Περί θορύβου: The art of noise!

Tις τελευταίες δεκαετίες οι κατασκευαστές αναζητούν συνεχώς καλύτερες λύσεις για την καταστολή του θορύβου κάνοντας την ζωή του οδηγού πιο εύκολη δημιουργώντας ένα ευχάριστο και άνετο περιβάλλον.

Τα αθόρυβα αυτοκίνητα αποτελούν σήμα κατατεθέν του σύγχρονου μάρκετινγκ για πολλούς κατασκευαστές αυτοκινητοβιομηχανιών. Πριν από μερικές δεκαετίες το αθόρυβο αυτοκίνητο αποτελούσε προϊόν υψηλής τεχνολογίας προσδίδοντας αίσθηση πολυτέλειας πράγμα το οποίο ισχύει μέχρι και σήμερα. Το έργο που καλούνται να φέρουν εις πέρας σχεδιαστές και μηχανικοί είναι πολύ πιο δύσκολο από ότι φαίνεται.

Οι ειδικοί προσπαθούν να μειώσουν τα επίπεδα του θορύβου με διάφορες ενέργειες όπως οι προσθήκες ηχομονωτικών υλικών και οι μακροχρόνιες μελέτες μέσα σε ανηχοικούς θαλάμους.  Σκεφτείτε άλλωστε πώς να μην εκπέμπει θόρυβο ένα όχημα του οποίου η κινητήρια δύναμη προέρχεται από μηχανές εσωτερικής καύσεως, αν ληφθεί υπόψη η επιπλέον η κίνηση όλων των υπόλοιπων μηχανικών μαζών και των παρελκόμενων μηχανισμών, η κύλιση των ελαστικών και οι αεροδυναμικοί θόρυβοι;

H ραγδαία εξέλιξη της ηλεκτρονικής σε συνδυασμό με τους ανηχοικούς θαλάμους βοήθησαν τους μηχανικούς να μεταφέρουν με ακρίβεια τους θεωρητικούς υπολογισμούς στην πράξη. Οι ειδικοί έχουν την δυνατότητα μέσα από ειδικά software να υπολογίζουν τις διάφορες παραμέτρους της καταστολής του θορύβου ύστερα από την ανάλογη επεξεργασία των μετρήσεων μέσα από συγκεκριμένα μαθηματικά μοντέλα του προγράμματος. 

Σε τέτοιου είδους θαλάμους οι ειδικοί εξομοιώνουν τις οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας σε απόλυτη ησυχία ώστε να καταγράφεται αναλυτικά και με ακρίβεια το εύρος και η συχνότητα των θορύβων που προέρχονται αποκλειστικά και μόνο από το αυτοκίνητο. Σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα από έναν απαιτητικό ιδιοκτήτη μπορεί να θεωρηθούν ιδιαίτερα ενοχλητικοί διάφοροι μικροθόρυβοι όπως για παράδειγμα η λειτουργία ενός μοτέρ των ηλεκτρικών παραθύρων. Το τελευταία χρόνια οι μηχανικοί των εταιριών έχουν αλλάξει την μέθοδο προσέγγισης του προβλήματος εστιάζοντας κατευθείαν στην πηγή, τον σχεδιασμό του αμαξώματος και την γεωμετρική κατασκευή των ελαστικών.

Ο συνηθέστερος και οικονομικότερος τρόπος καταστολής του θορύβου είναι η προσθήκη μονωτικών υλικών και φίλτρα θορύβου με στόχο την απορρόφηση των ταλαντώσεων του αέρα. Στα πολυτελή και ακριβά οχήματα δεν υπάρχει ιδιαίτερο πρόβλημα σε ότι αφορά την αύξηση του βάρους διότι οι κινητήρες είναι επί το πλείστον μεγάλου κυβισμού και ιπποδύναμης.

Στις μικρότερες κατηγορίες ο συνδυασμός ώστε να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα η στάθμη του θορύβου και η κατανάλωση του καυσίμου χωρίς να αυξηθεί το βάρος είναι ιδιαίτερα δύσκολος και συνήθως το αποτέλεσμα είναι απλά ικανοποιητικό. Για παράδειγμα η αύξηση του πάχους διαφόρων τμημάτων όπως των γυάλινων επιφανειών (η οποία όμως λόγω της δομής του γυαλιού είναι αποτελεσματική για συχνότητες άνω των 100Hz) επιβαρύνει την κατανάλωση.

