DedZamal

#comment_199374046

Сидел я тут недавно и думал, чем бы бесполезным заняться. И вспомнил, что меня не очень устраивает шум в автомобиле. Имея небольшой опыт с предыдущей машиной не принёсший результатов, решил что на этот раз к вопросу надо подойти основательно и приступил к поискам. Блуждая по просторам интернета обнаружил кучу бесполезной, а главное вредной информации, с трудом отыскав некоторое количество научных статей. Проблема в том, что рядовой обыватель вряд ли выйдет на них, в лучшем случае прочитает научно-популярною статью, а их нет. И вот, решился провести ликбез, надеюсь, кому-то поможет.

Для ЛЛ заключение в конце поста.

Начнём с азов.

Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах. Человек слышит звук с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. 3вук с частотой ниже 16 гц называют инфразвуком, выше 20 000 Гц - ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012-1013 Гц относят к гиперзвуку.

Спектр звука - результат разложения звука на простые гармонические колебания. Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных частотных составляющих. Звук со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные звуки.

Интенсивность звука - энергия, переносимая звуковой волной. Интенсивность звука зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кгц. В этой области порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10-12 вт/м2, а соответствующее звуковое давление-10-5 н/м2. Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом звука характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вт/м2.

Рис. 1 Кривые на графике – изофоны. Они показывают зависимость громкости, связанной с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах и от звукового давления. На протяжении всей кривой при разных дБ громкость будет одинаковая.

Отсюда вытекает основная проблема измерения эффективности шумоизоляции в быту. Не каждый шумомер имеет автокоррекцию под измерение громкости. Может получиться так, что самой большой интенсивностью обладали частоты минимально чувствительные для человеческого уха, и в процессе звукоизоляционных работ их погасили. Прибор показывает огромную разницу, а для человека особо ничего не поменялось, кроме сдвига частот.

Таблица 1 Примерные значения громкости разных звуков

Источники звука - любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение. Широко распространены источники звука в виде колеблющихся твёрдых тел (напр., диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов). Источниками звука могут служить и колебания ограниченных объёмов самой среды (напр., в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т. п.).

Рис. 2 Картинка со звуком. Любой, смотря на эту картинку, слышит какзвучит каждый колокол. Чем он больше, тем ниже частота и больше амплитуда и наоборот. Так же на характеристики испускаемого звука влияет толщина стенок, чем она больше, тем ниже амплитуда, так как стенки будут больше сопротивляться колебаниям. Частота тоже смещается, но тут всё не так однозначно.

Получается что у каждого простого источника звука, кроме колонок и т.п. есть своя частота на которой колеблется. Это работает в обе стороны, если на него попадет звуковая волна его частоты, то он начнёт колебаться, это явление называется резонансом.

Так же звук возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. 3вук низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах.

Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. Как правило, чем плотнее среда – тем выше скорость. Скорость звука в сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17 °С- 1430 м/сек. Для большинства металлов скорость продольных волн (бывают ещё поперечные и продольные, но они нас не интересуют) лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек.

При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. е. уменьшение амплитуды. Затухание зависит от следующих факторов:

1. Характеристики звука (в первую очередь частота, по аналогии с этими вашими сотовыми вышками)

2. Законы волнового распространения. При распространении в неограниченной среде, интенсивность звука от источника конечных размеров убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. в двух метрах интенсивность ниже в 4 раза, а в четырёх – 16 раз

3. Свойства среды. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние звука на пузырьках. На распространение звука в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т.е. рефракцию звука, которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру звук слышен дальше, чем против ветра.

4. Поглощение звука - необратимый переход звуковой энергии в другие формы (главным образом в тепло обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды ("классическое поглощение")). Поглощение звука заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые.

Источники шума в автомобиле

В зависимости от особенностей конструкции, те или иные шумы будут иметь различный вклад

1. Шум от шин и дорожного покрытия. Обычно шум от шин самый большой, и чем больше скорость, тем больше его значение.

Для колёс 55 R15 при 60км/ч частота издаваемого шума = 87,5 Гц, а при 110 км/ч уже 160 Гц. Что при уровне шума шин в 80 дБ (это ещё тихие шины) будет выдавать громкость порядка 80 фон, а это уже опасный для здоровья уровень.

2. Шум двигателя и трансмиссии.

3. Шум ветра, зависит от аэродинамики и скорости, большой вклад появляется на скоростях более 80 км/ч.

4. Шум от внешних источников.

