Cosa si intende per rumore, vibrazione e ruvidità (NVH)?

Rumore, vibrazione e ruvidità (NVH) si riferisce allo studio e alla gestione dei suoni e delle vibrazioni che gli esseri umani sperimentano quando interagiscono con le macchine, in particolare le automobili, e al modo in cui percepiscono questi suoni e vibrazioni. Gli ingegneri tengono in considerazione il fattore NVH, perché influisce sull'esperienza del cliente e sulla durabilità meccanica della macchina.

NVH combina ingegneria e psicologia. Gli ingegneri prevedono, misurano e controllano i rumori e le vibrazioni. Gli psicologi si occupano della psicoacustica per studiare e comprendere come gli esseri umani percepiscono tali rumori e vibrazioni. 

Un buon modo per comprendere meglio il fattore NVH è esaminare come ogni aspetto si applica ai veicoli.

Rumore: Cosa si sente

Per rumore si intende un suono indesiderato all'interno o all'esterno di un veicolo. Può essere generato dal vento che attraversa la vettura, dal movimento degli pneumatici sul manto stradale, dal cigolio dei freni, dal fischio d'aria proveniente da una bocchetta dell'impianto di climatizzazione quasi chiusa o dal motore. I rumori tonali sono un sottoinsieme di rumore caratterizzato da una singola frequenza o da più frequenze singole e producono un sibilo, un ronzio, un fischio o un brusio.

Vibrazione: Qual è il comportamento della sorgente e come gli esseri umani lo percepiscono con il senso del tatto

La vibrazione si riferisce alle oscillazioni fisiche di qualsiasi oggetto. Può influire sulla durabilità o essere percepito al tatto dalle persone. Si può trattare di un tremolio del volante, scosse del motore al minimo o un rumore metallico dello sportello del cassetto portaoggetti.

Ruvidità: Cosa si percepisce

La ruvidità si riferisce alla misura soggettiva della qualità di un suono. Riguarda ciò che rende potente il suono di un motore, un rumore di chiusura delle portiere sicuro o se l'abitacolo emette un suono tranquillo. 

Sebbene NVH sia applicabile a qualsiasi interazione uomo-macchina, il settore automobilistico è all'avanguardia nello sviluppo e nell'applicazione di NVH. Benché probabilmente non si chiamasse NVH in passato, nei primi carri e carrozze è stato affrontato il problema delle parti che tintinnavano e delle strade accidentate prima che venissero inventate le strade. Nel corso del tempo, sono state aggiunte semplici molle in legno, le parti sono state legate e i componenti sono stati ispessiti per rendere la guida su una carrozza meno punitiva.

NVH ha preso davvero il volo quando gli ingegneri hanno aggiunto motori rumorosi e reso il fattore NVH una parte dell'ingegneria automobilistica e l'arte di trasformare l'esperienza di viaggio in una scienza.  Tutti i principali OEM del settore automobilistico impiegano diversi gruppi di ingegneri dedicati a NVH, perché il suono e le vibrazioni di un'auto fanno parte dell'esperienza di guida e quindi della brand impression. La maggior parte della ricerca, dei progressi tecnologici, degli strumenti di simulazione e dei processi di test relativi alla NVH derivano dalla ricerca del settore automobilistico di offrire una guida più tranquilla e piacevole.

Tuttavia, altri settori si occupano del modo in cui le persone che interagiscono con i sistemi percepiscono suoni e vibrazioni.

