Development of methodologies and their applications on the improvement of vehicle NVH performance

Abstract

Bugünün rekabetçi otomotiv dünyasında, araç kabini içerisindeki gürültü seviyesinin olan katkıların ayrıştırılması suretiyle kabin içi gürültü seviyelerinin analizi, bu gürültülerin azaltılması için fırsatlar yakalanması açısından oldukça önemlidir. Müşterisine daha rafine ve memnuniyet verici kabin içi gürültü seviyesine sahip araçlar sunabilmek için bu gürültü seviyesini iyileştirici fırsatları yakalayabilmek, bir otomotiv üreticisine rakipleri karşısında önemli bir avantaj sağlar. Çalışmamızın birinci aşamasında, Acoustic Source Quantification (ASQ) ve İstatistiksel Enerji Analizi (SEA) yöntemlerini kullanarak araç kabini içerisindeki gürültü seviyesinin modellenmesi amaçlanmıştır. İkinci kısmın teori bölümünde açıklanan ASQ Doğrudan Yöntemi, Panel Katkıları Analizi (PACA) gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Buradaki amaç, kabin içi gürültü seviyesine olan panel katkılarının ayrıştırılarak gürültü seviyesinin iyileştirilmesi için olası fırsatları elde etmektir. Motordan kabin içerisine olan hava yollu katkıları belirlemek için, ikinci kısmın teori bölümünde açıklanan ASQ Dolaylı Yöntemi kullanılmıştır. MATLAB programı aracılığı ile kurulan katkı modeli ile (PACA ve Motor ASQ) kabin içi gürültü seviyesi hesaplanmış ve test verileri ile olan ilgileşimi incelenmiştir. Katkı modeli ile gerçekleştirilen devam analizleri ile kabin içi gürültü seviyesine olan panel katkılarına odaklanılmış ve gürültüye en çok katkı yapan gövde panel bölgeleri belirlenmiştir. Belirlenen panel bölgelerindeki titreşimlerin azaltılması için karşı önlemler belirlenmiş. Panel katkıları analizinin iyileştirme çıktıları olan bu karşı önlemler araca uygulanması ile birlikte kabin içi toplam gürültü seviyesinde ilgili motor devri bölgelerinde 3 dB(A)'ya kadar iyileştirme elde edilmiştir.İlk faz çalışmalarının ana odak noktası olan panel katkıları analizine ek olarak, korele bir araç SEA modeli üzerinde ön göğüs izolatörünün kalınlık optimizasyonuna çalışılmıştır. Burada amaç kalınlık optimizasyonu gerçekleştirirken, motor kompartımanından kabin içerisine olan akustik transfer fonksiyonunda bir performans kaybı oluşmamasıdır. SEA modeli üzerinden gerçekleştirilen kalınlık optimizasyonu çıktısı olan ön göğüs izolatörünün prototipi oluşturulmuş ve araca montajı gerçekleştirilmiştir. Bu ön göğüs izolatörü hem panel katkılarını iyileştirme çalışmalarında araç üzerinde bulunmuş, ondan önce de motor kompartımanından kabin içerisine olan akustik transfer fonksiyonu doğrulaması yapılmıştır. Bu doğrulama ile SEA yöntemi çıktılarına da uygun olarak akustik transfer fonksiyonunda bir kayıp oluşturmadığı doğrulanmıştır. Ürün geliştirme sırasında, kabin içi gürültü seviyesinin iyileştirmesi ve hafiflik azaltma amacıyla panel katkıları yöntemi ve istatistiksel enerji analizi yöntemi birlikte kullanılabilecek yöntemler olarak önerilebilir.İkinci faz çalışmalarında, düzlem dalgaya maruz kalan çok katmanlı bir gözenekli malzemenin ses yutum davranışının öngörülebilmesi için transfer matrisi yöntemi ile analitik modeli oluşturulmuştur. Bu çalışmalardaki amaç, bu analitik modeli kullanarak, keçe tipi gözenekli yutucu malzemenin ağırlığını arttırmadan ses yutum katsayısını orta frekans bölgesinde daha yüksek performans elde etmek amacıyla değiştirebilmektir. Bu amaçla, analitik model kullanılarak her bir katmanın tipini ve kalınlığının en uygun tipte ve kalınlıkta olacak şekilde seçilmiştir. Analitik model sonuçları daha sonra fiziksel test sonuçları ile doğrulanmıştır.İkinci faz çalışmaları üç kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, düzlem dalgaya maruz kalan çok katmanlı bir gözenekli malzemenin ses yutum davranışının öngörülebilmesi için transfer matrisi yöntemi ile analitik modeli oluşturulmasını anlatmaktadır. İkinci kısım, ağırlığını arttırmadan orta frekans bölgesinde daha yüksek ses yutum katsayısı elde edilen çok katmanlı gözenekli malzemenin analitik model sonuçları verilmiştir. Keçe tipi yutucu malzemelerin ses yutum katsayıları genellikle orta frekans bölgesinde yüksek frekans bölgelerine kıyasla daha düşüktür. Poliüretan tipi maliyeti yüksek ve ağır malzemeler orta frekans bölgelerindeki yutum performansları nispeten yüksek olmakla birlikte ağırlık ve maliyet dezavantajı getirmektedir. Maliyet ve ağırlık avantajından dolayı kullanılmak istenilen keçe tipi yutucu malzemelerin bazı durumlarda orta frekans ses yutum performanslarının iyileştirilmesi istenebilir. Bu gibi durumlarda, ikinci faz çalışmalarında da belirtildiği gibi, geliştirilen analitik modelleme ile ve deneysel sonuçlarda da paylaşıldığı gibi toplam ağırlığı değiştirmeden keçe tipi malzemeye ek olarak elastik film ve hava boşluğu ile çok katmanlı bir yapı elde edilerek orta frekans ses yutum performansı yüksek bir yutucu malzeme oluşturulabilir. Üçüncü kısımda, analitik model sonuçları fiziksel test sonuçları ile doğrulanmıştır. Değişik konfigürasyonlar için analitik model sonuçları ile fiziksel test sonuçları arasında ses yutum katsayısı genlikleri ve frekansa bağlı olarak değişim davranışı üzerine yüksek bir uyum elde edilmiştir.Bahsedilen ikinci faz çalışmalarının çıktısı olarak başlangıç koşulundaki tek katmanlı keçe tipi yutucu malzemeyle karşılaştırıldığında % 12 daha düşük ağırlık ile yüksek frekanslarda ortalama %20 düşüş ile birlikte orta frekans bölgesinde % 35 daha yüksek ses yutum performansı elde edilmiştir.