Interior Structure Borne Noise Reduction In A Heavy Truck Cabin Using Panel Acoustic Contribution Analysis

Abstract

Bu çalışmanın amacı, araç kabin panellerinin titreşim seviyelerini kontrol ederek kabin içi yapısal kaynaklı gürültü seviyesini azaltmaktır. Son yıllarda, araç içi gürültü ve titreşim seviyeleri sürüş konforu açısından hem müşteriler hemde araç üreticileri için büyük önem kazanmıştır. Sürüş konforunu en fazla etkileyen parametrelerden bir tanesi de kabin içerisindeki yapısal kaynaklı gürültü seviyesidir. Yapısal kaynaklı gürültü seviyesi, gürültü kaynağı veya gürültü taşınım yolları kontrol edilerek azaltılabilir. Araç kabini içerisindeki yapısal kaynaklı gürültü, motor ve yoldan gelen kuvvetlerin araç kabinine iletilmesi, iletilen kuvvetlerin kabin panellerinde titreşime sebep olması ve titreşen panellerin kabin içindeki havayı harekete geçirmesi sonucunda oluşmaktadır. Bu çalışmanın kapsamı, 20-200 Hz frekans aralığında, kabin panellerinin titreşimi sonucunda meydana gelen yapısal kaynaklı gürültüleri incelemek olarak belirlenmiştir. Bilindiği gibi motor, araçlarda ana titreşim ve gürültü kaynağıdır ve daha önce yapılan çalışmalar motorun 200 Hz altındaki frekanslarda ana titreşim kaynağı oldugunu göstermiştir, bu sebeple çalışmanın kapsamı 20-200 Hz olarak belirlenmiştir. Bu çalışmada, ilk olarak titreşim, akustik ve frekans cevap fonksiyonu konularında temel bilgiler verilmiştir. Bununla birlikte araç NVH konularının kapsamı, yeni bir araç projesinde NVH özelliklerinin iyileştirilmesi konusunda nasıl bir yol izlendiği kısaca anlatılmış, araçlardaki hava taşınımlı ve yapısal taşınımlı gürültü çeşitleri açıklanmaya çalışılmıştır.Ayrıca panel akustik katkı analizi metodu hakkında temel bilgiler verilmiş ve metodu oluşturan matematiksel denklemler açıklanmıştır. Kısaca değinmek gerekirse, panel akustik katkı analizi, herbir kabin panelinin, kabin içi gürültü seviyesine olan etkisini bulmak, ve kritik panellerde iyileştirme çalışması yapılması gereken lokasyonları belirlemek için geliştirilmiş bir yöntemdir. Bu yöntem ile, herbir kabin paneli tarafından oluşturulan gürültü seviyelerinin toplanması sonucunda kabin içi toplam gürültü seviyesi elde edilmektedir. Panel akustik katkı analizi sayesinde herbir panelin toplam kabin içi gürültü seviyesine olan etkisi bulunabilir ve kabin panelleri, iç gürültü seviyesine olan katkılarına göre pozitif, negatif ve etkisiz olarak sınıflandırılabilir. Pozitif olarak sınıflandırılmış bölgelerin titreşim genlikleri arttıkça iç gürültü seviyesinde de artış gözlemlenmektedir, negatif olarak sınıflandırılmış bölgelerin titreşim genlikleri arttıkça iç gürültü seviyesinde azalma gözlemlenmektedir, nötr olarak sınıflandırılmış bölgelerin ise iç gürültü seviyesine önemli bir etkileri bulunmamaktadır. Bu sınıflandırma sonucunda iç gürültü seviyesinde artışa sebep olan paneller üzerindeki pozitifbölgeler tam olarak belirlenebilmektedir. Böylece titreşim azaltıcı malzemeler uygulanması gibi muhtemeliyileştirme aksiyonları en doğru bölgelere, doğru miktarlarda uygulanabilmekte, gereksiz fazladan malzeme kullanımının önüne geçilerek hem maliyet azaltılması hemde ağırlık azaltılması sağlanabilmektedir. Ayrıca bu çalışmada, farklı deneysel yaklaşımlarile yapılan panel akustik katkı analizi metodları, kullanılan sensörler ve yöntemler hakkında bilgiler verilmiştir. Panel akustik katkı analizi çalışmaları bilgisayar destekli sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Bu yöntemde sonlu eleman modelleme paket programları kullanılarak hazırlanan