فرآیند توسعه و فناوری‌های NVH در خودرو

مانوپارت لب : در این مقاله قصد داریم به بررسی فرآیند توسعه و فناوری های NVH در خودرو بپردازیم. همان طور که می دانید رانندگی برای بسیاری از ما فرصتی برای لذت بردن از مسیر، گفت‌وگو با عزیزان و یا گوش دادن به موسیقی مورد علاقه مان است. اما گاهی صدای موتور، ارتعاش جاده و برخورد باد به کابین خودرو می‌توانند این لذت را کمرنگ کنند و آرامش شما را به هم بزنند. شاید تصور کنید این مشکلات تنها در خودروهای قدیمی وجود دارند، اما حتی خودروهای مدرن و پیشرفته نیز نمی‌توانند به‌طور کامل از این چالش رهایی یابند.

این صداها و لرزش‌ها تنها حس رانندگی را تغییر نمی‌دهند، بلکه می‌توانند بر دوام خودرو و حتی تصمیم مشتریان برای خرید یک مدل خاص تأثیر بگذارند. خودروسازان می‌دانند که اگر این مشکلات کنترل نشوند، نه‌تنها تجربه رانندگی ناخوشایند می‌شود، بلکه هزینه‌های گارانتی افزایش یافته و رضایت مشتریان کاهش پیدا می‌کند. به همین دلیل، مهندسان به دنبال راه‌هایی هستند تا با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، تأثیر NVH را به حداقل برسانند.

عملکرد NVH (Noise, Vibration, and Harshness) مستقیماً بر ادراک مشتری از کیفیت یک خودرو تأثیر می‌گذارد. این عامل نه‌تنها بر میزان فروش خودرو، بلکه بر دوام، هزینه‌های گارانتی و راحتی رانندگی نیز اثرگذار است. طراحی مناسب NVH نیازمند یک فرآیند توسعه ساختاریافته و پیروی از اصول مهندسی سیستماتیک است. این فرآیند باید تعادلی بین ویژگی‌هایی مانند پویایی خودرو، تصویر برند، جایگاه بازار و انتظارات مشتریان ایجاد کند. در این مقاله، فرآیند توسعه NVH، مفاهیم اساسی و فناوری‌های نوین مرتبط با آن بررسی می‌شود.

1. اصول پایه NVH در خودرو

NVH  شامل سه جنبه اصلی است:

 

• • نویز:  صداهای ناخواسته از منابع مختلفی مانند موتور، باد یا تایرها که در محدوده شنوایی انسان (۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز) هستند و به به داخل کابین نفوذ می‌کنند.

• • لرزش:  لرزش‌هایی که از سیستم تعلیق یا تماس تایرها با جاده به بدنه خودرو منتقل می‌شوند . این ارتعاشات لمسی تا فرکانس ۱۰۰ هرتز مورد توجه قرار می‌گیرند.

• • ناهنجاری:  ضربه‌ها و احساسات ناخوشایندی که از ناهمواری ‌های جاده یا عملکرد سیستم‌ های مکانیکی ایجاد می‌شوند.

که به دو دسته کلی تقسیم می‌شود:

1.۱ نویزهای سازه‌ای نویزهای سازه‌ای ناشی از ارتعاشات بدنه، سیستم تعلیق و قطعات مکانیکی هستند. این نویزها معمولاً در بازه فرکانسی زیر ۳۰۰-۵۰۰ هرتز قرار دارند و شامل موارد زیر هستند:

 

• • لرزش‌های کم‌فرکانس (Shake): لرزش‌های فرمان، بدنه و صندلی ناشی از نامتعادلی چرخ‌ها و ناهمواری‌های جاده

• • صدای بوم (Boom): صدای فرکانس پایین که در اثر ارتعاشات سیستم انتقال قدرت و اگزوز ایجاد می‌شود

• • نویز موآن (Moan): صدای تولید شده در محدوده ۸۰-۱۲۰ هرتز ناشی از ارتعاشات پیشرانه و سیستم تعلیق

1.۲ نویزهای هوابرد نویزهایی که مستقیماً از منبع صدا به داخل کابین منتشر می‌شوند. این دسته از نویزها معمولاً در فرکانس‌های بالاتر از ۴۰۰ هرتز قرار دارند و شامل موارد زیر هستند:

 

• • نویز ناشی از پیشرانه:  نویزی که از موتور، اگزوز و سیستم‌های جانبی مانند گیربکس و سیستم القای هوا ساطع می‌شود.