Üçüncü faz çalışmalarında, transfer matrisi yöntemini kullanarak ana boruya bağlı olan helisel yan dal borularından oluşan bir hava emiş sistem rezonatörünün iletim kaybını hesaplayan bir analitik modeli oluşturulmuştur. Bu rezonatör sistemi, ilgili parametrelerini ayarlayarak, bir araca uygulanmak üzere, aracın hava emiş sisteminden yayılan gürültüyü azaltma amacına uygun olarak 1000 Hz frekans bölgesinden daha düşük frekanslarda çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu rezonatör sistemi ayrıca sıkı motor bölgesi paketleme ihtiyaçlarını karşılamaya uygun olarak fazladan bir hacme ihtiyaç duymamaktadır. Bu rezonatör sistemi, helisel rezonatör olarak adlandırılmış, geometrik parametreleri değiştirilerek çalışması istenilen frekans bölgesinde çalışması ayarlanabilmektedir. Bu çalışmada tasarlanan helisel rezonatörün geometrik parametreleri, seçilen aracın ihtiyacına uygun olarak 300 Hz – 600 Hz frekans aralığında çalışacak şekilde ayarlanmıştır.Geliştirilen helisel rezontörün analitik model sonuçlarını doğrulamak amacıyla bir nümerik modeli oluşturulmuştur. Nümerik model sonuçları ile analitik model sonuçları arasında belirgin bir uyum elde edilmiştir. Ardından hızlı prototipleme yöntemi kullanılarak geliştirilen bu helisel rezonatörün prototipi üretilmiştir. Üretilen fiziksel prototip, parça seviyesi iletim kaydı ve basınç düşüşü fiziksel deneylerinin ardından araç üzeri gürültü testlerini gerçekleştirmek üzere belirlenen 1.6 litre benzinli test aracı üzerine monte edilmiştir.Bahsedilen üçüncü faz çalışmalarının çıktıları olarak, geliştirilen 1 boyutlu analitik modelleme yaklaşımı 0-1000 Hz frekans bölgesinde nümerik sonuçlar ile tatminkâr seviyede uyum içerisindedir. Fiziksel iletim kaybı ve basınç düşüşü test sonuçlarının nümerik analiz sonuçları ile uyum içerisinde olduğu da gözlenmiştir. Araç üzeri gürültü test sonuçları yorumlandığında, geliştirilen helisel, çalışma frekansı ayarlanabilir hava emiş rezonatör sisteminin kullanılması, belirlenen test aracının hava emiş sisteminden yayılan gürültüde belirgin bir iyileşme oluştuğu görülmektedir. Bu iyileşme kabin içi gürültü seviyesine de yansımış ve müşteri kullanım koşullarında, hızlanma manevrasında kabin içerisinde hissedilen hava emiş sistem sesinde belirgin bir azalma oluşmasını sağlamıştır. Tüm bu sonuçlar ile birlikte, geliştirilen helisel, çalışma frekansı ayarlanabilir hava emiş rezonatörü, hava emiş sisteminden yayılan gürültünün yüksek olduğu, motor kompartımanı küçük dolayısı ile paketleme kıstasları sıkı olan araçlar üzerinde kullanılması önerilebilir. Hızlı prototipleme yöntemlerinin yaygınlaşma, daha hızlı ve ucuzlama eğiliminde olduğu günümüz dünyasında önerilen rezonatör sistemlerinin yaygınlaşması da kaçınılmaz olacaktır

In today's competitive automotive industry, analyzing the noise level inside a passenger compartment and determining the contributors to the interior noise level has become more important due to opportunities for improvement. Finding opportunities for improvement to provide customers with a more refined vehicle in terms of passenger compartment noise level provides an advantage to the automotive manufacturer over its competitors. In the first phase of our study, integration of Acoustic Source Quantification (ASQ) and SEA methodologies is aimed to model the interior noise level inside the passenger compartment. The ASQ Direct Method, briefly explained in theory part of section 2, has been used to perform Panel Contribution Analysis (PACA), in order to investigate regions with panels that contribute primarily to the interior noise level and to determine opportunities for refining the interior noise levels within vehicles. To determine the airborne contributions of engines, the ASQ Indirect Method, briefly explained in theory section, has been applied. Creating a contribution model using MATLAB (PACA and Engine ASQ), the interior noise level of the vehicle has been calculated and correlated with the test results. By performing further analysis on the interior noise contribution model and focusing on the panel contributions, the regions with the most contributing panels have been determined and interior noise refining actions have been applied. By applying interventions, which are the refining outputs of the panel acoustic contribution analysis, an improvement of up to 3 dB(A) for a few