Nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của rung động đối với mức tiếng ồn trong cabin ô tô 5 chỗ

Những người phải tiếp xúc với nguồn gây tiếng ồn lớn trong một thời gian dài sẽ không cảm nhận được những âm thanh có tần số từ trung bình tới cao... Rung động do chuyển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

 NGUYỄN ĐÌNH TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐỘNG ĐỐI VỚI MỨC TIẾNG ỒN

TRONG CABIN Ô TÔ 5 CHỖ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Quốc Huy Luận văn được thực hiện tại Viện cơ khí động lực – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu được công bố trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được công bố tại bất kỳ công trình khoa học nào khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014

Tác giả

Danh mục bảng biểu 4

Danh mục hình vẽ 4

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RUNG ỒN VÀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 7

1.1 Lý thuyết về rung ồn 7

1.1.1 Khái niệm âm thanh 7

1.1.2 Khái niệm về rung động và tiếng ồn 7

1.1.3 Ảnh hưởng của tiếng ồn tới con người 8

1.2 Các nguồn rung ồn trên xe 11

1.2.1 Dao động mô men do áp suất cháy 11

1.2.2 Rung động do chuyển động không cân bằng (lệnh tâm) 12

1.2.3 Tiếng ồn của hệ thống nạp 12

1.2.4 Tiếng ồn hệ thống xả 13

1.2.5 Sự không cân bằng trục các đăng 13

1.3 Phân tích nguyên nhân gây tiếng ồn trên xe ô tô 13

1.3.1 Rung nảy cabin 13

1.3.2 Rung lắc vô lăng 15

1.3.3 Rung bàn đạp ga 17

1.3.4 Rung cần chuyển số 17

1.3.5 Tiếng ồn khó chịu khi đi xe 18

1.3.6 Tiếng ồn do mặt đường 19

1.3.7 Tiếng ồn hoa lốp 20

1.3.8 Tiếng ù thân xe 20

1.3.9 Tiếng gõ thân xe 22

1.4.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 25

1.5.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 25

1.6.Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 26

1.6.1.Mục đích của đề tài 26

1.6.2.Nội dung cần giải quyết 26

1.6.3.Phương pháp nghiên cứu 26

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BÀI TOÁN ỒN RUNG TRÊN Ô TÔ 27

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ồn rung bằng phương pháp PTHH 27

2.1.1 Các phương trình cơ sở mô tả tương tác kết cấu – chất lưu 27

2.1.2 Các đặc trưng âm thanh trong khoang kín 29

2.2 Các phương trình âm trong kết cấu 34

2.2.1 Tiếng ồn phát ra từ các tấm rung động 34

2.2.2 Phương trình sóng âm 37

2.2.3 Phương trình ma trận sóng âm trong kết cấu 38

2.2.4 Phương trình sóng âm khi có cản tại các mặt bên trong ô tô 40

2.2.5 Phương trình mô tả tương tác cặp đôi giữa kết cấu vỏ xe – áp suất âm thanh trong khoang ô tô 41

2.2.6 Đại lượng ra của bài toán ồn rung trong khoanh ô tô 43

2.3 Phương pháp tiếp cận bài toán ồn rung ô tô 43

2.3.1 Mô hình thử nghiệm ồn rung trên ô tô 44

2.3.2 Mô hình tính toán động lực học 47

2.3.3 Quá trình tính toán ồn rung ô tô 48

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH BÀI TOÁN MODAL 51

3.1 Phân tích kết cấu, vật liệu khung vỏ 51

3.1.1 Kết cấu khung vỏ xe con 51

3.2 Xây dựng mô hình 3D 56

3.3 Khảo sát mô hình 64

3.3.1 Xác định mât độ lưới cho mô hình 64

3.3.2 Khảo sát dao động vỏ xe 66

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH RUNG ỒN TRONG CABIN Ô TÔ 76

4.1 Đặt vấn đề 76

4.2 Mô hình nghiên cứu 76

4.3 Mô hình âm học và kiểu phần tử 77

4.3.1 Mô hình âm học 77

4.3.2 Thuộc tính kiểu phần tử SHELL181 78

4.3.3 Thuộc tính kiểu phần tử FLUID30 79

4.3.4 Chia lưới mô hình 81

4.4 Phân tích dao động riêng của khối khí trong cabin 81

4.5 Phân tích tương tác âm thanh – kết cấu trong cabin 83

4.5.1 Các trường hợp nghiên cứu 83

4.5.3 Áp suất âm tại vị trí người lái 86

KẾT LUẬN CHUNG 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Danh mục bảng biểu

Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật xe Toyota Yaris 57

Bảng 3 2: Thông số mô hình PTHH 66

Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật thép hợp kim 67

Bảng 3 4 :Kết quả dạng riêng ứng với trường hợp sử dụng thép hợp kim 68

Bảng 3 5: Thông số kỹ thuật nhôm 69

Bảng 3 6: Kết quả dạng riêng ứng với trường hợp sử dụng hợp kim nhôm 70

Bảng 3 7 :So sánh dạng dao động riêng của 2 vật liệu khác nhau 71

Bảng 3 8: Các dạng dao động riêng của vỏ xe khi bề dày б = 0.8mm 72

Bảng 3 9 :Các dạng dao động riêng của vỏ xe khi bề dày б = 1mm 73

Bảng 3 10 :Các dạng dao động riêng của vỏ xe khi bề dày б = 5mm 74

Bảng 4 1: Các dạng dao động riêng của khối khí trong phạm vi [0, 200 Hz] 83

Bảng 4 2: Các vật liệu hấp thụ âm thanh được sử dụng 84

Danh mục hình vẽ Hình 1 1: Biểu đồ đường đồng mức ấp suất âm 10

Hình 1 2: Hiện tượng rung nảy cabin 14

Hình 1 3: (a) Rung nảy do cộng hưởng; (b) Rung lắc do ảnh hưởng của lốp 15

Hình 1 4: Hiện tượng lắc tay lái 16

Hình 1 5: (a) Rung bàn đạp ga; (b) Rung cần chuyển số 17

Hình 1 6: (a) Tiếng ồn mặt đường; (b) Tiếng ồn hoa lốp 19

Hình 1 7: (a) Tiếng ồn do góc nối trục các đăng; (b) Tiếng ồn do trục các đăng không cân bằng 21

Hình 1 8: (a) Tiếng ồn do rung động ống xả; (b) Tiếng ồn do các rung động của bộ phận phụ động cơ 22