Методы борьбы с шумом

Всего существует 3 метода звукоизоляции

Конструктивный – тщательный расчёт вибронагруженности различных элементов и агрегатов, жёсткости корпусов, путей распространения звуковых волн, исключение либо уменьшение интенсивности звука источников, исключение ситуаций, когда отдельные элементы конструкции могут превратиться источник либо усилитель звука и т.д.

Пассивный – применение вибро- и звукопоглотителей, звукоотражателей и увеличение толщины стен, корпуса.

Активное шумоподавление – в помещении или в салоне автомобиля (а так же в наушниках) устанавливаются микрофоны либо наиболее близко к источникам шума, либо наиболее близко к уху слушателя и динамики. Анализируется характеристики шума и динамики воспроизводят звуки с той же частотой, но в противофазе, в результате смешения волн шума и «антишума», в теории, шум гасится. На практике же, есть погрешности, но тем не менее, уровень снижения шума достигает 20 дБ, что очень не мало.

Рис. 3 Примерное представление принципа работы активного шумоподавления

Рассмотрим теперь как мы можем повлиять на уменьшение шума в автомобиле используя вышеописанные методы.

Конструктивный метод.

1. Привести в порядок подвеску, заменить уставшие сайлент блоки, подушки двигателя и коробки. Потерявшие свою упругость демпферы утрачивают свои характеристики и вибрации от двигателя и коробки, а так же от дорожного покрытия легче передаются на кузов который из-за вибраций сам будет превращаться в источник звука, кроме того они сами будут издавать шум. Заменить порванные или ссохшиеся уплотнители или добавить их там, где их нет, но не помешает.

2. Использовать «тихие» шины. На нормальных шинах, есть информация об уровне издаваемого шума, выберите самые тихие и почувствуйте разницу.

3. Можно по колдовать с выхлопом, но тут всё неоднозначно, можно сделать только хуже.

Пассивный метод.

Можно конечно заклеить всю машину в вибро- и шумопомоглатитель, но машина наберёт в массе килограмм пятьдесят (для машин со слабым двигателем это существенно) и как показывает практика интенсивность шума уменьшится на 10 дБ максимум, при этом на сколько уменьшится громкость не известно, так как мало кто делает замеры до и после шумоизоляции с помощью нормального шумомера. Поэтому надо знать куда клеить стоит и куда нет. Тут несколько важных замечаний. Во-первых, для эффективного гашения вибраций толщина слоя должна быть 2-3 раза больше толщины покрываемой конструкции во-вторых вибропоглатитель наносят на места максимальных амплитуд, это центр панелей окружённых либо краями, либо рёбрами жёсткости, клеить на рёбра жёсткости смысла нет, там колебания ограничены этим самым ребром. Да, если заклеить всё будет лучше, но эффективность такого подхода по сравнению с правильным стремиться к нулю. Далее, виброизоляция не гасит звук, он погасит колебания кузова вызванные работой агрегатов машины, дорожным покрытием или от шума окружающей среды, тем самым не дав кузову самому превратиться в источник звука, хотя музыкальный инструмент из него не очень.

Как проверить, какие места требуют применения вибропоглащающих материалов? В идеале, снимаете обшивку салона, оставляете только сиденья, берёте на помощь товарища. Ставите машину рядом оживлённой дорогой, желательно напротив шумоотражателя или массивного здания вблизи дороги и на ощупь определяете, какие части кузова вибрируют. Так вы определите, откуда в машину проникают внешние шумы, которые превращают кузов во вторичный источник звука. Затем тоже самое делаете но уже в движении по «шершавому» асфальту, так вы определите части кузова, которые превращаются в источник звука под воздействием вибраций от дороги, двигателя и трансмиссии. Все эти места можно смело заклеить вибропоглатителем, только сначала проверьте, сможете ли вы потом собрать обшивку, не будет ли слой слишком толстым.

Рис. 4 На графике кривые значения частоты (по оси абсцисс) и звукового давления (по оси ординат) без применения вибропоглощающих материалов (красная кривая) и с использованием вибропоглащения. На левом изображении уровень звукового давления, излучаемый поло под передним пассажиром без применения вибропоглощения на правом с применением вибропоглащения в местах отмеченным пунктирными контурами.

Рис. 5 Та же секция что и на прошлом изображении. Как можно заметить, при разных частотах волн поступающих на кузов, разные части кузова начинают колебаться и издавать звук.

Кроме того, для кучи можно приклеить шумопоглатитель везде, где вы сможете на ваш вкус, но к выбору материалов надо отнестись серьёзно и не доверять рекламе, а проверять данные, сертификаты например.

Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1. При нулевом значении коэффициента звукопоглощения звук полностью отражается, при полном звукопоглощении коэффициент равен единице. К звукопоглощающим материалам обычно относят те, которые имеют коэффициент звукопоглощения не менее 0,4 при частоте 1000 Гц («Защита от шума» СНиП II — 12 — 77).

