
بنابراین یکی از مهمترین فاکتورها در رابطه با کاهش سطح صدای آیرودینامیکی در داخل خودرو، درزبندی مناسب کلیه مناطق نشتی است که اجازه جریان هوا در اطراف پنجره ها، درها و یا منافذ موجود بر روی سطح بدنه خودرو را میدهد .[9]
مطابق شکل 3) )، جریان هوای نشتی به طرق مختلف میتواند صداولیدت کند. اولاً، اگر نشتی به گونهای با بخشی از قسمتهای خارجی خودرو، ارتباط پیدا کند که در آن مناطق بواسطه جدایی یا مغشوش شدن لایه مرزی و دیگر عوامل پیچیده، فشارهای ناپایدار خارجی ایجاد شود، آنگاه این نشتی موجب ایجاد یک جریان جرمی ناپایدار خواهد شد که باعث تولید یک صدا از نوع مونوپل در داخل خودرو میشود. به همین دلیلمعمولاً، ارزیابی سطح صدای حاصل از نشتی معمولاً محدود به آزمایشات تجربی است.
همچنین در شکل (3)، مشاهده میشود که صدای حاصل از نشتی شامل دو مکانیزم مونوپل و دی پل میباشد. از آنجایی که چشمه صوتی مونوپل ردتولید صدا کاملاً مؤثر است و از نظر سطح صدا، طبیعت نوسانی دارد، صدای حاصل از نشتی آزار دهنده خواهد بود.
شکل -(3) مکانیزم تولید صدای نشتی
نوع دوم از صدای نشتی در جاهایی اتفاق میافتد که یک حفره یا سوراخ اجازه میدهد تا صدا از خارج خودرو بصورت امواج آکوستیکی به داخل خودرو منتقل شود. شکل (4)، کاهش سطح صدای داخل یک خودرو را بواسطه آکوستیکی کردن سیستم تهویه مطبوع آن نمایش میدهد. سیستم تهویه از طریق مجراها و کانالهایی با داخل خودرو در ارتباط است و اجازه ورود نویز آیرودینامیکی از طریق این مجراها به داخل خودرو را میدهد.
یک منبع مهم تولید صدای نشتی، اتصالات و حفره های موجود در سطح خارجی خودرو میباشند. برای مثال در محلهایی که درها بسته میشوند، محل اتصال در با چارچوب در و یا فواصل بین پنلهای خودرو فواصلی وجود دارد. جریان هوا روی فواصل کوچک میتواند هم صدای با باند پهن و گاهی با صدایی با فرکانس مجزا تولید کند و علت این امر جریان مغشوش روی شکاف و درگیری جریان ناپایدار با حفره و رخ دادن تشدید در آن میباشد.
شکل(-(4کاهش سطح صدای داخل یک خودرو
اگر در خودرو نشتی نیز وجود نداشته باشد صرف وجود حفره در سطح خارجی خودرو میتواند تولید صدای باد کند. این مورد زمانی مهمتر میشود که حفره در منطقه پر سرعت جریان همچون ستون جلویی خودرو و یا در اطراف آینه بغل خودرو موجود باشد.
عمومیترین مناطق تولید صدای حفره، فواصل اطراف دربها، فواصل موجود در آینه بغل خودرو و همینطور شبکههای ورودی هوا در اطراف رادیاتور میباشند.
جریان برشی که از یک حفره عبور میکند، میتواند منجر به ایجاد امواج ایستاده طولی، امواج ایستاده عرضی و یا تحریک رزونانس محفظه هلمهولتز شود که البته بستگی به اندازه حفره دارد.[7]
همانطور که در شکل (5)، مشاهده میشود، دو مکانیزم برای شرح پدیده صدای حفره وجود دارد. زمانیکه جریان سیال از روی یک فاصله کوچک، همانند فواصل اطراف درب عبور میکند، میتواند تولید فشارهای نوسانی شدید کند که در نهایت این نوسانِ فشار به بدنه خودرو وارد میشود و انتقال مییابد. علاوه بر فواصل کوچک، یکی دیگر از منابع قدرتمند تولید
صدای حفره باز بودن پنجرههای اطراف و همچنین باز بودن سانروف میباشد.