tüm aracın sonlu elemanlar modeli üzerinde, sonlu elemanlar yöntemi ile analitik analizler yapılmış, aracın titreşim ve gürültü özellikleri belirlenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile analizlerin yapılabilmesi için tüm aracın ve araç içindeki akustik havanın modellenmesi, yapısal ve akustik modelin uyumlu hale getirilmesi gerekmektedir. Bu sebeple, ANSA sonlu eleman modelleme paket programı kullanılarak gerçek kabinin yapısal sonlu elemanlar modeli ve MSC Akusmod yazılımı kullanılarak kabin içi akustik hava modeli hazırlanmıştır. ANSA programı kullanılarak yapısal ve hava modeli arasındaki bağlantı kurulmuştur. Bilgisayar destekli panel akustik katkı analizi çalışmalarına başlamadan önce, hazırlanan yapısal-akustik sonlu elemanlar modelinin doğruluğunun kontrol edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, gerçek kabin üzerinde ve hazırlanan yapısal-akustik sonlu elemanlar üzerinde aynı noktalar arasında gürültü transfer fonsiyonları ve titreşim transfer fonksiyonları ölçümleri yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Deneysel ölçümler, özel bir taşıma platformuna, kabin süspansiyonları ile montajı yapılmış gerçek kabin üzerinde İTÜ-OTAM yarı-akustik odada gerçekleştirilmiştir. Kabin ön ve arka süspansiyon bağlantı noktaları ile sürücü dış kulak noktası arasındaki gürültü transfer fonksiyonları, ve kabin ön ve arka süspansiyon bağlantı noktaları ile kabin panelleri üzerindeki toplam 140 farklı nokta arasındaki titreşim transfer fonksiyonları ölçülmüştür. Bilgisayar ortamında hazırlanmış sonlu elemanlar modeli kullanılarak, aynı noktalar arasındaki gürültü transfer fonsiyonları ve titreşim transfer fonksiyonları elde edilmiştir. Her iki yöntemle elde edilen gürültü transfer fonksiyonları ve titreşim transfer fonksiyonları karşılaştırılmış ,hazırlanan sonlu elemanlar modelin doğruluğunun iyi seviyede olduğu gözlemlenmiş ve panel akustik katkı analizi çalışmalarına sonlu elemanlar modeli ile devam edilebileceği belirtilmiştir. Gerçek kabinin hazırlanmış yapısal akustik-sonlu elemanlar modeli üzerinde, sonlu elemanlar analizi kullanılarak, panel akustik katkı analizi çalışması yapılmış ve kabin içi gürültü seviyesine en çok katkı sağlayan kritik paneller ve frekanslar belirlenmiştir.Sonlu elemanlar yöntemi ile bulunan kritik bölgelerin doğrulanması amacıyla, İTÜ-OTAM yarı akustik odada gerçek kabin üzerinde yapılan deneysel ölçümler sonucunda, paneller üzerindeki 140 noktadan elde edilen titreşim transfer fonksiyonları ve gürültü transfer fonksiyonları incelenmiş ve sonlu elemanlar yöntemi ile aynı sonuçlar elde edilmiştir. Kritik panellerin kabin içi gürültü seviyesine olan etkilerini azaltmak amacıyla, yapılabilecek iyileştirme çalışmaları araştırılmış ve fiyat-yapılabilirlik açısından en uygun çözüm yöntemi uygulanmıştır. Kabinin yapısal-akustik sonlu elemanlar modelinde, yapılan iyileştirme çalışmaları doğrultusunda öngörülen kritik bölgelere titreşim azaltıcı maddeler uygulanarak model üzerinde gerekli düzeltmeler yapılmış ve iyileştirilmiş sonlu elemanlar modeli kullanılarak panel akustik katkı analizi çalışması tekrarlanmıştır. Kritik paneller üzerinde yapılan iyileştirme çalışmalarının kabin içi gürültü seviyesi açısından incelenen frekans aralığında iyileşme sağladığı gözlemlenmiştir. Sonlu elemanlar modeli kullanılarak yapılan panel akustik katkı analizi sonucunda kabin içi gürültü seviyesinde elde edilen iyileşmenin doğrulanması amacıyla, araç seviyesi ve deneysel ölçümler yapılmıştır. Araç seviyesi ölçümler gerçek araç üzerinde