Alcune delle più comuni applicazioni non automobilistiche per NVH includono:

• Elettrodomestici come lavastoviglie e lavatrici
• Utensili elettrici di giardinaggio come soffiatori di foglie e falciatrici
• Velivoli, in particolare nelle cabine passeggeri e nell'abitacolo, per la riduzione del rumore per la comunità nei dintorni degli aeroporti a seguito del traffico
• Utensili elettrici e apparecchiature di produzione
• Turbine eoliche

Indipendentemente dal settore, la tecnologia NVH si occupa di comprendere le sorgenti di rumore e vibrazioni, le modalità di trasmissione, il modo in cui gli esseri umani percepiscono entrambi e lavorano per gestirli e soddisfare gli obiettivi normativi, commerciali, estetici, di sicurezza e di durata. I team utilizzano una varietà di strumenti e processi per condurre analisi NVH e supportare l'intero team di sviluppo dei prodotti nella modifica dei progetti in base alle necessità. Il risultato è una migliore esperienza del cliente e del prodotto. 

Sia il rumore che le vibrazioni derivano dagli urti, dal movimento casuale o ciclico dei componenti meccanici di un veicolo o dal movimento di fluidi, solitamente aria, intorno o attraverso i componenti. Il movimento meccanico che genera vibrazioni o suoni è chiamato sorgente del rumore. Il modo in cui l'energia del rumore o delle vibrazioni viene trasmessa ai passeggeri è noto come percorso di trasferimento. Gli ingegneri studiano entrambi e quindi modificano il design per ridurre la ruvidità, ovvero la rumorosità e le vibrazioni percepite nel veicolo.

Le sorgenti di problemi NVH più comuni nei veicoli sono:

• Catena cinematica
  • Combustione del motore: La principale fonte di rumorosità e vibrazioni nei motori a combustione interna (ICE) è la combustione nei cilindri.
  • Meccanismo di movimento e contatto: L'albero motore, le camme, le valvole e i pistoni degli ICE generano tutte vibrazioni durante lo scorrimento e il contatto tra loro.
  • Motori elettrici: Il carico elettromagnetico ciclico ad alta frequenza presente nel motore elettrico di un veicolo elettrico (EV) genera rumori e vibrazioni che sono molto diversi da quelli di un veicolo a combustione interna (ICE).
  • Asse di trasmissione: I cuscinetti, i supporti, i giunti e altri componenti meccanici possono generare rumore e vibrazioni e risuonano fortemente a specifiche frequenze critiche.
  • Trasmissione: Sia le trasmissioni automatiche che quelle manuali possono produrre rumore a causa dell'interazione tra i rapporti.
• Interazione tra strada e pneumatici
  • Battistrada: L'esclusivo motivo del battistrada di ciascuno pneumatico può risuonare a determinate velocità, creando rumori indesiderati.
  • Consistenza della superficie stradale: La consistenza locale del fondo stradale, come ghiaia, cemento o asfalto, può causare vibrazioni negli pneumatici che generano rumore e vibrazioni.
  • Discontinuità della strada: Incrinature, rigonfiamenti, giunti di espansione, scanalature e fori hanno un impatto sullo pneumatico e rappresentano una fonte significativa di ruvidità nella guida.
• Carico aerodinamico
  • Turbolenza esterna: I vortici nel flusso d'aria turbolento sono una fonte significativa di rumore indesiderato. Spesso indicato come rumorosità dovuta al vento, eventuali sporgenze presenti su un veicolo, come giunture, specchietti, tergicristalli o montanti, possono creare turbolenza che genera a sua volta rumore.
  • Perdita: Il soffio d'aria attraverso le piccole aperture intorno ai finestrini o alle guarnizioni delle portiere può causare un fischio ad alta frequenza.
  • Risonanza della cavità: Le finestre aperte possono causare una risonanza di pressione nell'abitacolo di un veicolo, producendo un suono pulsante.
  • Sistema di scarico: Nei veicoli ICE, i gas di scarico provenienti dal motore passano attraverso un sistema di scarico e le onde di pressione che ne risultano riverberano, generando vibrazioni e rumore.
• Sottosistemi ausiliari
  • Sibilo dei freni: Lo sfregamento delle pastiglie dei freni contro il rotore o il tamburo può causare riverbero, producendo un forte stridio.
  • Impianto HVAC: I sistemi di riscaldamento e raffreddamento hanno diverse sorgenti di rumore, tra cui rumore delle ventole, fischi nelle condutture e turbolenze nelle bocchette. Nelle vetture moderne con aerodinamica e rumore della strada ridotti, il sistema HVAC può essere una fonte di rumore dominante, soprattutto per i veicoli elettrici.
  • Turbocompressori: Sia la turbina che il compressore su un turbocompressore producono un rumore ad alta frequenza significativo a determinate velocità.
  • Ventole di raffreddamento: Le cinghie e le ventole che mantengono freddo il motore o le batterie spesso funzionano quando il veicolo è fermo o anche quando il motore è spento.
  • Dispositivi di chiusura: I meccanismi che fissano le portiere, le cinture di sicurezza e i vani portaoggetti di un veicolo producono tutti rumore e vibrazioni quando si aprono o si chiudono.
  • Attuatori: I veicoli moderni contengono decine di attuatori elettrici che si attivano e ronzanoquando si spostano i finestrini, i sedili, le serrature delle portiere, i freni di stazionamento, i tergicristalli e altri componenti.
  • Ronzio, stridio e scricchiolio (BSR): I componenti allentati del veicolo, quali pannelli della carrozzeria, griglie degli altoparlanti, clip di rivestimento e scudi termici, possono generare riverbero alle alte frequenze (ronzio), sfregare contro altre parti (cigolio) o avere impatto su altri oggetti (rumore).