O θόρυβος που παράγεται από ένα αυτοκίνητο αποτελεί την συνισταμένη των δονήσεων πολλών πηγών. Οι συνιστώσες πηγές μπορεί να είναι ο κινητήρας, η εξάτμιση, οι αεροδυναμικοί θόρυβοι, οι θόρυβοι που προέρχονται από την κύλιση των ελαστικών, η πλατφόρμα του αυτοκινήτου, το σύστημα διεύθυνσης κ.λ.π. Ο θόρυβος που παράγεται στην καμπίνα των επιβατών ονομάζεται εσωτερικός ενώ ο θόρυβος που εκπέμπεται προς το περιβάλλον εξωτερικός. Φυσικό επακόλουθο είναι το γεγονός ότι οι εκπομπές του εξωτερικού θορύβου διαπερνούν την καμπίνα του αυτοκινήτου και επηρεάζουν και τα επίπεδα του εσωτερικού θορύβου. Η στάθμη εκπομπής του εξωτερικού θορύβου περιορίζεται αυστηρά από μια συγκεκριμένη διαδικασία μέτρησης όπως έχει διαρρυθμιστεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση.

Πόσο δύσκολο έργο μπορεί να είναι η κατάπνιξη του θορύβου που εκπέμπεται από ένα μηχάνημα του οποίου η αρχή λειτουργίας βασίζεται σε θερμοδυναμικούς κύκλους εκρήξεων; Ο τρικύλινδρος κινητήρας αποτελεί έναν από τους πιο θορυβώδεις κινητήρες που εφαρμόζονται σε αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής με λιγότερο τους τετρακύλινδρους.

Τέτοιου είδους κινητήρες με μικρό κυβισμό εφαρμόζουν διάφορες εταιρίες στην κατηγορία των σούπερ μίνι όπως για παράδειγμα η Opel στο Agila και η Daihatsu στο Move. Αντίθετα, τους πολυκύλινδρους κινητήρες (π.χ. οι εξακύλινδροι) τους διακρίνει η βελούδινη χροιά και η ομαλή λειτουργία εξαιτίας της καλύτερης κατανομής των δονήσεων εξαιτίας της γεωμετρικής διάταξης.

Με λίγα λόγια το «ζύγισμα» των πολυκύλινδρων κινητήρων  είναι πολύ καλύτερο αφού η κίνηση του ενός εμβόλου εξισορροπεί κατά κάποιο τρόπο την κίνηση του άλλου. Τα υψηλά επίπεδα θορύβου εμφανίζονται σε υψηλές στροφές και σε περιορισμένο εύρος σε αντίθεση με τους τετρακύλινδρους που παρουσιάζονται σε ένα μεγάλο εύρος στροφών. Εκτός από τον τύπο του κινητήρα, η εγκατάσταση ή αν θέλετε η έδραση του κινητήρα είναι ένας από τους μεγαλύτερους συντελεστές που εμποδίζουν την μεταβίβαση των κραδασμών στην καμπίνα των επιβατών διασφαλίζοντας καλύτερη ποιότητα κύλισης ενώ παράλληλα συγκρατούν τον θόρυβο σε χαμηλά επίπεδα.

Οι σιγαστήρες (σιλανσιέ) των εξατμίσεων είναι το μηχανικό τμήμα το οποίο είναι υπαίτιο για την καταστολή του θορύβου του συστήματος εξαγωγής. Η αρχή λειτουργίας της κατασκευής του βασίζεται στην ανάκλαση και την σταδιακή κατάπνιξη των ηχητικών κυμάτων περνώντας μέσα από πολύπλοκα διαφράγματα και κανάλια τα οποία είναι κατασκευασμένα από απορροφητικά υλικά. Το βασικότερο μειονέκτημα των σημερινών σιλανσιέ είναι ο μεγάλος όγκος και βάρος.

Η Silentex, η οποία αποτελεί βασικό προμηθευτή αρκετών ευρωπαίων κατασκευαστών αυτοκίνητων, υποστηρίζει ότι μπορεί να περιορίσει τα παραπάνω μειονεκτήματα τόσο αποτελεσματικά όσο και τα επίπεδα του θορύβου. Σύμφωνα με την εταιρία μέχρι και το 2005 το 75% των σιγαστήρων δεν θα είναι κενοί με διαφράγματα μεγάλων διαστάσεων και βάρους, αλλά θα παραγεμίζονται με υαλονήματα τα οποία θα απορροφούν και θα αλλάζουν την χροιά του ήχου βοηθώντας στην καταστολή του φαινομένου. Βασικό πλεονέκτημα των υαλονημάτων είναι ο υψηλός βαθμός απορροφητικότητας των ηχητικών κυμάτων και ο μεγάλος αντιδιαβρωτικό συντελεστής.

