Analiza wpływu umieszczenia klaksonów samochodowych w pojeździe na rejestrowany poziom dźwięku

Analiza wpływu umieszczenia klaksonów samochodowych w pojeździe na rejestrowany poziom dźwięku
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Dynamiczny rozwój motoryzacji pociąga za sobą powstawanie szeregu zagrożeń i zanieczyszczeń, takich jak: zanieczyszczenie związkami chemicznymi, hałasem, zagrożenie wypadkami. W wielu dziedzinach związanych z motoryzacją zauważa się ciągły postęp w zwalczaniu zagrożeń i zanieczyszczeń, np.: nowoczesne katalizatory, systemy bezpieczeństwa biernego i czynnego.

1. Wstęp

Aktualnie firmy motoryzacyjne konkurują ze sobą na wszystkich płaszczyznach. Konkurencja i rozwój dostępnych technik sprawiły, iż porównując między sobą samochody tej samej klasy zauważa się ich znaczne podobieństwo w oferowanych rozwiązaniach, np.: silniki, wyposażenie dodatkowe, systemy bezpieczeństwa. Dodatkową płaszczyzną, na której firmy samochodowe zaczynają coraz bardziej konkurować, jest komfort akustyczny. Konkurencyjność pojazdu już przestaje być dyktowana nie tylko przez oszczędny silnik, ilość poduszek powietrznych czy czujniki parkowania, ale m. in. przez komfort akustyczny rozumiany, na przykład, jako niski poziom hałasu dobiegający do toczących się kół, pracującego silnika, innych pojazdów.

W motoryzacji oraz innych dziedzinach przemysłu zastosowanie znalazły narzędzia numeryczne umożliwiające, na przykład, modelowanie i obliczanie zachowania wytrzymałości skomplikowanych konstrukcji, pozwalające zwiększyć poprawność obliczeń przy równoczesnym skrócenie czasu potrzebnego dla otrzymania wyniku. Podobny trend istnieje w przypadku modelowania zagadnień akustycznych. To powoduje potrzebę opracowania metod numerycznych pozwalających modelować, analizować, badać zjawiska rozchodzenia się fal akustycznych i drganiowych w odniesieniu do pojazdów. Celem projektu MID-MOD [1] jest opracowanie, sprawdzenie i walidacja nowoczesnych metod numerycznych służących modelowaniu zjawisk akustycznych wewnątrz i na zewnątrz pojazdów, w średnim zakresie częstotliwości.

Właściwe ukształtowanie komfortu akustycznego pojazdu nie jest trywialnym zadaniem i jest powiązane z szeregiem zagadnień, takich jak właściwości dynamiczne konstrukcji pojazdu, powstawanie i przenoszenie drgań, właściwości materiałów tłumiących.

Wyciszenie pojazdu musi być kompromisem między zwiększeniem komfortu akustycznego a dobrą słyszalnością zjawisk akustycznych ważnych z punktu widzenia bezpieczeństwa. W czasie jazdy, przeważająca ilość informacji, dociera do kierowcy za pomocą wzroku. Słuch również dostarcza informacji pozwalających bezpiecznie prowadzić samochód – kierowca słyszy koła piszczące na zakręcie, co może być związane z niepoprawną zbieżnością kół lub prędkością, słyszy najeżdżanie koła na znaki poziome rozdzielające jezdnię od pobocza, słyszy sygnał dźwiękowy pojazdu uprzywilejowanego.

Ważnym elementem bezpieczeństwa w motoryzacji jest sygnał akustyczny emitowany przez sygnalizator dźwiękowy potocznie nazywany klaksonem. Jest to element obowiązkowego wyposażenia pojazdu, służący do ostrzegania innych użytkowników dróg [2]. Istnieje szereg norm i przepisów określających natężenie dźwięku klaksonu samochodowego rejestrowane w określonych warunkach [3].