Percorso di trasferimento nell'analisi NVH

Una volta che gli ingegneri identificano le sorgenti, il passo successivo è quantificare come il rumore e le vibrazioni si propagano dalle sorgenti ai passeggeri. Il rumore di solito attraversa l'aria e viene definito conduzione aerea. L'energia delle vibrazioni viene trasmessa attraverso i componenti solidi e si definisce conduzione strutturale. La distinzione è importante perché il percorso influisce sul modo in cui il passeggero percepisce il rumore o le vibrazioni e determina quali metodi gli ingegneri possono utilizzare per controllare la ruvidità. 

Gli ingegneri del settore automobilistico utilizzano una varietà di sensori per misurare le vibrazioni e il rumore nei veicoli di produzione e prototipo. Quindi impiegano il software di analisi per convertire i dati del test in informazioni utili.

I sensori più comuni usati per la misurazione NVH sono:

• Accelerometri: Dispositivi che misurano il movimento nel tempo in tre dimensioni contemporaneamente, consentendo l'accelerazione in un determinato punto del veicolo.
• Trasduttori di forza: Strumenti, spesso chiamati celle di carico, posizionati tra i componenti per misurare il carico tra di essi nel tempo.
• Trasduttori di coppia: I sensori misurano la tensione in un albero e la trasformano in carico rotativo nel corso del tempo.
• Estensimetri: Dispositivi che misurano la distorsione sulla superficie di un oggetto nel tempo.
• Microfoni: Sensori che misurano le variazioni della pressione dell'aria nel tempo (ossia il suono).
• Vibrometri a laser: Sistemi ottici che misurano lo spostamento Doppler di un raggio laser riflesso da una superficie vibrante, fornendo la deflessione della superficie nel tempo, in direzione parallela al raggio laser. 

Gli ingegneri del settore automobilistico possono sfruttare diversi approcci per ottimizzare il rumore e le vibrazioni di un veicolo per ridurre al minimo la ruvidità. I produttori di automobili tentano di implementare questi rimedi il più presto possibile nel processo di progettazione, quando il costo delle modifiche di progettazione è minimo.

Gli ingegneri cercano di rimuovere il segnale, di ridurne l'energia o di renderlo meno aggressivo. L'oscillazione e l'ampiezza di ogni frequenza del segnale definiscono una determinata vibrazione o rumore. L'analisi di ciascuna ampiezza di frequenza è uno spettro. Qualsiasi istanza multipla a una specifica frequenza crea una nota o delle note che vengono percepite dall'orecchio umano. L'ampiezza delle vibrazioni fondamentali indica il volume del suono. Il termine corretto per la percezione del volume è il livello sonoro e può essere stimato utilizzando l'indicatore psicoacustico del volume. 