ve sertifikasyona sahip özel test pistinde gerçekleştirilmiştir.Araç seviyesi testler sırasında, ilk olarak iyileştirme çalışması uygulanmadan, sonlu elemanlar yöntemi sonucunda bulunan kritik bölgeler üzerinden titreşim datası ve sürücü dış kulak noktasından gürültü datası toplanmıştır. Daha sonra kritik bölgeler üzerinde daha önce sonlu elemanlar modelinde de uygulanmış iyileştirme çalışması yapılmış ve araç seviyesi testler tekrar edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen panel akustik katkı analizi çıktıları doğrultusunda uygulanan iyileştirme çalışmaları ile kabin içi gürültü seviyesi açısından elde edilen iyileşme, araç seviyesi yapılan testler sonucunda da gözlemlenmiştir.

In this thesis, the intention is to investigate the structure-borne noise, which is caused by the vibrating cabin panels and to determine the contribution of each panel to the interior noise level peaks in a heavy commercial truck cabin and try to find improvement treatments to reduce the vehicle interior noise level. In recent years, passenger compartment noise level and vibration levels become the most important parameters in terms of ride comfort for customers and vehicle manufacturers. Structure-borne noise in a vehicle compartment is mainly caused by vibrating cabin panels which are excited by road and powertrain loads. The frequency range of the study is determined as 20-200Hz, due to the powertrain has predominant structural excitation levels up to 200 Hz. In this study, first of all the fundamentals of noise, vibration and frequency response function are discussed. Some basic topics of vehicle NVH are defined, structure-borne and air-borne noise sources are explained. The technical bakground of the panel acoustic contribution analysis which is used to reduce the structure-borne interior noise level has been introduced. A structural-acoustic finite element model of the heavy truck cabin is developed. Experimental modal tests are carried out at ITU-OTAM semi-anechoic room to obtain vibration and noise transfer functions which are used to evaluate the structural-acoustic finite element model accuracy. Comparisons are made between experimental measurement results and finite element model predictions and it is shown that finite element model can accurately predict the important sound pressure peaks and the trend of acoustic response. Panel acoustic contribution analysis have been performed to observe the acoustic contribution of each cabin panel to the total interior noise level. Based on the panel acoustic contribution analysis results, critical panels and frequencies were determined and improvement actions were investigated to reduce the interior structure-borne noise. Structural-acoustic finite element model was updated with optimized improvement actions and panel acoustic contribution analysis was reperformed to observe the noise reduction level. Vehicle level tests have been performed at specific test track to observe the noise reduction which was provided with improvement action on critical panels which were determined with aid of panel acoustic contribution analysis on structural-acoustic finite element model. A microphone was placed to the driver outer ear location to get interior noise data and accelerometers were placed on the critical cabin panels to obtain vibration data. Vehicle level tests results have shown that the interior sound pressure level was reduced with improvement action on critical panels, which verifies the accuracy of panel acoustic contribution analysis results.