W ramach realizowanego projektu MID-MOD, wśród wielu zadań badawczych, wykonywane jest badanie mające na celu określenie wpływu umieszczenia sygnalizatorów dźwiękowych na sygnał rejestrowany w odległości 7 metrów od przodu pojazdu. Podstawą do zdefiniowania badań jest problem, określony przez jednego z partnerów przemysłowych, spełnienia wymagań przez nowy pojazd w trakcie badań legalizacyjnych. Jeden z punktów badań legalizacyjnych nowych samochodów[3], wymaga aby sygnał rejestrowany 7 metrów od przodu pojazdu wynosił minimum 93 dB. W trakcie procesu projektowania pojazdu, często zdarza się, iż miejsce umieszczenia ostrzegawczych sygnalizatorów akustycznych wybierane jest na końcu, w miejscu gdzie akurat jest wystarczająca wolna przestrzeń. Pociąga to za sobą problem przewidzenia czy takie umieszczenie klaksonów spowoduje spełnienie norm akustycznych. W ramach projektu prowadzone są prace nad narzędziem numerycznym pozwalającym na określenie ciśnienia akustycznego mierzonego w żądanej odległości od pojazdu a emitowanego przez działający klakson.

W celu walidacji tego narzędzia zostały zdefiniowane pomiary, które były wykonane na wydziale SiMR Politechniki Warszawskiej oraz w Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University. Kampania pomiarowa została podzielona na trzy poziomy skomplikowania: na poziomie komponentu badane były klaksony w komorze bezechowej na wydziale SiMR; na poziome podzespołu zbudowano stanowisko pomiarowe, wg. wskazówek określonych przez Volkswagen AG, modelujące przód samochodu i przeprowadzono badania na parkingu wydziału SiMR; dodatkowymi badaniami poziomu podzespołu są badania przeprowadzone w IKA Aachen w komorze bezechowej; IKA Aachen przeprowadzi również badania na rzeczywistym pojeździe w ramach badań na poziomie pełnego pojazdu.

Poniższa publikacja jest pierwszą z kilku publikacji prezentujących wyniki badań sygnalizatorów dźwiękowych, realizowanych w ramach projektu MID-MOD. Publikacja przedstawia wyniki wstępnych badań klaksonów, jako komponentów pojazdów, analizę widmową sygnałów oraz wpływ rozmieszczenia na natężenie dźwięku rejestrowanego w ustalonej odległości.

2. Badania na poziomie komponentu

2.1. Analiza widma sygnału


W trakcie kampanii pomiarowej, na poziomie komponentu, badano klaksony samochodu VW Golf V (Rys. 1). W tym pojeździe montowane są dwa klaksony: niskotonowy i wysokotonowy.

Badania ciśnienia akustycznego przeprowadzono w komorze bezechowej Pracowni Wibroakustyki wydziału SiMR (Rys. 2).

W trakcie badań wykonano pomiar ciśnienia akustycznego emitowanego przez klaksony działające pojedynczo i razem. Wykonano to dla określenia sygnału wzorcowego klaksonów. W czasie badań wykonano serie pomiarowe składające się z 3 emisji dźwięku ostrzegawczego, każde trwające 10 sekund. Sygnalizatory były zasilane napięciem 13 V.

W badaniach wykorzystano miernik poziomu dźwięku: B&K Type 2250 oraz dodatkowo system zapisu sygnałów złożony z komputera przenośnego, karty pomiarowej B&K Type 3050-B-060 oraz mikrofonu B&K Type 4958.

Poziomy sygnałów rejestrowanych przez miernik poziomu dźwięku umieszczony na wysokości klaksonów w odległości 2 metrów, zostały podane w tabeli 1.

Poziomy sygnałów spełniają wymagania homologacji dźwiękowego urządzenia ostrzegawczego [4].

Na rysunkach 3 do 5 przedstawiono przykładowe widma sygnałów emitowanych przez działające klaksony. Zgodnie z dokumentacją techniczna sygnalizatorów dźwiękowych częstotliwość emitowanego sygnału powinna wynosić: 500 Hz dla klaksonu o wysokim dźwięku i 400 Hz dla klaksonu o niskim dźwięku, przy tolerancji ±20 Hz od założonej wartości. Zauważa sie, iż sygnały są sygnałami harmonicznymi o podstawowej częstotliwości wynoszącej około: 500 Hz dla klaksonu wysokotonowego i 400 Hz dla klaksonu o niskotonowego.

Analizując zakres widma wokół częstotliwości bazowej klaksonu (Rys. 6), zauważa się, iż nie rejestruje się pojedynczego prążka w dziedzinie częstotliwości, czego należało by się spodziewać w przypadku sygnału okresowego harmonicznego, lecz pobudzane jest pasmo. Obserwowane zjawisko wynika ze specyfiki pracy klaksonu. W wyniku ogrzewania się elementów wewnętrznych i związanej z tym zmiany ich właściwości, częstotliwość bazowa sygnału, oraz wszystkie harmoniczne, przesuwa się w kierunku niższych częstotliwości. Zmiana ta z reguły stanowi nie więcej niż 5% danej częstotliwości. Co za tym idzie bardziej wskazanym jest mówienie o paśmie sygnału a niżeli o dokładnie określonej częstotliwości.