Hình 1 9: Tiếng ồn do trượt biến mô và do dao động mô men 23

Hình 1 10: (a) Rung động do tỷ số truyền hộp số; 24

Hình 2 1: Mô hình thử nghiệm EMA 46

Hình 2 2: Đặc trưng cấu trúc hệ 1 bậc tự do 48

Hình 2 3: Mô hình MDOF 50

Hình 3 1: Kết cấu khung vỏ xe Chevrolet Corvertte C3 51

Hình 3 2: Kết cấu unibody 52

Hình 3 3: Sàn xe bằng nhôm của Aston Martin 53

Hình 3 4: Kết cấu sử dụng hợp kim nhôm phía trước trên BMW 5 series (E60) 54

Hình 3 5: Vật liệu sử dụng trên vỏ xe Porsche 911 Carrera 55

Hình 3 6: Các bộ phận cơ bản trong kết cấu vỏ xe 56

Hình 3 7: Xe tham khảo Toyota Yaris 57

Hình 3 8: Kích thước hình học xe 59

Hình 3 9: Kích thước hình học của xe 59

Hình 3 10: Cửa hậu 60

Hình 3 11: Tấm kính trước 60

Hình 3 12: Cửa trước 61

Hình 3 13: Cửa sau 61

Hình 3 14: Tấm nóc 62

Hình 3 15: Vỏ xe 62

Hình 3 16: Mô hình toàn xe 63

Hình 3 17: Mô hình chia lưới 65

Hình 3 18: Các dạng riêng điển hình khi sử dụng thép hợp kim 69

Hình 4 1: Mô hình tổng thể của xe khảo sát 77

Hình 4 2: Mô hình tính toán âm thanh trong cabin 78

Hình 4 3: Hình dạng và vị trí các nút của phần tử SHELL181 79

Hình 4 4: Cấu trúc kiểu phần tử FLUID30 80

Hình 4 5: Nguyên tắc thiết lập phần tử âm thanh 80

Hình 4 6: Mô hình chia lưới 81

Hình 4 7: Tám dạng dao động riêng đầu tiên của khối khí trong cabin 82

Hình 4 8: Phân bố mức áp suất âm (L sp) trong cabin ô tô tại tần số 80 Hz 85

Hình 4 9: Phân bố mức áp suất âm (L sp) trong cabin ô tô tại tần số 180 Hz 86

Hình 4 10: Mức áp suất âm thanh tại vị trí người lái xe 87

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển của khoa học công nghệ ứng dụng trên xe đòi hỏi cao tính tiện nghi và an toàn sử dụng cho người lái và hành khách trên xe Đảm bảo rung ồn trong cabin không vượt quá giới hạn cho phép là một trong các tiêu chí quan trọng trong quá trình thiết kế khung vỏ của ô tô

Ồn trong cabin được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau Quy tụ lại

có thể kể tới hai nguyên nhân chính đó là ồn do dao động và ồn do truyền âm Dao động của vỏ xe kéo theo sự dao động của các lớp không khí trong cabin gây ra âm thanh khó chịu, đó là tiếng ồn do dao động Nguyên nhân chính của hình thức này là

do dao động của vỏ xe do vậy việc thiết kế khung vỏ và vật liệu chế tạo sẽ quyết định mức độ ồn tương ứng Các nguồn âm khác nhau truyền trong môi trường rắn, lỏng hay khí tới cabin gây tiếng ồn Các nguồn âm cố định (tiếng ồn hệ thống nạp, xả…) có thể giảm ồn bằng phương pháp cách ly, cô lập hay giảm tần số ồn, tuy nhiên quá trình vận hành xe là trong môi trường động, việc mô phỏng, xác định mức âm của các nguồn gây dao động và xác định nguồn âm (tiếng ồn do tiếp xúc

ma sát lốp – mặt đường, tiếng ồn do gió…) trở nên khó khăn Do vậy để tiến hành bài toán xác định mức âm trong cabin cần thực hiện nhiều bài toán thành phần rồi tiến hành bài toán “xếp chồng” có xét tới ảnh hưởng của các thành phần có cùng tần số để đưa ra kết quả có sai số nhỏ nhất Trong phạm vi luận văn, việc tiến hành các công việc đã nêu trên xe 5 chỗ gặp nhiều khó khăn về thời gian, thiết bị đo công nghệ cao và tài chính hạn hẹp do vậy luận văn tiến hành xây dựng mô hình 3D mô phỏng kết cấu vỏ xe rồi tiến hành khảo sát các dạng dao động riêng của vỏ xe có xét tới ảnh hưởng của bề dày và vật liệu chế tạo để đưa ra cái nhìn tổng thể trước khi áp dụng vào bài toán thiết kế khung vỏ, bố trí các nguồn dao động trên xe và bài toán xác định mức âm trong cabin

Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Vũ Quốc Huy cùng các thầy trong bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng và các anh chị đồng nghiệp

Do thời gian hạn chế, nội dung nghiên cứu trải rộng trên nhiều lĩnh vực khác nhau nên không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, các anh chị đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo

Hà nội ngày 15/3/2014

Tác giả

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RUNG ỒN VÀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1.1 Khái niệm âm thanh

Âm thanh là sự nhiễu loạn được tạo ra trong môi trường đàn hồi mà con người thể cảm nhận được bằng cơ quan thính giác

1.1.2 Khái niệm về rung động và tiếng ồn

Rung động là sự nhiễu loạn trong môi trường thể rắn đàn hồi tạo ra sự chuyển động có thể nhìn thấy được

Tiếng ồn được xem như những âm thanh không mong muốn, chúng gây ra phiền phức và khó chịu gây hại tới sức khỏe con người

Chúng ta cảm nhận sự rung động bằng cơ quan xúc giác và cảm nhận âm thanh bằng cơ quan thính giác Các rung động và âm thanh được cảm nhận thay đổi như thế nào tùy theo mức độ tiếp xúc với chúng Một âm thanh là sự rung động (dao động áp suất) của không khí Rung động và âm thanh được thể hiện bằng “sóng” Đặc trưng cho sóng dao động là tần số sóng cho biết số lần dao động sóng trong 1s Tùy theo từng giá trị của tần số mà sự cảm nhận là rung động hay tiếng ồn Hậu quả của tiếng ồn và rung động là sự khó chịu, mệt mỏi, an toàn vận hành, gây hại tới sức khỏe con người Trong các máy móc, xe cộ và xây dựng hậu quả gây ra là sự hao mòn các chi tiết, giảm công suất cố ích, gây ra các hoạt động không bình thường hoặc các hư hỏng không thể khắc phục được Đặc biệt khi xảy ra cộng hưởng sự hư hỏng của các chi tiết không thể kiểm soát

Rung động và tiếng ồn được định nghĩa ở đây là âm thanh không mong muốn, chúng có liên quan chặt chẽ với nhau Tiếng ồn đơn giản là một phần năng lượng rung động của kết cấu chuyển thành áp suất không khí Hầu hết tiếng ồn và rung động có liên quan đến hiện tượng cộng hưởng Cộng hưởng xảy ra khi động lực học ảnh hưởng trong quá trình kích thích các tần số tự nhiên, hoặc chế độ rung động trong các kết cấu xung quanh

Tiếng ồn có thể truyền bằng nhiều đường khác nhau như: khí, lỏng (nước, dầu…), rắn (kim loại, phi kim…) Tiếng ồn truyền trong không khí được phát ra trực tiếp từ các nguồn phát âm và truyền vào không khí Tiếng ồn đường cơ – âm học là tiếng ồn được truyền thông qua các vật liệu rắn, thường thông qua sự tiếp xúc

cơ khí trực tiếp với các nguồn âm hoặc từ sự rung động của vật trước đó Chúng ta có thể cảm nhận âm truyền theo đường cơ – âm học như là những rung động khi chúng ở trong những vật cụ thể

1.1.3 Ảnh hưởng của tiếng ồn tới con người

a Đặc điểm cảm thụ âm thanh của con người

Âm thanh được gây lên bởi bất kỳ một sự rung động nào đó và lan truyền trong không khí tương tự như sự chuyển động của sóng dọc Vì vậy nó là một dạng năng lượng cơ học và được xác định bởi các đơn vị năng lượng Âm thanh từ nguồn phát sẽ tạo lên năng lượng và cường độ âm thanh tại một điểm trong không gian được xác định bởi mức độ lan truyền âm trên một đơn vị không gian.Đối với một người trẻ tuổi và khỏe mạnh, ngưỡng nghe của tai có tần số từ 20Hz đến 20000Hz Tuy nhiên tai người chỉ thực sự nhạy cảm với những âm thanh có tần số trong khoảng 500 đến 8000Hz Đối với âm thanh có tần số trên hoặc dưới ngưỡng này, tai người trở nên kém nhạy cảm Những người phải tiếp xúc với nguồn gây tiếng ồn lớn trong một thời gian dài sẽ không cảm nhận được những âm thanh có tần số từ trung bình tới cao