Εκτός από τον κινητήρα οι εξωτερικοί θόρυβοι που αναπαράγονται κατά την κίνηση ενός επιβατικού οχήματος προέρχονται από άλλες δυο βασικές πηγές. Όταν το αυτοκίνητο κινείται δημιουργούνται θόρυβοι κατά τον στροβιλισμό του αέρα. Οι αεροδυναμικοί θόρυβοι προέρχονται από τον παλμική κίνηση του αέρα  η οποία στροβιλίζεται για παράδειγμα στις διάφορες εσοχές των θυρών όπως στα παράθυρα και στα σημεία που εφαρμόζει η πόρτα. Οι θόρυβοι κύλισης προέρχονται από την τριβή των ελαστικών στο οδόστρωμα.

Για αυτό το λόγο οι κατασκευάστριες εταιρίες θα πρέπει να πληρούν ορισμένες προδιαγραφές όσον αφορά τα γεωμετρικά στοιχεία του πέλματος, μειώνοντας τις ταλαντώσεις και τις τριβές μεταξύ πέλματος και οδοστρώματος μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο τα ανεπιθύμητα ακουστικά κύματα. Όπως φαίνεται και στο σχήμα οι θόρυβοι κατά την κύλιση αποτελούν φυσικό επακόλουθο ενώ μπορούν να παραχθούν από την επαφή κακής ποιότητας του οδοστρώματος, την δημιουργία υποπίεσης, τον συντονισμό του αέρα ανάμεσα στα αυλάκια και την μη σωστή διάδοση των αέριων μαζών. Στο σημείο αυτό τον μεγαλύτερο ρόλο λαμβάνει και η ικανότητα απόσβεσης της ανάρτησης ώστε να φιλτράρει σωστά τις ανωμαλίες και να καταπραΰνει τους κραδασμούς.

Ο ήχος δημιουργείται από έναν παλμό που αλλάζει την πυκνότητα του αέρα στο πέρασμα του. Η παραπάνω αλλαγή στην πυκνότητα του αέρα φτάνει στο ανθρώπινο αφτί σε κυματοειδή μορφή. Μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους καταστολής του θορύβου είναι η μέθοδος της παθητικής ηχοακύρωσης.

Δυο αντηχεία με συγκεκριμένες ιδιοσυχνότητες εκπομπής βρίσκονται συνδεμένα με την πηγή θορύβου. Όταν οι παλλόμενες αέριες μάζες όπου στην ουσία πρόκειται για τον θόρυβο, διαπερνούν και το ηχείο τότε αυτό παράγει ένα άλλο παλλόμενο κύμα με την ίδια περίπου συχνότητα και εύρος αλλά με αντίθετη φάση 180 μοίρες. Η σύγκρουση των δυο κυμάτων με αντίθετη φάση έχει ως συνιστάμενη την δημιουργία ενός κύματος με σχεδόν μηδενικό εύρος μειώνοντας τα επίπεδα της ηχορύπανσης.

Βασικό μειονέκτημα στην εφαρμογή τους στην αυτοκίνηση είναι το σχετικά μικρό εύρος λειτουργίας. Η μείωση του θορύβου κατά 3dB είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι ακούγεται και αυτό διότι η κλίμακα ντεσιμπελομέτρησης είναι λογαριθμική. Αναλυτικότερα αν μετατρέψουμε το λογαριθμικό μοντέλο σε γραμμικό  τότε για κάθε αύξηση 3dB η ευαισθησία ή αν θέλετε η ένταση του ήχου θα διπλασιάζεται. Αναλυτικότερα αν ένα όχημα εκπέμπει 80dB και μια άλλη πηγή θορύβου εξίσου 80dB τότε το σύνολο του θορύβου δεν θα είναι 160 αλλά 83dB.

Μια από τις εταιρίες που έχει προβληματιστεί εδώ και περίπου δυο δεκαετίες σχετικά με το θέμα του εσωτερικού θορύβου είναι η Lotus σε συνεργασία με την Pioneer. Η αγγλική εταιρία εκμεταλλεύεται κυρίως την μέθοδο των ενεργητικών συστημάτων καταστολής προσπαθώντας να μειώσει τα επίπεδα των θορύβων κυρίως στα επιβατικά μικρού κυβισμού. Όπως φαίνεται και στο σχήμα σε ένα επιβατικό σε μελετητικό στάδιο έχουν τοποθετηθεί οκτώ μικρόφωνα και έξι κρυφά ηχεία. Ο ψηφιακός επεξεργαστής λαμβάνει τον ήχο που καταγράφουν τα μικρόφωνα και μετά από ανάλογη επεξεργασία εκπέμπονται τα κύματα αντικρότησης του θορύβου από τα ηχεία.