• • نویز باد:  صدایی که در اثر عبور جریان هوا از اطراف بدنه و نشت‌های موجود در درزهای خودرو ایجاد می‌شود.

• • نویز جاده:  صدایی که از تماس تایر با سطح جاده ناشی می‌شود و معمولاً بین ۲۰ تا ۱۰۰۰ هرتز قرار دارد.

2. فناوری‌های کاهش  NVH

2.1 اصول طراحی برای کاهش  NVH

یکی از مهم‌ترین روش‌های کاهش نویز و ارتعاش، بهینه‌سازی طراحی بدنه و سیستم تعلیق است. راهکارهای کلیدی شامل موارد زیر است:

2.1.1 جداسازی فرکانسی و جلوگیری از تشدید فرکانسی جدا کردن فرکانس‌های تحریک از فرکانس‌های طبیعی سازه‌های خودرو است. این کار با طراحی بدنه، سیستم تعلیق و اجزای داخلی به گونه‌ای انجام می‌شود که فرکانس‌های ارتعاشی آن‌ها هم‌پوشانی نداشته باشند. برخی از اقدامات کلیدی عبارتند از:

 

• • جلوگیری از هم‌زمانی فرکانس‌های بدنه با فرکانس‌های تولیدی موتور.

• • جلوگیری از انطباق مدهای پیچشی بدنه با ارتعاشات سیستم تعلیق.

• • تنظیم مناسب فرکانس‌های اجزای کلیدی مانند ستون فرمان، داشبورد و سقف خودرو.

2.1.2 کنترل سختی بدنه سختی بدنه خودرو تأثیر مستقیمی بر میزان نویز و لرزش دارد. افزایش سختی باعث کاهش جابجایی و تغییر شکل‌های بدنه در برابر نیروهای خارجی می‌شود، اما در عین حال می‌تواند منجر به افزایش بازتاب نویز شود. بنابراین بهینه‌سازی سختی بدنه نیازمند بررسی دقیق است.

2.1.3 طراحی مناسب سیستم تعلیق تعلیق خودرو نقش مهمی در جذب ارتعاشات و جلوگیری از انتقال آن‌ها به بدنه دارد. استفاده از مواد جاذب و مستهلک‌کننده انرژی برای کاهش ارتعاش و بهینه‌سازی مسیرهای انتقال نیرو می‌تواند تأثیر زیادی بر عملکرد NVH داشته باشد.

2.1.4 جداسازی بدنه از سیستم‌های دیگر برای جلوگیری از انتقال لرزش‌های سیستم تعلیق و پیشرانه به بدنه، لازم است که بدنه به‌طور موثری از این سیستم‌ها جدا شود. این امر از طریق طراحی بهینه اتصالات بدنه برای کاهش مسیرهای انتقال لرزش و نقاط اتصال سیستم تعلیق و موتور به بدنه محقق می‌شود.

2.2 سیستم کنترل نویز فعال (ANC)

یکی از فناوری‌های نوین در زمینه کاهش نویز، استفاده از کنترل نویز فعال (ANC) است. این سیستم با استفاده از میکروفون‌های داخلی، نویزهای مزاحم را شناسایی کرده و با تولید امواج صوتی معکوس، آن‌ها را خنثی می‌کند.

 نمونه‌هایی از استفاده ANC در برندهای معروف:

 

• • آئودی A8 و Q7: مجهز به سیستم ANC که با پردازش سیگنال دیجیتال، نویزهای ناشی از باد و تایر را کاهش می‌دهد.

• • بی‌ام‌و M5: استفاده از فناوری Active Sound Design (ASD) که علاوه بر حذف نویزهای ناخواسته، صدای موتور را برای تجربه بهتر رانندگی بهینه می‌کند.

• • لکسوس LS 500h: بهره‌گیری از ANC برای کاهش نویزهای پایین‌فرکانس و ایجاد تجربه‌ای آرام‌تر در کابین خودرو.