Một đặc trưng quan trọng khác về mức độ cảm nhận âm thanh của tai người là

âm thanh mà tai người nghe được có cường độ và áp suất thay đổi trong phạm vi rất rộng, chẳng hạn áp suất âm có thể thay đổi từ mức nhỏ nhất 2.10-5 N/m2 đến mức lớn nhất là 20 N/m2, như vậy mức khác biệt là một triệu lần Tương tự như vậy cường độ âm thanh thay đổi đến 1012 lần, sự thay đổi quá lớn sẽ gây bất tiện trong việc đánh giá và đo lường

Một vấn đề đáng quan tâm khi so sánh mức độ cảm nhận âm thanh của tai người là tai người phân biệt áp suất giữa 1 và 2 Pa cũng giống như 5 và 10Pa Weber Fechner phát hiện ra rằng cản giác âm thanh của tai không tỷ lệ bậc nhất với năng lượng kích thích mà tỷ lệ với logarit của nó, gọi là mức âm

Mối liên hệ giữa áp suất âm (dB) mà mức to được biểu diễn bởi đường cong đồng mức to Các đường cong đồng mức được trình bày trên hình 1 Mối liên hệ giữa mức to và độ to được xác định bởi biểu thức:

Trong đó: P là mức to, S là độ to

Cảm giác to nhỏ khi âm thanh của cơ qua thính giác người vừa phụ thuộc vào mức âm, vừa phụ thuộc vào tần số âm Hai âm tuy có cùng mức, nhưng ta nghe to nhỏ khác nhau vì chúng có tần số khác nhau Cảm giác to nhỏ này của tai được và

đo bằng phôn Thang đó phôn được chọn được thành lập bằng cách chọn âm tần số 1000Hz làm chuẩn và trị số mức to phôn ở tần số này đúng bằng trị số mức âm dB Chẳng hạn âm tần số 1000 Hz có mức âm 60dB thì có mức to 60 phôn

Mức to của các âm đơn khác xác định bằng cách so sánh chúng với âm chuẩn và trị số của nó lấy bằng của âm chuẩn nếu chúng nghe to bằng nhau Mỗi đường cong trên biểu đồ là tập hợp tất cả các âm đơn có tần số và mức âm khác nhau nhưng đều nghe to như nhau, do đó có cùng trị số mức to như phôn Robinson và Dadson đã xây dựng biểu đồ các đường đồng mức to như hình 1.1

Quan sát các đường đồng mức có thể nhận thấy:

- Tai người có độ nhạy cảm rất kém ở các tần số thấp: 20 – 200Hz

- Độ nhạy cảm cao nhất của tai người nằm ở tần số 4000Hz

Hình 1 1: Biểu đồ đường đồng mức ấp suất âm

b Tác hại của tiếng ồn tới con người

Qua cơ quan thính giác tiếng ồn ảnh hưởng tới hệ thần kinh, trước mắt là hệ thần kinh trung ương Điều dễ nhận thấy là tiếp xúc với tiếng ồn cao gây khó ngủ, giấc ngủ chập chờn không sâu, dễ làm thức giấc Tiếng ồn cũng gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh thực vật, do đó làm mất khả năng điều khiển của nó đối với các cơ quan nội tạng hoạt động phù hợp với môi trường bên ngoài và các yêu cầu khác Tiếng ồn cường độ cao có thể gây co giãn động mạch Theo Galakhov và katievsscaia, số người mắc bệnh cao huyết áp ở làng nghề có tiếng ồn cao hơn nơi không có là 10-20% Tiếng ồn cao có thể làm mất thăng bằng vì tác động đến tiền đình dẫn đến một số hiện tượng như hoa mắt, chóng mặt, choáng váng

Tiếp xúc với tiếng ồn cao tỷ lệ nhiễm bệnh của người tiếp xúc hoặc nằm trong vùng ảnh hưởng cũng cao hơn, với tiếng ồn trên 100dBA thị lực giảm sút, khả năng phân biệt màu sắc kém

Tiếng ồn là một trong các yếu tố của môi trường tác động xấu tới con người khi làm việc Cùng với sự phát triển của công nghiệp, các thiết bị có công suất lớn,

năng suất cao được sử dụng nhiều hơn do đó mức ồn rung ngày càng cao đã ảnh hưởng trực tiếp tới công nhân lao động gây ra những tai nạn thảm khốc do thiếu tập trung, mệt mỏi và căng thẳng…

Nguyên nhân tạo ra rung động và tiếng ồn trên xe là do lực rung động, trong phần này luận văn chỉ ra một số nguồn gây rung động trên xe

Trong các nguồn điển hình về lực rung trên xe, có các loại sau: Dao động của

áp suất cháy hoặc mômen trong động cơ, các lốp không cân bằng, đường gồ ghề, sự không cân bằng hoặc góc nối ở trục các đăng, sự ăn khớp của các bánh răng trong hộp số hoặc bộ vi sai, và các dao động của lực ma sát trong li hợp hoặc các phanh Nếu có thể giảm hết mọi nguyên nhân này, thì rung động và tiếng ồn sẽ không xuất hiện Tuy nhiên, không thể khử hết một số trong những nguyên nhân này như áp suất cháy trong động cơ, hoặc lực ở bên ngoài từ mặt đường gồ ghề

Nguyên nhân tạo ra rung động tiếng ồn của xe là do lực rung Bộ phận điển hình tạo ra lực rung này là động cơ Trong động cơ, vì nhiên liệu được đốt trong buồng cháy và nhiều bộ phận chuyển động, tạo ra nhiều loại lực rung Chúng làm cho độngcơ bị rung, làm cho bản thân động cơ trở thành một bộ phận tạo rung động Chúng được truyền đến hệ thống truyền lực và thân xe Có nhiều yếu tố liên quan đến việc tạo ra lực rung trong các động cơ, nhưng trong các yếu tố này, hai yếu tố sau đây là đặc biệt quan trọng Một yếu tố là áp suất cháy của nhiên liệu trong buồng đốt Yếu tố kia là lực quán tính do chuyển động tịnh tiến của pittông

và chuyển động quay của trục khuỷu gây ra Hai yếu tố này tạo ra dao động của mômen và độ rung trong độngcơ Ngoài hai yếu tố này, các yếu tố do chuyển động

cơ học của các bộ phận gây ra tiếng ồn của động cơ

1.2.1 Dao động mô men do áp suất cháy

Lực rung do áp suất cháy gây ra dao động mômen ở trục khuỷu, được truyền đến hệ thống truyền lực Nó cũng tác động lên thân máy như là một phản lực và làm

cho động cơ bị rung áp suất cháy dao động ít hơn khi số vòng quay của động cơ cao và khi động cơ có số xi lanh nhiều hơn Dao động mômen trở nên lớn hơn khi góc mở của bướm ga lớn (khi tải trọng của động cơ lớn, vì áp suất cháy tăng lên)

Do cấu tạo của động cơ, không thể tránh được dao động mômen Nếu nguyên nhân rung động và tiếng ồn là sự dao động mômen, thì việc khắc phục rất khó