I quattro approcci più comuni che riducono l'ampiezza o cambiano le frequenze sono la modifica della fonte, l'assorbimento dell'energia, l'isolamento e la soppressione attiva.

Modifica della sorgente

Il primo passo per affrontare le sfide NVH è fermare, ridurre o modificare il rumore o le vibrazioni alla fonte. Se il segnale è causato da risonanza, gli ingegneri modificheranno la rigidezza o la geometria per allontanare le frequenze naturali dalle frequenze di eccitazione, oppure per ridurre al minimo l'energia quando il sistema viene eccitato. I rumori possono essere ridotti o eliminati fissando più saldamente i componenti. Per ridurre i rumori tonali alla sorgente, gli ingegneri sfruttano la sequenza del passo per ampliare la gamma di frequenza o modificare la velocità di rotazione RPM per portare le frequenze a una gamma più piacevole.

Assorbimento di energia

Una volta che il segnale lascia la sua sorgente, gli ingegneri utilizzano vari metodi per convertirne l'energia in calore, tipicamente attraverso lo smorzamento o l'assorbimento. Un buon esempio è l'uso di alloggiamento, ammortizzatore o schiuma acustica nei pannelli del soffitto per assorbire il rumore proveniente dall'esterno e ridurre la riflessione del rumore all'interno dell'abitacolo. I materiali ad assorbimento di energia vengono utilizzati nei collegamenti meccanici per assorbire le vibrazioni. 

Isolamento

Anziché assorbire l'energia del segnale, un altro metodo utilizzato dagli ingegneri del settore automobilistico consiste nel bloccare la trasmissione del segnale. I progettisti utilizzano boccole, supporti idraulici, in gomma e giunti flessibili per bloccare le vibrazioni causate dallo spostamento del veicolo.

Soppressione attiva

Un rimedio più sofisticato disponibile per gli ingegneri è l'uso del suono amplificato a determinate frequenze, noto come cancellazione attiva del rumore (ANC), per ridurre l'ampiezza di un segnale attraverso interferenze distruttive. L'interferenza distruttiva utilizza un segnale artificiale sfasato di 180 gradi rispetto al segnale che gli ingegneri vogliono ridurre. Un altro approccio di soppressione attiva è quello di aggiungere un suono gradevole che mascheri il rumore fastidioso. 

È un principio consolidato nello sviluppo dei prodotti che sia quasi sempre meno costoso apportare modifiche nelle fasi iniziali della progettazione. Tuttavia, gli ingegneri non possono misurare il valore NVH finché non hanno un prototipo o un veicolo di produzione da testare. È qui che entra in gioco la simulazione, che fornisce al team di progettazione informazioni molto prima di costruire qualsiasi componente fisico. Nella maggior parte dei casi, i team utilizzano una combinazione di più tipi di simulazione per comprendere e migliorare le prestazioni NVH.

Gli ingegneri sfruttano innanzitutto le dinamiche strutturali per determinare le risposte naturali e forzate delle vibrazioni delle sorgenti NVH e dei percorsi di trasmissione. Un pacchetto completo ed efficiente, come il software Ansys Mechanical, può eseguire un'ampia gamma di simulazioni dinamiche strutturali, che comprendono risposta in frequenza naturale, vibrazione forzata, vibrazione casuale e sintesi in modalità componente (CMS) per assiemi di grandi dimensioni, come la struttura monoscocca di un veicolo.

Per i propulsori elettrici, un ingegnere di simulazione caratterizzerà le vibrazioni e il rumore generati dalle forze elettromagnetiche utilizzando uno strumento di calcolo generico come il software Ansys Maxwell. Per motori elettrici e attuatori nello specifico, possono utilizzare uno strumento di simulazione mirato come il software Ansys Motor-CAD per modellare più rapidamente le sorgenti del rumore e valutare i rimedi NVH. Il software Motor-CAD rappresenta anche un ottimo esempio di come gli strumenti di post-elaborazione specifici NVH possono accelerare il processo di simulazione e fornire informazioni più significative agli ingegneri.