سومین چشمه صدای آیرودینامیکی معمولاً صدای حاصل از حرکت باد نامیده میشود. این چشمه صوتی در اثر فشارهای نوسانی روی سطح خارجی خودرو رخ میدهد که در اثر جریان هوا روی سطح بوجود میآید. جریان هوا معمولاً روی اکثریت سطح خارجی خودرو مغشوش است، بنابراین فشار در سطوح خارجی خودرو، نسبت به زمان، نوسانی یا ناپایدار خواهد بود. حتی اگر سطح خارجی خودرو را کاملاً صلب و بدون نشتی در نظر بگیریم، فشار نوسانی روی سطح تولید چشمه دیپل میکند که میتواند به اطراف منتشر شود. از آنجایی که خودرو املاًک صلب نمیباشد، فشار نوسانی باعث ارتعاش پنجرهها و پنلهای بدنه میشود که خود صدا را به داخل خودرو منتقل میکند.
به این دلیل که جریان هوا روی سطوح خارجی خودرو مغشوش است، حتی اگر سیال به تمام نقاط بدنه چسبیده باشد نیز این صدا تولید میشود، بنابراین دستیابی به حد صفر صدای حاصل از حرکت باد روی بدنه خودرو امکان پذیر نخواهد بود. اگر پدیده جدایی در جریان سیال در طول حرکت خود از روی بدنه رخ دهد شدت صدای تولیدی افزایشی محسوس خواهد داشت. معمولاً جدایی در قسمت انتهایی خودرو و یا در قسمتهای جانبی بدنه خودرو رخ میدهد.
بنابراین صدای حاصل از حرکت باد در تمام خودروها قابل توجه است به خصوص اگر صدای نشتی حاصل از حفره در خودرو وجود نداشته باشد. البته از آنجایی که چشمه این صدا جریان مغشوش است، از اینرو صدای حاصل از حرکت باد از نوع صداهای باند پهنستا که معمولاً نسبت به صداهای تونال1 کمتر آزار دهنده میباشند .[5]
5 اجزاء اصلی مولد نویز آیرودینامیکی در خودرو و روشهای کنترل هر یک
یکی از اصلیترین عوامل تولید صدای آیرودینامیکی در خودرو، نوسانات فشار در اثر جدایش جریان در منطقه ستون اول خودرو میباشد، لذا طراحی ستون اول خودرو از مهمترین موارد طراحی بدنه خودرو به شمار میرود. از دیگر اجزائی که در اثر فشارهای نوسانی حاصل از عبور جریان بر روی آنها، میتوانند موجب تولید نویز آیرودینامیکی در خودرو شوند، میتوان به آینههای بغل خودرو، آنتن رادیو، برف پاککنها و باربند اشاره نمود.ضمناً اگر یکی از پنجرههای کنار خودرو باز باشد و یا سانروف خودرو باز باشد، احتمال وقوع پدیده بافتینگ بسیار زیاد است که این امر باعث تولید صدای بالایی در خودرو خواهد شد.
1-5 بررسی نحوه توزیع فشار بر روی سطح شیشه کنار خودرو
شکل (6) توزیع فشار در شیشه جلو خودرو را که توسط واتانابه2 انجام شده است نشان میدهد. همانطور که در این شکل مشاهده میشود، ضریب فشار در منطقه A-A نزدیک به عدد -2 میباشد. بعلاوه در مناطق جدایش جریان، ضریب فشار حداقل -1 است. از طرفی، مقدار ضریب فشار -2 ، باعث افزایش نسبی فشارهای نوسانی تا 14 دسی بل میشود. در صورتی که ضریب فشار با مقدار -1 باعث افزایش فشار نوسانی تا میزان 9 دسی بل میشود. بنابراین این جریانهای گردابی در
شکل ( -(5 مکانیزم تولید صدا در حفره ها 9 - Tonal