1.2.2 Rung động do chuyển động không cân bằng (lệnh tâm)

Các lực rung bởi lực quán tính do cơ cấu đối trọng trục khuỷu tạo ra và sự không cân bằng trong vật thể quay Trong các lực rung bởi quán tính, có thể cân bằng khối chuyển động tịnh tiến đến một mức nào đó bằng cách lựa chọn việc bố trí xi lanh và hình dạng hợp lí của trục khuỷu Nhưng rung động do quán tính không cân bằng tạo ra có thể giữ nguyên Để khắc phục hiện tượng này, một số động cơ được trang bị một trục cân bằng Lực rung do sự không cân bằng trong bộ phận quay tạo ra trước hết là rung động của động cơ, bất kể số xi lanh Có thể giảm sự không cân bằng này bằng các đối trọng Lực do sự không cân bằng tạo ra tăng theo tỷ lệ bình phương của số vòng quay, nên rung động được khuếch đại mạnh khi tăng số vòng quay

1.2.3 Tiếng ồn của hệ thống nạp

Tiếng ồn của đường ống nạp bao gồm âm thanh mạch động của không khí hút vào và các tiếng cộng hưởng Âm thanh mạch động có tần số tương đối cao Nó được xác định bằng lượng không khí, hình dạng của bộ lọc khí, đường kính và chiều dài của ống nạp Tiếng cộng hưởng có tần sốtương đối thấp Nó được tạo ra khi tần số của tiếng ồn ống nạp và tần số cộng hưởng của hệ thống hút trùng với nhau ở một số vòng quay của động cơ Cũng vậy, sự dao động của áp suất khí nạp đôi khi phát ra các âm thanh bức xạ từ bề mặt bên ngoài của hệ thống nạp Rung động ở hệ thống nạp cũng truyền vào bên trong

Khi tần số của tiếng ồn ống nạp trùng với tần số cộng hưởng trong buồng lái hoặc trong hệ thống nạp, tiếng ồn tăng lên gây ra tiếng ù ù và tiếng ồn của động cơ

Bộ cộng hưởng ống nạp thường được sử dụng để thay đổi tần số cộng hưởng trong hệ thống nạp, và do đó làm giảm tiếng ù ù và tiếng ồn của động cơ

1.2.4 Tiếng ồn hệ thống xả

Tiếng ồn của hệ thống xả gồm có tiếng khí đốt xả ra khỏi ống giảm âm, và các âm thanh phát ra từ bên ngoài ống xả và ống giảm âm thanh Có thể giảm tiếng

xả khí này bằng các đặc tính giảm thanh của bộ giảm âm (giảm thanh) Nhưng nếu dung tích của bộ giảm âm không đủ lớn, công suất của động cơ sẽ bị ảnh hưởng

Âm thanh phát ra bởi độ rung của các vách bộ phận do dao động của áp xuất xả, tạo

ra rung động ở không khí xung quanh Đôi khi rung động ở hệ thống xả cũng truyền đến thân xe và tạo ra âm thanh được truyền đi

1.2.5 Sự không cân bằng trục các đăng

Sự không cân bằng ở trục các đăng gây ra rung động hoặc tiếng ồn Trục các đăng quay nhanh hơn lốp do tỉ số truyền của bánh răng vi sai Vì vậy, tần số rung hoặc tiếng ồn tăng lên và thường kèm theo tiếng ù ù

1.3 Phân tích nguyên nhân gây tiếng ồn trên xe ô tô

Trong quá trình xe vận hành, tiếng ồn rung có thể xuất hiện bởi các nguồn gây dao động và âm thanh Các nguồn này một mặt truyền năng lượng âm ra môi trường, mặt khác truyền năng lượng âm, dao động thông qua các chi tiết trên xe tới

ca bin Việc phân tích nguyên nhân và các hiện tượng rung ồn ảnh hưởng tới khoang người lái sẽ quyết định tới độ chính xác của bài toán tính NVH trong cabin

xe 5 chỗ

Khi rung động và tiếng ồn phát sinh, hiện tượng này không nhất thiết là có hư hỏng xảy ra Các loại rung động và tiếng ồn điển hình trên xe tác động tới cabin được trình bày trong mục sau:

1.3.1 Rung nảy cabin

Hiện tượng: “Rung nẩy” được định nghĩa là rung động theo chiều đứng hoặc chiều

ngang của thân xe và vô lăng, cùng với rung động của các ghế ngồi Thường không

thể cảm nhận được rung nẩy khi xe chạy dưới tốc độ khoảng 80km/h Lớn hơn tốc độ này, rung nẩy tăng lên rõ rệt nhưng sau đó đạt tới mức đỉnh ở một tốc độ nhất định

Hình 1 2: Hiện tượng rung nảy cabin

- Các rung động của thân xe được truyền tới vô lăng và các ghế ngồi làm cho thân xe, ghế và vô lăng bị rung

- Khi các rung động được truyền cộng hưởng với thân xe, thân xe sẽ rung mạnh Ngoài ra, khi rung động của các cầu xe cộng hưởng với các rung động của động cơ, động cơ sẽ rung rất mạnh, và lại làm cho thân xe rung mạnh hơn nữa (Hình 1.3a)

Hình 1 3: (a) Rung nảy do cộng hưởng; (b) Rung lắc do ảnh hưởng của lốp Một số trường hợp thân xe có thể rung nẩy xen kẽ theo chiều đứng và chiều ngang với khoảng cách thời gian xấp xỉ 10s Đó là sự chênh lệch nhỏ về các bán kính quay của lốp tạo ra sự chênh lệch ở các điểm lắc đảo tương đối giữa lốp bên phải và bên trái hoặc giữa lốp trước và lốp sau Rung nảy thân xe thường xuất hiện

do các lốp không cân bằng hoặc bị mòn không đều vì vậy cỏ thể loại bỏ rung lắc ngang thân xe bằng cách hiệu chỉnh cân bằng lốp hoặc giảm độ lắc đảo của lốp

1.3.2 Rung lắc vô lăng

Hiện tượng: Lắc tay lái là tình trạng mà vô lăng dao động từ 5 đến 15 lần trong một

giây theo chiều quay Nó xuất hiện ở mức tốc độ tương đối hạn chế nhưng cao, thường lớn hơn 80 km/h và các dao động của vô lăng không thay đổi

Rung tay lái là trạng thái làm cho vô lăng dao động theo chiều kim đồng hồ và ngược kim đồng hồ, giống như sự rung của tay lái, nhưng ở các tốc độ thấp hơn Hiện tượng này bắt nguồn từ đường ghồ ghề hoặc phanh khi các lốp hoặc phanh mòn không đều

Nguyên nhân:

- Lốp không cân bằng hoặc đảo không đều

- Cộng hưởng giữa lốp và vô lăng

- Đường xóc

- Lốp bị biến dạng hoặc rung động đột ngột theo chiều đứng khi phanh gây ra khi lôp mòn không đều

- Cộng hưởng giữa các lốp, hệ thống lái và hệ thống treo

- Có độ rơ trong các thanh nối của hệ thống lái, sự giảm lực cản do mòn, hoặc thiếu độ cứng vững của các thanh nối này

Cơ chế:

Độ đảo hoặc không cân bằng trong một lốp xe sẽ tạo ra lực rung trong khi xe đang chuyển động Lực rung này tạo ra một mômen quán tính ở ngõng trục, làm cho các lốp lắc theo chiều ngang Vì vậy tay lái sẽ dao động theo chiều ngang Lúc này trục lái, thanh răng lái và các thanh nối tác động như một lò xo cứng…(Hình 1.4) Ở một tốc độ nào đó của xe, các răng, các rung động ngang của các lốp do lực

li tâm tạo ra sẽ cộng hưởng với hệ thống lái, làm cho vô lăng dao động theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ

Đường xóc, các biến dạng ở lốp hoặc các dao động theo chiều đứng khi phanh có thể gây ra mọi rung động quanh ngõng trục trước là cho vô lăng rung