2.3  کنترل نویز جاده‌ای (RANC)

کنترل نویز جاده‌ای (RANC) نسخه پیشرفته‌تر ANC است که علاوه بر نویز موتور، صداهای ناشی از تماس تایرها با سطح جاده را نیز حذف می‌کند.

نمونه‌ اجرایی:

 

• • هیوندای GV80: مجهز به سیستم RANC که با همکاری شرکت Analog Devices توسعه یافته است و می‌تواند نویز تایرها را در کمتر از 0.002 ثانیه خنثی کند.

2.4 مواد هوشمند برای کاهش نویز

برخی خودروسازان از مواد هوشمند جاذب صدا مانند فوم‌های چندلایه و پلیمری جدید با قابلیت تنظیم ضخامت استفاده می‌کنند تا میزان نویز انتقال‌یافته به داخل کابین را کاهش و عملکرد آکوستیکی خودرو را بهبود بخشند.

2.5 فناوری‌های پیشرفته شبیه‌سازی (CAE)

توسعه فناوری‌های CAE (مهندسی به کمک کامپیوتر) امکان مدل‌سازی و پیش‌بینی عملکرد NVH را به‌طور دقیق فراهم کرده است. نرم‌افزارهایی مانند LMS Virtual Lab و Altair HyperWorks برای این منظور استفاده می‌شوند. در کنار شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، فناوری‌های نوینی برای اندازه‌گیری و تحلیل NVH در شرایط واقعی توسعه یافته‌اند. این فناوری‌ها با استفاده از تجهیزات دقیق، به خودروسازان کمک می‌کنند تا منابع نویز و لرزش را بهتر درک کرده و راهکارهای موثرتری برای کاهش آن‌ها ارائه دهند. برخی از تأثیرات کلیدی این فناوری‌ها عبارتند از:

 

2.5.1  شناسایی دقیق منابع نویز و ارتعاش

با استفاده از هولوگرافی صوتی میدان نزدیک، مهندسان می‌توانند نقاط دقیق تولید نویز در داخل و خارج خودرو را تصویربرداری  و مشخص کنند. این روش تصویری سه‌بعدی از توزیع نویز ارائه می‌دهد و به مهندسان کمک می‌کند تا مؤثرترین راهکارها را برای کاهش نویز طراحی کنند.

2.5.2 بررسی ارتعاشات سطوح مختلف خودرو

ویبرومتری لیزری سه‌بعدی ابزاری پیشرفته برای اندازه‌گیری ارتعاشات ارتعاشات سطوح مختلف خودرو است. این فناوری به مهندسان اجازه می‌دهد تا ارتعاشات ناشی از پیشرانه، سیستم تعلیق، شاسی و قطعات داخلی را ارزیابی کرده و تغییرات لازم را اعمال کنند.

2.5.3 بهینه‌سازی طراحی بدنه و قطعات

آزمون‌های دینامیکی مجازی امکان شبیه‌سازی شرایط رانندگی واقعی در شرایط مختلف.را فراهم می‌کنند. این فناوری کمک می‌کند تا قبل از تولید انبوه خودرو، طراحی بدنه و اتصالات سیستم‌های مکانیکی بهینه شده و میزان انتقال نویز و ارتعاش کاهش یابد.

فناوری‌های پیشرفته آزمایشگاهی به خودروسازان کمک می‌کنند تا مشکلات NVH را قبل از تولید انبوه شناسایی، علت‌یابی و برطرف کنند که با افزایش دقت طراحی و کاهش هزینه‌های گارانتی، تأثیر مثبتی بر کیفیت و بازارپسندی خودروها شوند.

 

3. تأثیر NVH بر خودروهای برقی

با گسترش خودروهای برقی، تغییرات قابل توجهی در تجربه رانندگی و نویز و ارتعاشات خودرو به وجود آمده است. این خودروها با استفاده از موتورهای الکتریکی به جای موتورهای درون‌سوز، برخی از مشکلات نویز و ارتعاشات را کاهش می‌دهند، اما در عین حال چالش‌های جدیدی نیز به وجود می‌آورند. در اینجا تأثیرات NVH بر خودروهای برقی را بررسی می‌کنیم:

 

• • کاهش نویز موتور

در خودروهای درون‌سوز، صدای موتور به عنوان یک منبع مهم نویز شناخته می‌شود. اما در خودروهای برقی، به دلیل استفاده از موتورهای الکتریکی، این صدا به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این امر موجب کاهش سطح نویز در داخل کابین می‌شود و رانندگان و سرنشینان تجربه‌ای آرام‌تر و راحت‌تر خواهند داشت.