engine speed ranges has been obtained for the overall noise level of the vehicle. In addition to the panel contribution analysis, which is the primary focus of this study, thickness optimization of the inner dash isolator has been performed for a correlated SEA model, which confirms that no performance loss occurred in the acoustic transfer functions from the engine to the passenger compartment. The physical prototype of the optimized inner dash isolator has been assembled in the vehicle during the panel contribution analysis validation tests. The integration of the ASQ (direct & indirect) and SEA techniques may be offered as a unique method that can be applied in the refinement phase of product development when the physical vehicle is available, to release refined and lower weight vehicles.In the second phase of our work, we have developed an analytical model of a multilayer porous material based on the transfer matrix method to predict the absorption behavior at plane wave incidence. The aim of this study is to modify/tune the sound absorption coefficient of a felt to obtain an improved absorbing performance in the mid frequency range without increasing its weight. To achieve this target, the developed model has been used to find the best combination of each layer type and thickness. The analytical results were validated by test results.The second section consists of three parts. First, we describe the analytical model based on the transfer matrix method of a multilayer porous material to predict the sound absorption coefficient subjected to plane waves with a rigid backing boundary condition. Second, the sound absorption coefficient calculation result of the model for a multilayer material has been presented to obtain more absorbing performance in the mid frequency range without increasing its weight, which is the main objective of this study. Generally, the mid-frequency range sound absorption performances of felts are low compared to their performance in the relatively high frequency range. There may be some cases where one may want to increase the mid-frequency absorption performance of a felt without increasing its weight. In such cases, according to the experimental results shown in this section of our study, one can modify the sound absorption curve characteristic of a felt using elastic films and the air gap without increasing or decreasing its weight. Finally, the model results have been validated with the experimental results. There is a good agreement between the analytical and experimental results in terms of the amplitude of the sound absorption coefficient in most of the frequency range and the tendency of the behavior of the curve comparing different configurations. In conclusion, compared to the initial condition, with 12% less weight, one can gain 35% in the absorption performance in the relatively mid-frequency range with a loss (20%) in the relatively high frequency range.In the third phase of our work, we have developed an analytical model that uses the transfer matrix method to predict the transmission loss (TL) of a resonator system with a helical side branch duct connected to the main duct. The resonator system is tuned to a proper frequency range to be applied on vehicle in order to decrease the air intake pipe radiated noise of the selected passenger car below 1000 Hz. In order to fulfill the packaging requirements, the developed resonator does not require an additional volume. The designed helical resonator is a tunable resonator and can be tuned to the required frequency range by adjusting the dimensions. Resonator in our study is tuned to mainly 300 Hz – 600 Hz frequency range to decrease the noise level of the selected passenger car of which's air intake pipe radiated noise in the specified frequency range is high. Developed helical resonator has been analyzed numerically, the analytical results are first validated with the numerical ones, and the prototype part has been produced with rapid prototyping technique. Finally, the prototype part has been tested on a 1.6 l Gasoline Engine Vehicle. Our numerical calculations show that the 1D analytical approach yields satisfactorily accurate approximations in the 0 to 1000 Hz. The physical verification test results are well correlated with the numerical analysis results for both the pressure drop and the sound transmission loss. The developed tunable resonator shows significant improvement in the noise radiated from the AIS pipe between 300 and 600 Hz. This improvement resulted in a quieter passenger compartment. Considering these results, the designed tunable helical resonator is a solution for high AIS radiated noise in vehicles, especially those vehicles with small volume engine compartments where strict packaging requirements are necessary. The application of these resonators may become widespread with the further development of rapid prototyping techniques.