Hình 1 4: Hiện tượng lắc tay lái

1.3.3 Rung bàn đạp ga

Hiện tượng: Đây là rung động có tần số cao xuất hiện ở tốc độ cao hơn nhưng

không liên quan tới tốc độ của xe Rung động này có thể cảm nhận được bằng chân đặt lên bàn đạp nhưng bàn đạp không rung mạnh theo chiều nhả bàn đạp

Nguyên nhân:

- Do ảnh hưởng bởi rung động của động cơ

- Rung động và các cộng hưởng ở bướm ga hoặc thanh nối

- Dây cáp bướm ga hoặc thanh nối thiếu cững vững

Cơ chế: Rung động của động cơ làm cho cáp bướm ga hoặc thanh nối rung lên Các

rung động này truyền tới bàn đạp gha kéo theo sự rung động(Hình 2.4a)

1.3.4 Rung cần chuyển số

Hiện tượng: Loại rung động này làm cho cần chuyển số dao động, thường xảy ra ở

tốc độ động cơ tương đối cao và dễ nhận ra rõ hơn gần số vòng quay làm nó rung Trong các loại rung khác nhau của cần chuyển số, nếu rung động này xuất hiện khi động cơ đang chạy không tải, hãy xem mục về "rung khi chạy không tải"

Hình 1 5: (a) Rung bàn đạp ga; (b) Rung cần chuyển số

Nguyên nhân:

- Động cơ không được điều chỉnh chính xác

- Không cân bằng ở các bộ phận quay hoặc chuyển động tịnh tiến của động

cơ

- Cộng hưởng ở cần chuyển số, hoặc cần chuyển số thiếu độ cứng vững

- Có độ rơ giữa cần chuyển số và thanh nối, hoặc các bạc lót bị mòn

Cơ chế:

- Các xe có động cơ ở phía trước, dẫn động bánh sau (FR):

Các dao động mômen hoặc mất cân bằng của các bộ phận quay hoặc chuyển động tịnh tiến của động cơ tạo ra các rung động uốn trong hệ thống truyền lực Hơn nữa, các góc nối hoặc một trục các đăng không cân bằng có thể làm tăng thêm các rung động này Phần vỏ hộp số phần kéo dài rung mạnh, tạo ra một lực rung truyền đến cần chuyển số Cần chuyển số dao động vì nó được lắp trên phần kéo dài của hộp

số Bất cứ độ rơ nào ở cần chuyển số cũng khuếch đại thêm rung động này

- Các xe có động cơ ở phía trước, dẫn động bánh trước (FF):

Một động cơ không được căn chỉnh chính xác sẽ chạy không đều và làm cho cụm cần chuyển số bị rung

1.3.5 Tiếng ồn khó chịu khi đi xe

Tiếng khó chịu có nghĩa là tiếng va đập một lần như tiếng búa đập vào một vật thể Cùng với một tiếng ồn lớn, va đập này được cảm nhận qua vô lăng, các ghế ngồi và sàn xe Loại va đập này xuất hiện khi xe chạy qua một khe rãnh hoặc một ổ gà trên đường

Nguyên nhân:

- Các đặc điểm bao của lốp

- Các bộ phận của hệ thống treo bị mòn (các bạc lót, các bộ giảm chấn,v.v )

Các cơ chế của sự phát triển rung động và tiếng ồn:

- Một va đập theo chiều dọc tác động vào lốp làm cho nó biến dạng từng phần, khi xe chạy qua một ổ gà hoặc một khe rãnh ở trên đường

- Va đập này được tiếp tục truyền đến các đòn treo Do đó các bạc lót của hệ thống treo bị nén lại, truyền tiếng ồn hoặc rung động đột ngột tới thân xe

1.3.6 Tiếng ồn do mặt đường

Tiếng ầm ầm hoặc gầm rú liên tục với độ cao âm thanh không đổi là tiếng ồn

do mặt đường Âm lượng của tiếng ồn này tăng lên theo tốc độ của xe Tiếng ồn này xuất hiện chủ yếu khi xe chạy trên đường có bề mặt lát xấu

Hình 1 6: (a) Tiếng ồn mặt đường; (b) Tiếng ồn hoa lốp

Nguyên nhân:

- Các ổ gà hoặc hố nhỏ trên mặt đường

- Các lốp cộng hưởng với độ nhấp nhô của mặt đường

- Rung động của hệ thống treo (do các hằng số lò xo không thích hợp của các bạc lót bằng cao su)

Cơ chế:

- Khi xe chạy trên đường có bề mặt lát xấu, tạo ra các rung động nhỏ ở các lốp Khi các rung động này đạt đến một tần số nhất định, chúng gây ra các cộng hưởng ở các lốp làm khuếch đại các rung động này

- Các rung động này được truyền từ hệ thống treo đến thân xe, và tiếng kêu gầm

rú phát ra từ các tấm ốp của thân xe

1.3.7 Tiếng ồn hoa lốp

Loại tiếng ồn này thường xuất hiện ở xe có lốp kiểu vấu hình khối khi xe chạy trên đường lát Âm lượng của nó tăng theo tốc độ của xe

Nguyên nhân :

Các hiệu ứng nén khí của kiểu hoa lốp

Các cơ chế:

- Khi lốp lăn trên mặt đường, không khí bị cuốn vào giữa các rãnh của hoa lốp,

và không khí bị nén lại khi tiếp xúc với mặt đường

- Khi lốp tiếp tục quay, không khí thoát ra khỏi hoa lốp - điều này được gọi là

"hiệu ứng nén khí" - và không khí dãn ra khi được giải phóng, tạo ra tiếng kêu lốp bốp Các tiếng động này được nhân lên tạo ra tiếng gầm rú

1.3.8 Tiếng ù thân xe

Bạn cảm thấy loại tiếng ồn này như một áp lực trong tai mình, và nguồn gốc của nó thường không biết Cao độ âm thanh của nó tăng (tần số) theo tốc độ của xe

Nó xuất hiện trong một phạm vi tốc độ xe tương đối hẹp quanh 10km/h, hoặc

khoảng 50 vòng/phút nếu quan sát tốc độ của động cơ

Nguyên nhân:

- Động cơ không được điều chỉnh chính xác

- Lực quán tính do chuyển động tịnh tiến của các pittông, hoặc sự không cân bằng trong động cơ

- Trục các đăng không cân bằng

- Góc nối trục các đăng không chính xác

- Các cộng hưởng ở ống xả

- Tiếng ồn của khí xả

- Các cộng hưởng ở các bộ phận phụ của động cơ

- Rung động do các ứng suất xoắn ở trục các đăng và các bán trục

Cơ chế

a Góc nối của trục các đăng

- Khi có góc nối ở trục các đăng, sẽ có hai dao động mômen trong mỗi vòng

quay của trục các đăng Các dao động này trở nên lớn hơn khi góc nối tăng lên ở tốc độ nào đó của xe các dao động mômen này sẽ làm cho hệ thống truyền lực rung, và truyền qua các bạc lót đòn của hệ thống treo phía sau hoặc các lò xo, làm cho các tấm ốp của thân xe rung Điều này dẫn đến tiếng ù ù của thân xe

