Virtuální NVH analýza: Klíč k tichému a komfortnímu vozidlu

V dnešní době, kdy zákazníci očekávají nejen výkon a bezpečnost, ale i maximální jízdní komfort, hraje analýza hluku a vibrací (NVH – Noise, Vibration, Harshness) zásadní roli v návrhu moderních vozidel. Pomocí pokročilých simulačních nástrojů dnes dokážeme přesně předpovědět, kde hluk vzniká, kudy se hluk šíří, jak ovlivňuje posádku, a jakými úpravami konstrukce jej můžeme potlačit – ještě předtím, než je vyroben jediný prototyp.

Co je NVH analýza a proč je důležitá?

NVH analýza slouží k pochopení a omezení přenosu hluku a vibrací ve vozidle. Zaměřuje se na zdroje hluku a vibrací, cesty přenosu a vnímání posádky, přičemž zohledňuje:

• Hluk vznikající ve struktuře – například valivý hluk přenášený podvozkem nebo hluk přenášený od motoru (structure-borne noise)
• Aerodynamický – přenášený karoserií
• Akustiku interiéru – rezonance kabiny a vliv výplní, výztuh či obložení
• Vibrační komfort – Vibrace negativně ovlivňují pocit z jízdy, způsobují rychlejší únavu.

Cílem je dosáhnout požadovanou úroveň akustického a vibračního komfortu cestujících, a zároveň splnění všech norem pro vnější hlučnost.

Watterfall diagram vyjadřuje komplexnost motorového hluku pro různé otáčky motoru

Jak NVH simulace funguje?

Pro kompletní pokrytí slyšitelného akustického spektra od 0 do 20 000 Hz využíváme kombinaci několika výpočtových metod:

Metoda konečných prvků (FEA – Finite Element Analysis)

Používá se hlavně pro nízkofrekvenční jevy (do cca 500–1000 Hz). Zde se jedná o modelování:

• Rezonancí karoserie a dílů
• Přenosu vibrací od motoru, zavěšení a silnice
• Vibroakustické interakce (např. mezi konstrukcí a akustickou kavitou)

Statistická energetická analýza (SEA – Statistical Energy Analysis)

Určena pro vyšší frekvence (typicky nad 1–2 kHz), kde:

• Wavelenght (vlnová délka) je krátká
• Modelování detailní geometrie je příliš výpočetně náročné
• Používá se pro analýzu přenosu energie mezi panely, výplněmi a akustickými oddíly.

Metoda hraničních prvků (BEM – Boundary Element Method)

BEM je výhodná tam, kde se simuluje šíření zvuku v otevřeném prostoru (např. vnější hlučnost vozidla):

• Používá se pro simulaci vyzařování akustického pole do okolí
• Výhodou je, že není potřeba modelovat celý objem okolního vzduchu, pouze jeho hranice
• V ACTRAN se často kombinuje s FEA pro hybridní vibroakustickou analýzu

Ray Tracing (sledování paprsků)

Používá se pro velmi vysoké frekvence nebo rozsáhlé prostory (např. kabiny letadel nebo vlaků). Simuluje se zde:

• Odraz a útlum akustických paprsků od povrchů
• Akustická energie se sleduje po přímých cestách mezi zdrojem a přijímačem

Modalní a vibroakustická redukce (Component Mode Synthesis, Craig-Bampton)

Umožňuje zjednodušení výpočtu velkých struktur při zachování důležitých dynamických vlastností:

• Redukce modelu pro opakované použití (např. platformy, podsestavy)
• Vhodné pro hybridní analýzy nebo spojení se systémovým modelem

Hybridní FEA/BEM nebo FEA/SEA přístupy

V praxi se velmi často používají kombinace metod, například:

• FEA pro konstrukci + BEM pro akustiku (např. motorový kryt + okolní prostor)
• FEA pro nízké frekvence + SEA pro vysoké (např. vnitřní akustika kabiny

Airborne noise projekce v oblasti okna

Virtuální model vozidla

Typický akustický model může obsahovat více než 50 milionů stupňů volnosti. Kombinuje:

• Strukturální síť karoserie a pohonného ústrojí
• Akustickou kavitu interiéru – vnitřní prostor kabiny modelovaný jako akustické pole
• Panely, obložení, těsnění – s materiálovými vlastnostmi tlumení a přenosu

Důkladný popis tuhosti konstrukce je zásadní pro pochopení její akustické reakce

Vstupy a výstupy simulace

Vstupy:

• Geometrie CAD modelu
• Materiálové vlastnosti (modul pružnosti, tlumení, hustota, impedanční charakteristiky)
• Zdroje buzení (např. síly od motoru, silnice, vzduchu)
• Okrajové podmínky a zatížení

Výstupy:

• Úrovně akustického tlaku v kabině
• Spektra vibrací na kritických místech
• Mapy intenzity přenosu hluku
• Identifikace dominantních cest přenosu

Analýza příspěvku dveřních panelů do hlukové bilance

Experimentální validace

Abychom zajistili spolehlivost modelů, provádíme experimentální validaci pomocí:

• Více než 150 akcelerometrů a mikrofonů
• Strategického rozmístění po karoserii a v interiéru
• Porovnání simulačních a měřených dat (např. při jízdních zkouškách)

Silnou stránkou IDIADA je možnost simulace a testování pod jednou střechou

Závěr

NVH analýzy dnes tvoří neoddělitelnou součást vývoje vozidel. Díky virtuálním dvojčatům, výkonným simulačním nástrojům (např. ABAQUS, ACTRAN, NASTRAN) a propojení s fyzickým testováním dokážeme optimalizovat konstrukci dříve, rychleji a levněji. Výsledkem je tiché, kultivované a komfortní vozidlo, které splňuje náročné požadavky trhu i legislativy.

Chceš o NVH simulacích vědět více? Ozvi se nám – rádi ti ukážeme, jak může virtuální akustická analýza pomoci právě Vašemu projektu.