علم مهندسی NVH: چگونه خودروسازان «خلوتگاه» خودروهای لوکس را مهندسی می‌کنند

هنگام خرید یک خودروی لوکس، اکثر خریداران دقیقاً همان مراسم را در محوطه نمایندگی انجام می‌دهند: درب راننده را باز کرده و محکم می‌بندند. آن‌ها به دنبال آن صدای «تپ» محکم و شبیه به گاوصندوق هستند، با این فرض که یک درب سنگین به معنای یک رفت‌وآمد آرام در بزرگراه است. این یکی از پایدارترین سوءتفاهم‌ها در خرده‌فروشی خودرو است.

واقعیت طراحی خودروهای مدرن این است که وزن، دشمن اصلی است. افزودن صدها کیلوگرم فولاد ضخیم و کفپوش‌های لاستیکی سنگین، مصرف سوخت را از بین می‌برد و برد خودروهای برقی را به شدت کاهش می‌دهد. «خلوتگاه» خودروی امروزی با وزن خام ساخته نشده است؛ بلکه از طریق دستکاری بسیار دقیق فرکانس‌های صوتی مهندسی شده است.[7]

این رشته به عنوان مهندسی NVH شناخته می‌شود—نویز (Noise)، لرزش (Vibration) و خشونت (Harshness). برای دهه‌ها، مهندسان به موتور احتراق داخلی تکیه می‌کردند تا به عنوان یک ماسک آکوستیک عمل کند. صدای غرش فرکانس پایین یک موتور V8 یا شش سیلندر خطی به طور طبیعی صدای باد شتابان بر روی ستون‌های A و صدای غلتیدن لاستیک‌ها بر روی آسفالت زبر را خفه می‌کرد.[6][7]

انتقال به خودروهای برقی این ماسک را از بین برد. بدون صدای درجا کار کردن موتور در ۲۰۰۰ دور در دقیقه، خریداران ناگهان متوجه هر سنگریزه‌ای که به گلگیر برخورد می‌کند و هر وزش بادی که از کنار می‌گذرد، شدند. برای ارائه یک کابین آرام بدون افزودن وزن کاهنده برد، خودروسازان مجبور شدند نحوه ورود و حرکت صدا در خودرو را به طور کامل بازنگری کنند.[6]

اولین خط دفاعی، شیشه است. شیشه‌های جانبی سکوریت استاندارد، انتقال‌دهنده بسیار قوی صدای با فرکانس بالا هستند. هنگامی که صدای خش‌خش یک کامیون در حال عبور در بزرگراه را می‌شنوید، در واقع فرکانس‌هایی در محدوده ۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ هرتز را می‌شنوید که مستقیماً از شیشه جانبی به داخل کابین نفوذ می‌کنند.[1]

برای مقابله با این موضوع، مهندسان از شیشه لمینت آکوستیک استفاده می‌کنند. به جای یک لایه تکی، این شیشه یک لایه میکروسکوپی از رزین پلی‌وینیل بوتیرال (PVB) را بین دو ورق شیشه قرار می‌دهد. این لایه میانی محدود شده به عنوان یک جاذب شوک آکوستیک عمل می‌کند که به طور خاص برای جذب و پراکنده کردن امواج صوتی با فرکانس بالا تنظیم شده است.[2]

تولیدکنندگان مواد مانند SEKISUI S-LEC این لایه‌های میانی PVB را به گونه‌ای بهبود داده‌اند که نویز کابین با فرکانس بالا را ۳ تا ۵ دسی‌بل کاهش دهند. برای یک راننده، کاهش ۳ دسی‌بل به معنای نصف شدن انرژی صوتی درک شده است. این تفاوت بین احساس خستگی پس از یک رفت‌وآمد دو ساعته و رسیدن به محل کار با طراوت کامل است.[3]