Hình 1 7: (a) Tiếng ồn do góc nối trục các đăng; (b) Tiếng ồn do trục các đăng

không cân bằng

Khi trục các đăng không cân bằng, tạo ra lực li tâm có xu hướng làm cho các đầu trục các đăng cong ra ngoài và quay theo các vòng tròn lớn quanh đường tâm của trục Dĩ nhiên là điều này thực tế không xảy ra vì trục các đăng được cố định ở

cả hai đầu Tuy nhiên, nó sẽ làm cho trục rung sau mỗi lần trục quay Lực rung này có xu hướng làm cong trục các đăng Lực rung này tiếp tục được truyền qua các (giá bắt động cơ) chân máy phía sau, ổ đỡ giữa của trục các đăng, các bạc lót của hệ thống treo phía sau, và các tấm ốp của thân xe Các tấm ốp thân xe bị rung sinh ra tiếng ù ù của thân xe

c Các rung động của ống xả

Ống xả dài và nhỏ nên dễ bị rung Một yếu tố quan trọng khác làm cho ống xả rung mạnh là vì nó được gắn vào động cơ, là nguồn rung động lớn nhất trong xe Khi ống xả cộng hưởng với rung động của động cơ, rung động này được khuếch đại tiếp

và truyền theo đường của các vòng đệm chữ O và các vòng kẹp của ống giảm thanh đến thân xe, gây ra tiếng ù ù của thân xe Để cách li khu vực có hư hỏng, bạn có thể lần lượt tháo các vòng đệm chữ O này

Hình 1 8: (a) Tiếng ồn do rung động ống xả; (b) Tiếng ồn do các rung động của bộ

phận phụ động cơ

Nếu các giá bắt máy phát điện, bơm trợ lực lái, hoặc máy nén điều hoà không khí được làm bằng vật liệu không đủ cứng vững, chúng sẽ cộng hưởng với rung động của động cơ Rồi rung động này được truyền qua các chân máy đến thân xe, tạo ra tiếng ù ù của thân xe

1.3.9 Tiếng gõ thân xe

Phải có hai âm thanh riêng biệt để tiếng gõ xuất hiện Khi hai âm thanh riêng biệt có các tần số khác nhau một chút, A và B đồng thời xuất hiện, âm lượng của chúng thay đổi theo chu kỳ, dẫn đến tiếng gõ Khi các điểm cao trên đỉnh (hoặc các điểm thấp) của hai tần số rung động khác nhau, A và B, chồng lên nhau, chúng tạo ra tiếng ồn lớn hơn Và khi các điểm cao và các điểm thấp của hai tần số rung động khác nhau chồng lên nhau, chúng tạo ra tiếng ồn nhỏ

Có thể trình bầy tần số của tiếng gõ như sau:

Tần số A - tần số B = Tần số của tiếng gõ

Trong số những tiếng ồn mà chúng ta dễ cảm nhận nhất là tiếng gõ có các tần số là 2 đến 6 chu kỳ trong 1 giây, hoặc 2 đến 6 Hz

Nguyên nhân:

- Sự chênh lệch về các tần số rung động ở động cơ và hệ thống truyền lực (độ trượt của bộ biến mô, hoặc tỉ số truyền của hộp số)

- Sự chênh lệch về các rung động ở động cơ và lốp xe (tỷ lệ giảm tốc của bộ vi sai)

- Các chênh lệch về tần số rung trong động cơ và các bộ phận phụ (tỷ số truyền của puli trục khuỷu đến các puli của các hệ thống phụ)

Cơ chế

a Độ trượt của bộ biến mô

Tiếng ồn do sự không cân bằng gây ra: Nếu có sự cân bằng trong cánh bơm, và sự

không cân bằng khác ở sau bánh tua bin, như ở trục các đăng, mỗi bộ phận trong các bộ phận này đều sẽ tạo ra rung động Vì bản chất bộ biến mô luôn có độ trượt, độ mất cân bằng tương đối giữa cánh bơm và trục các - đăng sẽ xuất hiện chung quanh trục chung của chúng Khi độ không cân bằng của cánh bơm ở phía đối diện so với độ không cân bằng của trục các đăng, rung động sẽ nhỏ hơn khi cả hai độ mất cân bằng đều ở cùng một phía Hai rung động biến thiên này được truyền đến các tấm ốp của thân xe qua các dầm đỡ phía sau của động cơ hoặc các bạc lót của đòn treo để tạo ra tiếng gõ

Tiếng ồn do các dao động mômen gây ra:

Hình 1 9: Tiếng ồn do trượt biến mô và do dao động mô men

Ngoài rung động nói trên do sự không cân bằng gây ra, sự kết hợp của dao động mômen động cơ, độ trượt của bộ biến mô, và dao động mômen do góc nối trục các đăng cũng có thể tạo ra lực rung phát triển thành tiếng gõ của thân xe Trong thực tế nên giải quyết sự cố này từ phía trục các đăng hơn là từ bên trong động cơ

b Các dao động do tỷ số truyền của hộp số

Ngoài tiếng gõ của thân xe do độ trượt của bộ biến mô gây ra, tỷ số truyền của hộp số

- như số truyền tăng trong hộp số tự động, hoặc số 5 trong hộp số thường đôi khi làm cho tần số rung của động cơ đạt tới gần tần số rung của hệ thống truyền lực, phát sinh tiếng gõ ở thân xe (Hình 1.10a)

c Rung động do tỷ số truyền của puli

Nếu đường kính của một puly phụ và đường kính của pu-li trục khuỷu gần như có bội số chung (chẳng hạn như 2 hoặc 4), các chênh lệch về tần số rung của động cơ

và của bộ phận phụ đó trở nên nhỏ, và kết hợp để tạo ra các tiếng gõ ở thân xe Trong trường hợp đó, hãy xác định rõ nguồn của nó bằng cách lần lượt tháo các đai dẫn động Việc này có thể giúp cho bạn cô lập và xác định được puly có sự cố (Hình 1.10b)

Hình 1 10: (a) Rung động do tỷ số truyền hộp số;

(b) Rung động do tỷ số truyền của puli

d Rung động do tỷ số giảm tốc của bộ vi sai

Nếu các tần số rung động do sự không đồng đều của các lốp và các tần số rung của động cơ (hoặc rung động của trục các đăng) gây ra gần như giống nhau do

tỷ số truyền của bộ vi sai, các rung động này cũng sẽ tạo ra các tiếng gõ ở thân xe

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Rung ồn là một chủ đề mới tại Việt Nam trong 1 thập niên trở lại đây, số lượng đề tài nghiên cứu trong nước do vậy có sự hạn chế nhất định Với nhu cầu nội địa hóa các công đoạn lắp ráp và chế tạo xe nên yêu cầu về rung ồn , độ êm dịu của

xe lắp ráp ngày càng cao

Luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu về ồn vỏ xe khách sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam” của tác giả Dương Thị Thu Hằng đã trình bày chi tiết các lý thuyết về dao động, sự truyền âm cũng như ảnh hưởng của rung ồn tới sinh lý của con người Qua đó xây dựng mô hình xe khách County 29 chỗ để nghiên cứu xác định tần số dao động riêng và mức áp suất âm trong mô hình tương đương Tuy nhiên các giả thiết để đưa mô hình thực tế về mô hình tương đương sẽ kết quả nghiên cứu bị sai lệch đáng kể do mô hình tương đương rất đơn giản, chưa mô tả rõ được tính kết cấu của cụm chi tiết

Các nghiên cứu ngoài nước trở nên phổ biến hơn đặc biệt là các tài liệu dịch

vụ của các hãng xe Nissan, Toyota,…ngoài ra các tác giả Alan E.Duncan, Frank C.Su, Walter L.Wolf trong công trình “Understanding NVH Basics” đã trình bày các học thuyết nền tảng cho rung ồn (NVH – Noise-Vibration-Harshness) và đưa ra quy trình thiết kế NVH đảm bảo các tiêu chuẩn hiện hành

Công trình nghiên cứu “NVH analysis of tractor cabin” của các tác giả David Svída, Pavel Novotný, Václav Pistek trình bày phương pháp tính NVH và đưa ra các kết quả tính mức áp suất âm trong đầu kéo cabin

