Poslední aktualizace 9. září 2020 od Jan Knapec
Laminární proudění, vzduchové víry, tlak, hluk. To jsou vibroakustické simulace.
Najedete na dálnici, 100, 120, 130 kilometrů za hodinu. Zapnete tempomat a polykání kilometrů může začít. Většina z nás v tu chvíli zesílí hlasitost audiosystému. Co nás k tomu vede? Přirozeně rušivý hluk spojený s vyšší rychlostí. Můžeme se zamyslet, o jaký hluk se vlastně jedná.
Hluk od motoru nebo od odvalujících se pneumatik nemusí způsobovat nejvyšší diskomfort. V mnoha případech se jedná o hluk aerodynamický. Naše automobily nemají dokonalé kapkovité tvary, všude plno hran a různě vystupující tvarované prvky. Aerodynamický hluk bude ještě vyšší, pokud máte například na střeše nosič nebo i střešní box.
Zdrojem hluku, který máme uším vůbec nejblíž a nelze se ho zbavit odmontováním, je vnější zpětné zrcátko. A právě hlukem od něj se dnes budeme zabývat, konkrétně jeho simulacemi.
Přizvali jsme si na to odborníka nanejvýš povolaného Roberta Fiedlera z plzeňské společnosti MECAS ESI. Ta je dceřinou firmou ESI Group a zabývá se prodejem softwaru pro virtuální simulace, například crashové simulace, lisování, svařování, virtuální realitou nebo právě softwarem pro vibroakustické simulace.
Jdeme na to: jak lze simulovat hluk způsobený prouděním vzduchu kolem vnějšího zpětného zrcátka?
„Nejdřív si musíme říct, proč k hluku od zrcátka vůbec dochází. Jak už bylo zmíněno, tento hluk nás začíná zajímat až na dálnici; v nižších – městských – rychlostech nehraje významnou roli. Při těch vyšších pak laminární proudění vzduchu narazí na zrcátko, čímž vzniknou akustické vlny, které se rychlostí zvuku šíří a působí na boční okno automobilu. Tato rychlost je mnohonásobně vyšší než samotné proudění. Kromě toho zrcátko vyvolá rovněž vzduchové víry a tlakové změny, které jsou také zdrojem nechtěného hluku. Sklo bočního okénka pak funguje jako jakýsi filtr pro různé druhy vln. Smyslem toho, proč se těmito simulacemi zabýváme, je určit, které vlny (tedy jaký hluk) a v jakých frekvencích projdou až na druhou stranu – do interiéru auta k uším posádky. Roli samozřejmě hraje i to, o jaké sklo se jedná – roli hraje tloušťka, zda jde například o lepené, temperované či bezpečnostní,“ představuje Fiedler toto široké a poutavé téma.
Jak jsme si řekli, zajímá nás hluk při vyšších rychlostech. Při proudění vzduchu kolem překážky vznikají dva odlišné druhy akustického buzení – hlukové vlny od nárazu na překážku a změny tlaku způsobeného vířením.
Samotnou simulaci je nutné rozdělit na dvě podúlohy. Řeší se proudění jako takové a následně to, jak toto proudění působí na boční sklo auta.
„Pro určení vlivu zrcátka je možné provést simulaci proudění bez něj a s ním. Na proudění je krásně vidět, jak velkou roli jeho přítomnost na autě hraje. Při jeho nepřítomnosti vznikají pouze turbulence od A-sloupku. Pokud je zrcátko zahrnuto do simulace, pak lze pozorovat odtrhávání proudu vzduchu a vznik vírů postupujících po ploše bočního skla. My jednotlivé zóny umíme rozdělit a tím izolovat hluk způsobený zrcátkem, A-sloupkem nebo například střešními podélníky. Simulace tedy popisuje, co se děje vně automobilu,“ vysvětluje Fiedler.
Přečtěte si také z tématu simulací: Numerické simulace nejsou žádná nuda
Je až s podivem, jak velký vliv může mít geometrie na akustickou (ne)pohodu. I drobná úprava může i výrazně změnit proudění kolem vozu. Řekli byste, že automobilky by takový detail měly brát v potaz, jde přece jen o komfort posádky. „V poslední době tomuto jevu výrobci věnují více pozornosti a se simulacemi jdou mnohem dál. Jako příklad lze uvést konsorcium German Working Group (Porsche, Audi, Mercedes-Benz, Volkswagen) Computational Aero-acoustics, kdy na neutrálním tvaru automobilu byly testovány různé přístupy zpracování dat a simulací. Tato data si pak jednotlivé automobilky už samy porovnávají s různými metodikami CFD výpočtů i s výpočty hluku uvnitř kabiny auta,“ vysvětluje specialista na vibroakustické simulace.