اما نویز باد تنها نیمی از نبرد است. منبع اصلی دیگر خستگی در کابین، لرزش ساختاری است. هنگامی که لاستیک‌ها از روی درزهای انبساط و آسفالت زبر عبور می‌کنند، انرژی جنبشی از طریق سیستم تعلیق بالا رفته و وارد شاسی خودرو می‌شود و به صورت یک غرش کم و مداوم در کابین منتشر می‌گردد.[8]

از لحاظ تاریخی، خودروسازان این مشکل را با پر کردن درب‌ها و کفپوش‌ها با وینیل سنگین و پدهای ضخیم آسفالت حل می‌کردند. امروزه، آن‌ها از فناوری‌های میرایی لایه محدود مانند Quiet Steel استفاده می‌کنند. این شامل قرار دادن یک هسته پلیمری ویسکوالاستیک بین دو لایه فولاد نورد سرد در طول فرآیند تولید است.

هنگامی که سیستم تعلیق خودرو لرزش جاده را به شاسی منتقل می‌کند، هسته پلیمری دچار تغییر شکل برشی میکروسکوپی می‌شود. این حرکت فیزیکی، انرژی جنبشی لرزش را به مقدار ناچیزی گرمای کم‌درجه تبدیل می‌کند و نویز را قبل از اینکه به هوای داخل کابین برسد، خنثی می‌سازد.[7]

با این حال، حتی با وجود شیشه آکوستیک و فولاد میرا شده، غرش جاده با فرکانس پایین—به طور خاص در محدوده ۲۰ تا ۵۰۰ هرتز—به طور مشهودی با مواد غیرفعال به تنهایی دشوار است. اینجاست که صنعت به راه‌حل‌های محاسباتی فعال روی آورده است.[4]

حذف نویز فعال (ANC) در خودروها بر اساس همان اصلی کار می‌کند که هدفون‌های حذف نویز پیشرفته دارند، اما در مقیاسی بسیار بزرگتر و پیچیده‌تر. سیستم‌هایی مانند کنترل نویز فعال جاده (RANC) گروه هیوندای موتور، از شتاب‌سنج‌هایی استفاده می‌کنند که مستقیماً روی سیستم تعلیق نصب شده‌اند تا لرزش‌های جاده را قبل از رسیدن صدا به کابین تشخیص دهند.[5]

هنگامی که لرزشی تشخیص داده می‌شود، یک پردازشگر سیگنال دیجیتال، مشخصات آکوستیک دقیق نویز ورودی را محاسبه می‌کند. ظرف ۰٫۰۰۲ ثانیه، سیستم صوتی خودرو یک موج صوتی معکوس—یک «ضد نویز»—را از طریق بلندگوهای کابین پخش می‌کند. هنگامی که نویز جاده و ضد نویز با هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را خنثی می‌سازند.[5]

دستاورد واقعی در مهندسی NVH مدرن، ترکیب این سیستم‌ها است. نه لمینت غیرفعال و نه حذف فعال نمی‌توانند به طور مستقل اثر «خلوتگاه» را در کل طیف شنوایی انسان ایجاد کنند.[9]

با تقسیم کار—اجازه دادن به شیشه آکوستیک PVB برای مدیریت خش‌خش باد با فرکانس بالا، در حالی که سیستم ANC به صورت محاسباتی غرش لاستیک با فرکانس پایین را حذف می‌کند—خودروسازان می‌توانند به سطوح بی‌سابقه‌ای از سکوت دست یابند. این رویکرد متقاطع به آن‌ها اجازه می‌دهد تا عایق‌بندی صوتی سنگین سنتی را حذف کنند، در وزن صرفه‌جویی کرده و برد باتری را حفظ نمایند.[9]

برای مصرف‌کننده، این بدان معناست که قوانین خرید خودرو به طور اساسی تغییر کرده است. وزن خالص خودرو و ضخامت درب آن دیگر شاخص‌های قابل اعتمادی برای پالایش بزرگراهی آن نیستند. ساکت‌ترین خودروهای موجود در بازار امروز اساساً رایانه‌های آکوستیک متحرکی هستند که به طور فعال، محیط صوتی را کیلومتر به کیلومتر مدیریت می‌کنند.