1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ô tô vận hành trên đường chịu nhiều nguồn dao động khác nhau đến từ sự gồ ghề của mặt đường hoặc từ động cơ Ngoài ra tốc độ của ô tô cũng ảnh hưởng đến sự rung động Sự rung động là một trong những nguyên nhân chính sinh ra tiếng ồn trong cabin

Việc phân tích các ảnh hưởng của rung động đối với mức tiếng ồn trong cabin là một bài toán quan trọng trong quá trình thiết kế ô tô

1.6 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.6.1 Mục đích của đề tài

- Phân tích được ảnh hưởng của rung động đối với tiếng ồn trong cabin ô tô

- Xác định áp suất âm thanh tại mọi điểm trong cabin ô tô 5 chỗ sinh ra do rung động của vỏ khi chuyển động

1.6.2 Nội dung cần giải quyết

Đề tài sẽ giải quyết các nội dung sau:

- Tìm hiểu cấu tạo và sự rung động của vỏ ô tô trong quá trình vận hành

- Phân tích nguyên lý sinh ra tiếng ồn do rung động

- Xây dựng mô hình 3D vỏ xe ô tô 5 chỗ

- Phân tích mức tiếng ồn sinh ra trong cabin ô tô 5 chỗ

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được các nhiệm vụ được nêu, luận văn tiến hành phân tích lý thuyết và giải thích các cơ chế gây ra tiếng ồn trên xe ô tô 5 chỗ kết hợp với xây dựng mô hình 3D để khảo sát các dạng dao động riêng vỏ xe từ đó phân tích ồn rung cho xe ô tô 5 chỗ

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BÀI TOÁN ỒN RUNG TRÊN

Ô TÔ

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ồn rung bằng phương pháp PTHH

Kết cấu của ô tô là một hệ liên tục vô hạn bậc tự do, vì vậy các phép tính luôn cho ra một giá trị xấp xỉ, dao động được mô tả bởi số bậc tự do nhất định, số bậc tự

do càng nhiều thì phép tính có độ chính xác càng cao Tọa độ được chọn ban đầu và số bậc tự do cần cho phép tính toán sẽ đánh giá sự thành công của phép tính

Trong ô tô gồm 2 phần: phần khung xương (là phần kết cấu cơ khí) và khối không khí bên trong xe, khi 2 khối này kết hợp với nhau thì ta được một hệ gọi là hệ kết hợp nếu chúng ta nghiên cứu vấn đề ồn rung trên ô tô thì việc tìm hiểu về kết cấu là chưa đủ, vì bản thân khối không khí bên trong cũng là 1 hệ và nó cũng có dao động, có kích động và cũng có cộng hưởng Thực tế thì trên ô tô không phải rung bao nhiêu sẽ ồn bấy nhiêu, bản thân khối không khí bên trong cũng dao động, khi kết cấu rung động nếu trùng với tần số dao động riêng sinh ra cộng hưởng thì rung động của nó sẽ rất lớn Đôi khi chúng ta giảm rung động nhưng vẫn ồn, nói cách khác là ồn và rung không tỉ lệ với nhau, bởi vì bản thân khối không khí là 1 hệ dao động và cũng có cộng hưởng

2.1.1 Các phương trình cơ sở mô tả tương tác kết cấu – chất lưu

Trong các bài toán tương tác cặp đôi giữa kết cấu với chất lưu, phương trình động lực học kết cấu cần được xem xét cùng các phương trình Navier – Stokes của động lượng chất lưu và phương trình liên tục chất lưu

Hệ phương trình cân bằng động lực học cơ bản của kết cấu tuyến tính:

{ü} véc tơ gia tốc nút

{u. } véc tơ vận tốc nút

{F ɑ} véc tơ tải, là hàm biến thiên theo thời gian

Phương trình liên tục của chất lưu, xuất phát từ định luật bảo toàn khối lượng:

Chất lưu (trong bài toán đang xét là không khí) được sử dụng các giả thiết sau:

- Chất lưu chịu nén (khối lượng riêng có thể thay đổi theo áp suất)

- Chất lưu không thay đổi tính nhớt

- Mật độ và áp suất trong toàn bộ chất lưu là giống nhau

Với các giả thiết này phương trình từ (2.2) đến (2.5) được đơn giản hóa để nhận được phương trình sóng âm:

2 2

1

0

p p

Vì bỏ qua độ nhớt của không khí, phương trình (2.6) được xem như phương trình sóng âm khi truyền trong không khí Trong những bài toán cặp đôi kết cấu - không khí, phương trình kết cầu (2.1) và phương trình sóng âm (2.6) cần phải được xem xét đồng thời

Với áp suất biến thiên điều hòa:

^

i t

Ở đây p^ là biên độ áp suất; j 1; 2 f là tần số góc của dao động

Sử dụng hệ (2.7) để đơn giản phương trình (2.6) đến phương trình truyền âm Helmholtz:

2.1.2 Các đặc trưng âm thanh trong khoang kín

Bài toán âm trong khoang kín khác biệt rất nhiều so với trường hợp âm không bị giới hạn bởi không gian do sự phụ thuộc vào kích thước khoang và các bề mặt khuyếch tán, phản xạ, hấp thụ âm Trước khi xem xét bài toán âm thanh trong khoang xe khách, ta xem xét các đặc trưng của âm thanh trong các khoang kín nhỏ, quan trọng nhất là xem xét các đại lượng áp suất âm, tần số riêng và dạng riêng

Áp suất âm trong các khoang kín rất nhỏ

Trong những khoang kín có kích thước nhỏ hơn bước sóng của âm thì áp suất

âm trong khoang sẽ giống nhau tại mọi điểm, như vậy tiếng ồn trong khoang ở mọi chỗ là giống nhau Tác động kích thích của tường trong trường hợp này có thể mô hình hóa bởi môt dao động của một piston

Trong các khoang kín cần nghiên cứu về tiếng ồn những tường ngăn của khoang không phải cứng hoàn toàn mà bản thân vật liệu vách bao kín đã có tính chất đàn hồi giảm rung và hấp thụ âm Với mục đích giảm tiếng ồn trên các tường ngăn thường sử dụng các tấm vật liệu có tác dụng hấp thụ âm và giảm rung

ở trạng thái ổn định áp suất của âm trong khoang kín là như nhau và bằng:

Với

2 0

Ta thấy độ lớn của áp suất âm trong buồng kín không chỉ phụ thuộc vào độ lớn biên độ nguồn ồn Q0, tần số kích thích f mà còn phụ thuộc vào tổng thể tích của khoang và tổng trở kháng âm của tường Với khoang kín tường cứng |Z| → ∞

Do đó r , i = 0 và 0

2 0 0

c Q p

Lúc này áp suất âm chỉ phụ thuộc vào độ lớn của tần số, tốc độ kích thích đáng

kể và thể tích của khoang kín Áp suất và lưu tốc chậm pha 900, như vậy nguồn không phát ra năng lượng âm

Áp suất âm trong các khoang kín với bước sóng nhỏ hơn kích thước lớn nhất của khoang

Với những khoang có kích thước lớn, bước sóng λ của âm thanh nhỏ hơn kích thước lớn nhất của khoang thì trường áp suất âm sẽ không đồng nhất, tiếng ồn sẽ không giống nhau ở các vị trí mà phụ thuộc vào đáp ứng riêng về âm thanh của khoang và nguồn âm thanh kích thích

Tại những tần số riêng của khoang kín nếu tần số kích thích trùng với tần số riêng thì áp suất âm trong khoang sẽ tăng lên rất cao, đó là hiện tượng cộng hưởng