Jak se měří hluk na bočním okénku? Na skle jsou nalepeny ploché mikrofony, které měří hluk na povrchu. Zajímavé je, že i když se mění geometrie zrcátka pouze drobně, vnější hluk zůstává téměř neměnný, ale lze pozorovat velké rozdíly ve vnitřním hluku.
„Zvenčí ten hluk vypadá stejně. Během vývoje automobilu si výrobci docela vyhrají s různými ploškami, výstupky, pásky nebo proužky, které různě umisťují na zrcátko a A-sloupek a sledují, jaký to má vliv. Proudící vzduch se různé odklání, směruje – a tím ovlivňuje i hluk v kabině,“ popisuje Fiedler a dodává, že aerodynamické tunely jsou drahé, pročež se výrobci snaží vše vyladit právě pomocí počítačových simulací.
Pro vyšší frekvence, kolem 1000 Hz a výš, se vnější hluk jeví jako nezávislý na drobných tvarových změnách zrcátka. Naopak vnitřní hluk je těmito změnami výrazně ovlivněn, protože hlukové pole obsahuje dvě složky hluku, z nichž ta dominantní pro vnitřní hluk je zastíněna změnami tlaku od víření.
A právě s tím simulace mohou významně pomoci – různé nastavování a konfigurace jsou při ní mnohem jednodušší než v reálném testu.
Pojďme se tedy podívat na to, co vlastně hluk způsobuje. „Je třeba odlišit dvě jeho složky – akustickou a vířivou (convective). Ta první vznikne tím, že proud vzduchu narazí na překážku, od níž se následně pod určitým úhlem šíří akustické vlny. Jak už jsme zmínili, rychlost šíření odpovídá rychlosti zvuku, probíhá tedy asi desetkrát rychleji než u druhé složky,“ uvádí Fiedler, „ta vzniká od takzvané konvektivní rychlosti, což je pohyb vírů po skle.“
Když se podíváme na magnitudu akustického komponentu, je zhruba o 40 až 70 dB nižší oproti hluku od víření. Na druhé straně akustické vlny boční okénko mnohem snáze vybudí, tedy projdou skrz něj na druhou stranu. A právě z tohoto důvodu, k porozumění vnitřnímu hluku, je nutné vnější akustické děje rozdělovat na tyto dvě složky.
Pro vibroakustické simulace se vytvoří model interiéru auta. Jedná se o celkem podrobný a přesný model toho, jak to v kabině vypadá: sedačky, loketní opěrky, volant, obložení dveří a tak dále. Následný výpočet se vztáhne k pozici řidiče i dalších členů posádky a vyhodnocuje se jimi vnímaný hluk.
„V zásadě se používají dvě strategie vyhodnocování. V té první se snažíme přesně definovat hluk uvnitř kabiny – kde cílem simulace je určit přesné hodnoty hluku, ale není zapotřebí porozumět jednotlivým složkám buzení,“ popisuje Fiedler. A pokračuje vysvětlením druhé strategie: „Jde o rozklad proudění vzduchu na prvočinitele, tedy na konvektivní a akustickou část. S oběma složkami pak pracujeme nezávisle a sledujeme, která z nich kde a jak působí. Na základě toho lze připravit a navrhnout úpravy bočního skla nebo vyhodnotit, na kterou část geometrie se zaměřit.“
No a pak už zbývá jen ten praktický přínos simulací. V tuto chvíli už víme, jakým způsobem se hluk dostává do interiéru automobilu, a můžeme se vrátit k oněm výše zmíněným zónám geometrie, a k tomu, které z nich hluk způsobují. Následně se zaměříme na aerodynamiku právě těchto části a upravujeme jejich geometrii, tvar, konfiguraci a tak podobně,“ uzavírá Fiedler.
automobilky, budoucnost automobilů, technologie aut, vibroakustika, vývoj aut, vývoj automobilů
Doporučujeme
Sledovat komentáře přes RSS