2.2. Analiza wpływu napięcia na sygnał klaksonu

Wykorzystując zestawiony układ pomiarowy sprawdzono czy istnieje zauważalny wpływ zmiany napięcia zasilana na sygnał klaksonów. Wykonano rejestrację sygnałów akustycznych klaksonów zasilanych napięciem 12 V. Ciśnienie akustyczne generowane przez klakson zasilany prądem 12 V jest niższe. Wyniki pomiaru podano w tabeli 2.

Porównując wyniki z tabel 1 i 2, zauważa się, iż niższe napięci jest związane z obniżeniem rejestrowanego maksymalnego poziomu dźwięku. Zmiana ta ma największy wpływ na sygnały emitowane przez sygnalizator wysokotonowy i wynosi około 3 dB. Dla klaksonów pracujących równocześnie wynosi około 1 dB.

Analiza tych sygnałów w dziedzinie częstotliwości ujawniła, iż, zmiana napięcia prądu zasilającego, z 13V na 12 V, nie ma znaczącego wpływu na strukturę częstotliwościową klaksonu. Rysunek 7 przedstawia porównanie pasma, od 1500 Hz do 1520 Hz, sygnału klaksonu wysokotonowego zasilanego napięciem 12 V, linia z okręgami (sygnał: H 12 1 korekcja A) i zasilanego napięciem 13 V, linia z x-ami (sygnał: H 13 2 korekcja A).

Zmiana napięcia zasilania badanych klaksonów nie wpływa znacząco na zmianę struktury częstotliwościowej sygnału, ale ma wpływ na poziom ciśnienia akustycznego co może decydować o legalizacji badanego pojazdu.

3. Badania na poziomie podzespołu

3.1. Stanowisko badawcze i punkty pomiarowe


Rezultatem badań przeprowadzonych w komorze bezechowej było określenie wpływu napięcia prądu na sygnał sygnalizatora dźwiękowego oraz określenie charakterystyki widma.

Badania na poziomie podzespołu były wykonywane w celu określenia zależności poziomu dźwięku w funkcji umieszczenia sygnalizatorów w pojeździe.

Zgodnie z wytycznymi firmy Volkswagen AG przygotowano stanowisko badawcze stanowiące uproszczony model przedniej części samochodu. Rysunek 8 przedstawia schemat stanowiska.

Stanowisko składało się z dwóch pudeł wykonanych ze sklejki o grubości 18 mm. Wymiary na rysunku 8 podano w milimetrach i są liczone od ścian zewnętrznych pudeł. Wewnętrzne pudło imitujące silnik było wypełnione piaskiem dla modelowania impedancji akustycznej silnika. Pudło zewnętrzne imitujące nadwozie posiadało otwory w dolnej części (Rys. 8a) oraz w części przedniej (Rys. 8d).

Rysunek 9 przedstawia zdjęcie gotowego stanowiska. Na tylnej ścianie zewnętrznego pudła widać zamontowane klaksony.

Badania były prowadzone w polu swobodnym, na terenie parkingu wydziału SiMR, na nawierzchni betonowej w słoneczne dni. Temperatura w czasie pomiarów wahała się od 28 do 31 stopni Celsjusza. Prędkość wiatru nie przekraczała 5 km/h. Hałas tła w trakcie pomiarów wynosił około 50 dB, czyli o ponad 25 dB mniej w stosunku do rejestrowych sygnałów.

We wnętrzu zewnętrznego pudła wyznaczono punkty pomiarowe, w których były montowane klaksony. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych przedstawia rysunek 10, ich lokalizacje oraz kierunki ustawienia wylotów trąbek sygnalizatorów zawiera Tabela 3. Lokalizacja punktu pomiarowego jest liczona od środka układu współrzędnych, umieszczonego jak na rysunku 10, a kierunki ustawienia wylotów trąbek podane są zgodnie z tym układem współrzędnych.