âm Trạng thái riêng này của âm trong khoang kín là kết quả chồng chất sự truyền sóng âm

Nguồn tác động đến khoang được bao kín có thể gồm những quan hệ trong phương trình sóng Với một nguồn đơn lưu lượng biến thiên theo thời gian là m(x,y,z,t) =0Q(x,y,z,t) (kg/s) thì 2 0

2

Q p

suất âm p(x,y,z,t) = Re[p 0 (x,y,z).exp(iωt)] và Q(x,y,z,t) = Re[Q 0 (x,y,z).exp(iωt)]

Chúng ta nhận được phương trình Helmholzt không đồng nhất cho đáp ứng áp suất âm:

Tần số riêng và dạng riêng của kết cấu vỏ xe

Vỏ xe có thể coi là một hệ cơ học Dao động tuyến tính của một hệ cơ học được mô tả bởi n hệ tọa độ suy rộng đủ (n bậc tự do) Phương trình vi phân dạng ma trận mô tả dao động của cơ hệ số có dạng phương trình:

[M]{ü} + [C]{ u. } + [K]{u} = {Fɑ} (2.15)

Với [M], [C], [K] lần lượt là các ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng, chúng là các ma trận vuông cấp n có các phần tử là các hằng số

{ü}, { u. }, {u} lần lượt là các véc tơ gia tốc nút, vận tốc nút, chuyển vị nút

{Fɑ}: véc tơ tải là hàm biến thiên theo thời gian

Khi {F ɑ} = 0 hệ dao động tự do Tùy từng trường hợp mà xét dao động có cản hay không có cản (có hay không ma trận [C])

Khi {F ɑ} ≠ 0 hệ là dao động cưỡng bức Căn cứ vào ma trận hệ số cản [C] ta cũng có dao động cưỡng bức có cản hoặc không có cản

Bài toán tìm tần số riêng, dạng dao động riêng của vỏ xe ô tô cũng là dạng bài toán dao động tự do không cản nhằm đưa ra các địa lượng đặc trưng cho dao động của cơ hệ (vỏ xe) là tần số riêng và dạng riêng Khi đó phương trình:

Một dao động bất kỳ của cơ hệ sẽ là tổ hợp tuyến tính của các dao động dạng riêng Do đó nếu xét riêng một dao động riêng thì nghiệm u của phương trình có

dạng u = α.sint(ωt + θ)

Với a là véc tơ biên độ của dao động thực chất là dạng riêng, ω là tần số góc, θ

là độ lệch pha

Thay nghiệm u vào phương trình dao động của kết cấu, ta có:

Do phương trình trên là hệ phương trình đại số tuyến tính thuần nhất có định thức hệ số bằng 0 nên các thành phần của véc tơ ak được xác định sai khác một hằng số nhân Chẳng hạn ta chọn ak một cách tùy ý

Nếu đưa vào ký hiệu :

1

ik ik k

a V a

 hoặc ( ) ( )

( ) 1

k

a V a

V

n n

n n nn

V V

V V V

Mỗi véc tơ cột của ma trận V k = [V 1k , V 2k , , V nk]T = [V1(k), V2(k), , Vn(k)]T

sẽ cho ta biết một dạng dao động riêng của hệ dao động

Ma trận V gọi là ma trận dạng riêng, ma trận dạng riêng cho ta biết tất cả các dao động riêng có thể có của hệ dao động

2.2 Các phương trình âm trong kết cấu

2.2.1 Tiếng ồn phát ra từ các tấm rung động

a Phát xạ điểm

Trên một tấm phẳng có diện tích nhỏ S k đang dao động và phát ra sóng âm có bước sóng lớn hơn kích thước của chính nó gọi là phát xạ điểm Công suất âm thanh phát ra được tính theo công thức:

Trong đó: c là tốc độ âm thanh trong không khí

ρ 0 là khối lượng riêng của không khí

Sk gọi là diện tích điểm phát xạ (m2)

δ 2 V là phương sai vận tốc dao động bề mặt (m2/s2)

Vận tốc tại điểm trong không gian được xác định theo nguyên tắc cộng tác dụng của các điểm phát ra

b Phát xạ âm thanh của tấm rung

Khi chịu tác động của kích thích từ bên ngoài các tấm bị dao động uốn với tần số giống tần số kích thích của ngoại lực, khi tần số kích thích trùng với tần số dao động riêng của tấm thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng

Vận tốc lan truyền dao động uốn của tấm được tính:

cd = (2.π.f)½ (B/m)¼ (2.24) Trong đó: B(N/m) là độ cứng chống uốn của tấm rung

M (kg/m2) là mật độ khối lượng của mặt tấm Khi tấm bị rung động sẽ nén và giãn lớp không khí làm lớp không khí này cũng dao động Khi tần số dao động của tấm trùng với tần số âm thanh trong không khí thì sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm fc:

2 1/ 2

2

c

c m f

Khi f → fc thì bước sóng của âm thanh tiến dần đến bước sóng uốn của tấm, năng lượng uốn của tấm trở thành nguồn phát xạ đơn cực hoặc nhị cực tập trung ở giữa tấm làm tăng khả năng phát xạ âm thanh

Khi f = fc thì tấm panel trở thành nguồn đơn cực, vận tốc âm thanh và vận tốc lan truyền của sóng trên tấm bằng nhau khi đó khả năng phát xạ là cao nhất

Khi f > fc và cd < c: khả năng phát xạ của tấm panel giảm xuống nhưng vẫn ở mức cao

Công suất âm phát ra bởi tấm panel đang dao động uốn trong dải tần số hẹp (f – ∆f, f + ∆f) có thể được biểu diễn qua công thức:

Với S là diện tích tấm phát xạ (m2)

µ f là hệ số phát xạ của tấm tại tần số trung bình

Vậy độ lớn năng lượng phát ra của tấm panel phụ thuộc vào độ lớn dao động được kích thích thông qua δ2V và khả năng phát xạ của tấm Khả năng phát xạ của tấm thường được xác định bằng thực nghiệm:

µf = 1 khi f > f

µf > 1 khi f = fc

µf < 1 khi f = fc

2.2.2 Phương trình sóng âm

Toán tử ma trận sau đây (gradient và phân kỳ) được đưa vào dùng trong phương trình (2.6):

Ở đây: vol: là thể tích miền bên trong; ∂p: là vi phân của áp suất (=∂ p (x, y, z, t)); S:

là bề mặt nơi đạo hàm của pháp tuyến áp suất tới bề mặt ứng dụng (điều kiện biên tự nhiên); {n}: là véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt chung S

Trong bài toán tương tác kết cấu với chất lưu (không khí), bề mặt S được xem như một giao diện (bề mặt chung) Với những giả thiết đã đặt ra được đơn giản hóa, các phương trình động lượng chất lưu trở thành quan hệ giữa gradient áp suất pháp tuyến của chất lưu và gia tốc pháp tuyến của kết cấu tại giao diện kết cấu với chất lưu

ở đây: {u} là véc tơ chuyển vị của kết cấu tại bề mặt giao diện

trong ký hiệu ma trận, phương trình (2.32) nhận được bởi:

2.2.3 Phương trình ma trận sóng âm trong kết cấu

Phương trình (2.34) chứa áp suất âm p và các thành phần chuyển vị uz, uy, và

ux như là các biến độc lập của bài toán Các hàm dạng phần tử hữu hạn cho không gian biến thiên của áp suất và các thành phần chuyển vị nhận được bởi phương trình:

ở đây: {N}: hàm dạng phần tử cho áp suất