Inoltre, valutano la trasmissione del segnale e i rumori di tipo BSR tramite l'analisi strutturale della dinamica multicorpo (MBD), utilizzando uno strumento come il software Ansys Motion. Questo tipo di simulazione semplifica le strutture e si concentra sul modo in cui i vari componenti sono collegati e sul modo in cui si muovono dinamicamente. Le simulazioni MBD per NVH si concentrano in genere sulle sospensioni o sulla trasmissione di un veicolo. 

Infine, impiegano programmi di fluidodinamica computazionale (CFD) come il software Ansys Fluent per prevedere e controllare il rumore aerodinamico. L'analisi AeroAcoustics combina la dinamica dei fluidi e l'acustica per prevedere e controllare il rumore del vento. Un fattore importante nella previsione del rumore aerodinamico è la modellazione accurata delle turbolenze e la previsione di quando e dove il flusso passa da laminare a turbolento. 

Una volta che gli ingegneri hanno compreso le fonti e la trasmissione di rumore e vibrazioni, possono utilizzare strumenti come il software Ansys Sound per ascoltare il risultato della prototipazione virtuale. Possono valutare come i passeggeri percepiranno il suono basandosi su un test di ascolto con giuria (Jury Listening Test), oppure limitarsi a stimare la percezione del fastidio calcolando metriche psicoacustiche come l'intensità acustica, la tonalità e la nitidezza. La maggior parte di questi criteri è conforme a standard quali ANSI, DIN ed ECMA. La fase successiva consiste quindi nella modifica iterativa del progetto nel set di strumenti di simulazione, materiali, geometria, componenti e connessioni variabili per ridurre la sonorità e la ruvidità. 

Oltre a questi tipi di strumenti, i team spesso utilizzano una piattaforma di ottimizzazione come il software Ansys optiSLang per gestire situazioni complesse in cui devono valutare molti input e output l'uno rispetto all'altro. 

Il cambiamento più significativo nella gestione dell'NVH è stato la crescita dei veicoli elettrici e la necessità di imparare a gestire le vibrazioni ad alta frequenza generate nei motori elettrici. Inoltre, i team sono al lavoro per superare il fatto che il rumore del motore a combustione non maschera più altri suoni e tali rumori devono essere identificati e ridotti al minimo.

Oltre ad affrontare i cambiamenti apportati dai veicoli elettrici, le tre tendenze più importanti nell'ingegneria NVH sono le innovazioni in termini di assorbimento acustico, cancellazione attiva del rumore e progettazione attiva del suono (ASD). Le aziende stanno ricercando nuovi materiali e nuovi metodi di produzione, come la stampa 3D, per creare strutture che smorzano o assorbono suoni e vibrazioni. I ricercatori stanno inoltre esaminando i miglioramenti apportati all'edge computing dei veicoli, la tecnologia dei sensori migliorata e i generatori audio più efficienti per misurare e ridurre il rumore indesiderato. Una volta ridotto il rumore tramite mezzi passivi o attivi, c'è spazio per creare nuovi suoni. Ad esempio, con ASD, è possibile sviluppare suoni futuristici per fornire un feedback uditivo della coppia elevata di un ePowertrain o generare suoni 3D delicati per gli allarmi dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Un suono attivo EV obbligatorio è il suono esterno a bassa velocità, che è il sistema di allarme acustico del veicolo.

L'area di ricerca più promettente è l'uso dell'intelligenza artificiale (IA) da parte dei team di ricerca e sviluppo per comprendere e quantificare la ruvidità, spostandola da un'interpretazione soggettiva a una quantità oggettiva e misurabile. 

Risorse correlate