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.

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)

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
• 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
• Psychoakustické metriky (např. loudness, roughness, tonality)

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)

Příklad z praxe

Na obrázku níže je vyznačena problematická oblast karoserie, která způsobovala hlasitý přenos hluku při 40 Hz. Pomocí cílených konstrukčních úprav jsme byli schopni výrazně zlepšit akustický komfort pro posádku.

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.