3.2. Wpływ położenia klaksonów na poziomy ciśnienia akustycznego

W opisywanych badaniach, na poziomie podzespołu, mierzono ciśnienie akustyczne generowane przez sygnalizatory dźwiękowe samochodu w odległości 7 metrów od przedniej płaszczyzny modelu samochodu. Do określenia wartości ciśnienia użyto miernika dźwięku zamontowanego na statywie na wysokości 1,2 metra nad powierzchnią.

Tabele 4, 5 i 6 zawierają wyniki pomiaru ciśnienia akustycznego, odpowiednio, dla: klaksonu o wysokim tonie, klaksonu o niskim tonie, obu klaksonów.

Najważniejsze wyniki przedstawione są w tabeli 6 - ciśnienie akustyczne dla serii pomiarów używając obu klaksonów. Dla części punktów pomiarowych nie został spełniony warunek przekroczenia natężenia dźwięku 93 dB. Można wnioskować, iż jest to związane z punktem zamocowania klaksonów i kierunkiem ustawienia ostrzegawczych sygnalizatorów dźwiękowych. Można wnioskować, iż dla konfiguracji pomiarowych, w których klaksony były umieszczone blisko rogów stanowiska a wyloty skierowane ku ściankom następowało większe tłumienie sygnału.

4. Wnioski

W trakcie pomiarów w komorze bezechowej zauważono, iż poziom sygnału emitowanego przez klakson wysokotonowy jest nieznacznie wyższy niż klaksonu niskotonowego. Zjawisko to nie jest obserwowalne w przypadku pomiarów realizowanych w polu swobodnym, gdzie klakson niskotonowy był głośniejszy od wysokotonowego. Jest to związane ze zjawiskiem szybszego rozpraszania energii fali o wyższej częstotliwości niż fali o częstotliwości niższej.

W trakcie realizacji badań, na poziomie podzespołu, zaobserwowano, iż istnieją punkty, w których wyraźnie dało się słyszeć rezonans modelu. Jest to związane z drganiami pudła powstającymi na skutek pobudzenia falą akustyczną struktury modelu.

Zaobserwowano, że dla konfiguracji klaksonów, w której jeden zasłaniał wylot trąbki drugiego następowało znaczne tłumienie poziomu sygnału zasłoniętego klaksonu. Ustawienie

klaksonów w pobliżu otworów w modelu i skierowanych w ich stronę wylotów trąbek powoduje iż sygnał nie rozprasza się wewnątrz obudowy lecz propaguje na zewnątrz bez znaczących strat energetycznych.

Należy pamiętać, iż zastosowany model jest modelem uproszczonym i znajduje zastosowanie we wstępnych pracach nad metodą numeryczną modelowania zjawisk akustycznych. Wykorzystany materiał ma właściwości tłumiące inne niż stal, kształt modelu również odbiega od kształtu rzeczywistego przodu pojazdu. Dla poprawienia metody numerycznej wymagane są dodatkowe badania, zarówno na modelu jak i na obiekcie rzeczywistym, uwzględniające wpływ materiałów, propagację energii i rozmieszczenia dodatkowych elementów w przedziale silnikowym rzeczywistego pojazdu.

Literatura:

[1] A. Gałęzia, R. Gumiński, S. Radkowski, Utilization of validation tasks in MID-MOD project operating within a framework of FP7. IX International Technical Systems Degradation Conference Liptowsky Mikulas, 7-10 kwietnia 2010, materiały konferencyjne, str. 95-96, ISBN 978-83-911726-8-1

[2] Ustawa z dnia 20 czerwca 1997 r. Prawo o ruchu drogowym Dziennik Ustaw z 2005 r. Nr 108 poz. 908 (z późniejszymi zmianami).

[3] Zarządzenie Nr. 28 Europejskiej Komisji Gospodarczej Narodów Zjednoczonych – Ujednolicone postanowienia dotyczące homologacji dźwiękowych urządzeń ostrzegawczych oraz pojazdów silnikowych w odniesieniu do ich urządzeń dźwiękowych (ECE-R-28).

[4] Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej Dyrektywa Rady Europy z dnia 27 lipca 1970 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się do dźwiękowych urządzeń ostrzegawczych pojazdów silnikowych (70/388/EWG).

Badania wykonano w ramach projektu MID-MOD (7 Program Ramowy UE).
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Analiza wpływu umieszczenia klaksonów samochodowych w pojeździe na rejestrowany poziom dźwięku

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!