Таблица 2 Коэффициенты звукопоглощения некоторых материалов, как можно заметить, разные материалы раскрывают свои звукопоглащающие свойства на разных частотах.

Проблема применения звукопоглащающих материалов в том, что они толстые и их нельзя сдавливать. Соответственно применение их ограничено. На пол можно постелить какой-нибудь ковёр или что-то вроде того, но полноценный лист звукопоглатителя не получится, так как их толщина от 5см и больше. Их можно использовать в дверях, если есть место для него или в пространстве между подкрылком и кузовом (предварительно поместив в пакет, так как они не любят воды) и в других полостях.

Всякие поролоны и изоланы предназначены не для поглощения звука, а для его рассеяния. Чтобы не было эха. Если вы делаете из машины самоходный бумбокс, тогда он нужен, если вы хотите попытаться сделать машину тише, то от него смысла нет.

Рис. 6 Красная кривая уровень шума от пола с применением вибропоглатителя и ковролина. Вторая кривая сверху (не знаю как этот цвет называется) – пол со стандартным покрытием. Как видно, удалось уменьшить максимумы на 5 дБ. У разных машин значения будут разные, в данном случае, скорее всего, это Бэнтли, так как статья, откуда я взял эти красивые рисунки была написана в соавторстве с сотрудниками этой компании.

Активное шумоподавление.

Если вы рукастый инженер электроник, думаю у вас получится. В принципе ничего невозможного нет. В самом простом случае находим наушники или другую систему с шумоподавлением, разбираем и интегрируем в имеющуюся акустику. Либо, создаём схему, в которой шумоподавление будет работать против шума двигателя, для этого нам нужно снять данные оборотов двигателя и заставить отдельную низкочастотную колонку выдавать звук в противофазе. Подробности отпускаю, так как если вы способны собрать эту схему, то на её проектирование мозгов у вас хватит.

Заключение

Если вы хотите тихий автомобиль, то вот вам несколько советов отсортированных по эффективности:

1. Купите новый бизнес класс и выше, желательно премиум брендов. Поверьте инженеры какого-нибудь Мерседеса знают про шумоизоляцию намного больше чем я, вы или дядя Федя который зашумил тыщу тачек и результат огонь.

2. Если не хватает денег, то купите электрокар, это дешевле и экономичнее. При этом полностью отсутствуют шумы двигателя и коробки. Шума ветра особо не будет, так как все они вылизаны до невозможности и в большинстве случаев не едут быстро. В паре с тихими шинами получится ничего так.

3. Электромобили для гомосеков, а вы альфач? Тогда ваш выбор такие легендарные автомобили как W140, E38, XF20, и прочее с двойным остеклением на ваш вкус. В этих моделях вопрос тишины был поставлен ребром и применили стеклопакеты. Так же не забываем про приведение в порядок вышеописанных конструктивные методы шумоизоляции своими силами. Кроме того, учитывая их возраст, можно сделать ревизию родной шумки, так как листы виброизоляции могли уже потерять свою эластичность, а применяемый поролон рассохнуться или вовсе быть съеденным и так далее.

4. Не вписываемся в бюджет? Ищем автомобили С – Е-класса со следующими конструктивными особенностями:

- многорычажная подвеска, больше резинок – меньше вибрации на кузов от дороги.

- бензиновая рядная шестёрка, такой тип двигателей сбалансирован в 0 и даже без подушек будет передавать на кузов меньше вибраций и издавать шума чем другие типы двигателей.

- в случае с поперечным расположением двигателя, обратите своё внимание на те, у которых выпускной коллектор обращён к радиатору, а это очень шумная часть в подкапотке.

5. Вы обладатель бюджетной машины и хотите чтобы было тише в салоне. Для вас есть отличная новость! В вашем случае мероприятия по шумоизоляции принесут максимальный эффект благодаря архаичной конструкции в случае отечественных моделей в большей степени, да и в целом, платформы бюджетных автомобилей живут, как правило, более 10 лет, отсутствию или скудной штатной шумоизоляции. А так же, как правило, благодаря большому количеству свободного пространства в подкапотном пространстве и в области арок, что даёт возможность обильно наполнить их вибро и шумопоглатителем.

На этом всё, желаю вам не страдать хернёй как я и заняться чем-нибудь полезным. Если будет совсем делать нечего, осенью попробую достать шумомер и провести практическую часть этого небольшого исследования.

Использованная литература:

1. БСЭ

2. D. Fernandez Comesana1, J. Tatlow Designing the damping treatment of a vehicle body based on scanning particle velocity measurements

3. Википедия