 

• • افزایش اهمیت نویز جاده و باد

در نبود صدای موتور، نویزهای ناشی از جاده و باد به طور واضح‌تری شنیده می‌شوند. عبور جریان هوا از روی بدنه خودرو و تماس تایرها با سطح جاده به وضوح در داخل کابین احساس می‌شود. این نویزها در خودروهای برقی می‌توانند بیشتر نمایان شوند و به همین دلیل، کنترل و کاهش آن‌ها اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

 

• • ارتعاشات سیستم‌های برقی و باتری

در خودروهای برقی، سیستم‌های الکتریکی و باتری‌ها به عنوان منابع جدید ارتعاشات معرفی می‌شوند. این ارتعاشات می‌توانند از طریق ساختار خودرو به داخل کابین منتقل شوند. به‌خصوص زمانی که باتری‌ها تحت بار سنگین قرار می‌گیرند یا موتورهای الکتریکی در حال کار هستند، این ارتعاشات می‌توانند به احساسات ناخوشایند در راننده و سرنشینان منجر شوند.

در نهایت، هرچند خودروهای برقی از نظر کاهش نویز موتور در موقعیت بهتری قرار دارند، اما نیاز به مدیریت بهتر نویزهای ناشی از جاده، باد و ارتعاشات دیگر به‌ویژه در سرعت‌های بالا همچنان وجود دارد تا تجربه رانندگی آرام و بی‌صدای این خودروها بهبود یابد.

نتیجه‌گیری

NVH  یک جنبه کلیدی در طراحی خودروهای مدرن است که تأثیر زیادی بر راحتی راننده، دوام خودرو و فروش آن دارد. فرآیند توسعه NVH نیازمند استفاده از مدل‌های مهندسی سیستماتیک، فناوری‌های پیشرفته شبیه‌سازی و آزمایشگاهی و طراحی دقیق بدنه و سیستم‌های خودرو است. با پیشرفت فناوری‌های کنترل فعال، امکان بهینه‌سازی هرچه بیشتر عملکرد NVH و ایجاد تجربه‌ای آرام‌تر برای سرنشینان فراهم شده است. در نهایت، این تحولات در دنیای خودروسازی به یک آینده نزدیک منتهی می‌شود، جایی که خودروهای مجهز به این فناوری‌های پیشرفته، نه تنها رانندگی را به تجربه‌ای بی‌صدا و آرام تبدیل می‌کنند، بلکه این سکوت و راحتی، نقطه‌عطفی در تغییر تعریف ما از سفر خواهد بود. جاده‌های پر سر و صدا به خاطرات تبدیل می‌شوند و رانندگی به‌واقع به یکی از لذت‌بخش‌ترین بخش‌های روزمره تبدیل خواهد شد.

منابع:

1. https://blog.son-video.com/en/2024/11/the-history-of-active-noise-cancelling-in-cars/
2. https://www.analog.com/en/signals/articles/hyundai-noise-cancellation-technology.html
3. https://carcrazyus.com/active-noise-cancellation-to-create-a-quieter-cabin-environment/
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Active_sound_design#cite_note-19
5. https://en.wikipedia.org/wiki/BMW_M5
6. https://newsroom.lexus.eu/cabin-calm-and-a-chorus-of-power-in-the-lexus-lc-convertible/#:~:text=CRAFTING%20THE%20PERFECT%20ENGINE%20SOUND%20Active%20Noise,booming%20sound%20from%20the%20engine%20and%20drivetrain.
7. https://www.bimmer-tech.net/blog/item/137-bmw-active-sound-design#:~:text=to%20do%20both.-,What%20is%20BMW%20Active%20Sound%20Design?,why%20it’s%20worth%20upgrading%20it.
8. Shaobo Young, Ph.D, ‘Vehicle NVH Development Process and Technologies’, The 21st International Congress on Sound and Vibration, ChangAn Ford Automotive Inc, Chongqing, China, 401122, syang1@ford.com.
9. VEHICLE NVH DEVELOPMENT PROCESS AND TECHNOLOGIES