Οι τερακύλινδροι κινητήρες με την συγκεκριμένη μέθοδο παρουσιάζουν τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα. Το εύρος και η συχνότητα των παραπάνω κινητήρων βοηθά το φαινόμενο της ηχοακύρωσης σε ένα ευρύ φάσμα στοφών και συχνοτήτων από τις 900 rpm (30Hz) έως και τις 6000 rpm (200Hz). Η αναπαραγωγή του κύματος της αντικρότησης γίνεται μέσα σε ένα δέκατο του δευτερολέπτου.

Ανάλογες μεθόδους έχει μελετήσει και η Ford και μάλιστα ένα πρόσφατο παράδειγμα είναι το Explorer. Στα σπορ αυτοκίνητα πρωταρχικός σκοπός δεν είναι η καταστολή του θορύβου αλλά η μετάλλαξη της χροιάς του ήχου. Άλλωστε δεν είναι λίγοι και οι οδηγοί που θέλουν να έχουν στην κατοχή τους ένα γρήγορο όχημα που να ακούγεται το μουγκρητό του υποκείμενου κάτω από το καπό «θηρίου» ή το μελωδικό κροτάλισμα ενός υπερτροφοδότη.

Βάση στατιστικών ο ευρωπαίος οδηγός καταναλώνει κατά μέσο όρο περίπου δυο με τρεις ώρες την ημέρα στην καμπίνα του αυτοκινήτου του. Αν αναλογιστείτε ότι τις δεκαέξι από αυτές τις αφιερώνει στην δουλειά του και για την ξεκούραση του να είστε βέβαιοι ότι οι ειδικοί θα κάνουν ότι μπορούν ώστε να κάνουν το περιβάλλον του οδηγού πιο ευχάριστο χωρίς να ταλαιπωρείται από τον αόρατο «επισκέπτη», κυρίως μέσα στα μεγάλα αστικά κέντρα όπου τα μεγάλα μποτιλιαρίσματα κοστίζουν σε χρόνο και σε νεύρα.

Εν κατακλείδι να είστε σίγουροι ότι οι κατασκευαστές αυτοκινήτων με αρωγό την συνεχής εξέλιξη της ηλεκτρονικής και τα αποτελέσματα που απορρέουν από τις συνεχείς μελέτες θα βοηθήσουν τον οδηγό να βρει μια από τις πιο αναγκαίες συνθήκες, την ησυχία του. Άλλωστε τέτοιου είδους gadgets τα απαιτεί και το σύγχρονο τμήμα πωλήσεων…

Eυρωπαϊκή νομοθεσία και κανονισμοί μετρήσεων εξωτερικού θορύβου

Σχεδόν από την δεκαετία του 1970 οι κανονισμοί της εκπομπής του εξωτερικού θορύβου ενός αυτοκίνητου συνεχώς γίνονται ολοένα και πιο περιοριστικοί. Η τελευταία αναθεώρηση των κανονισμών της ευρωπαϊκής ένωσης όσον αφορά την εκπομπή του θορύβου από αυτοκίνητα έγινε σύμφωνα με την οδηγία 92/97 στην οποία αναφέρονται η αποδεκτή ηχοστάθμη και ισχύει από την 1/10/1995.

Όπως φαίνεται τα επιτρεπόμενα όρια έχουν σημειωθεί αρκετά ενώ στο μέλλον η ευρωπαϊκή ένωση πρόκειται να μειώσει τα επίπεδα της εκπομπής του εξωτερικού θορύβου ακόμα περισσότερο για τα επιβατικά οχήματα από τα ισχύοντα 74 dB στα 71dB. Όπως φαίνεται στο σχήμα καθώς το αυτοκίνητο εισέρχεται στην περιοχή δοκιμής δυο μικρόφωνα ακριβείας τοποθετημένα σε ύψος 1,2 μέτρων και σε απόσταση 7,5 μέτρων καταγράφουν την ένταση του θορύβου. Στον κάτωθι πίνακα στην πρώτη στήλη, αναφέρονται τα μέγιστα ισχύοντα όρια του θορύβου ενώ στην δεύτερη στήλη τα όρια που ίσχυαν πριν.

Δημοσιευμένο στο περιοδικό Car & Driver (Τεύχος Μαρτίου 2003)