Нравится!

Ещё раз про вибродемпферы

25 июля 2005 | 0 Комментариев

В статье «Термокомпенсированный вибродемпфер» были приведены некоторые обоснования эффективности одновременного применения демпферов разной плотности и жёсткости. Продолжим эту тему, для чего придётся уйти чуть в сторону, и раскрыть некоторые теоретические аспекты звукоизоляции.

Любая металлическая поверхность автомобильного кузова способна как являться источником звуковых волн (вследствие вибрации), так и экранировать то, что направлено на автомобиль извне. Автомобилем мы будем считать герметичное «жилое» пространство салона, а внешними источниками акустического раздражения уличные шумы и звуки, рождённые агрегатами нашего транспортного средства. Они хоть и «наши», но всё равно находятся по отношению к салону вовне, что важно.

Существует наблюдение: экранирующая способность панели прямо пропорциональна её массе. Это часто и называют «законом массы». Сейчас не будем заострять внимание на таких частностях, как пропорциональный вклад в общую звукоизоляцию отражения и внутреннего рассеяния (диссипации), важно лишь, что более тяжёлая конструкция пропускает меньше звука. При этом увеличение массы в три раза даёт примерно двукратное уменьшение проникающего шума. Наклеивая вибродемпфирующие материалы, мы, безусловно, утяжеляем панель, увеличивая таким образом её звукоизоляционную способность. То есть, повторимся: ВДП не только снижают собственные резонансы панели, но и препятствуют проникновению внешнего шума.

Однако существуют условия, при которых экранирующие конструкции перестают работать в своём качестве. Для некоторых частот и углов падения звуковой волны, конкретных для каждой панели, последняя будет акустически прозрачной! Это явление в середине прошлого столетия открыли судовые акустики, экспериментируя со  звукоизолирующими кожухами для дизелей. Немного позже Л. Кремер дал явлению теоретическое обоснование, назвав его резонансом совпадения. Суть его в том, что при равенстве фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности экрана (она в данном случае является  проекцией на плоскость экрана вектора скорости в падающей волне) и скорости изгибных  волн  в его материале, звуковая волна проходит полностью, без затухания. Для каждой экранирующей конструкции условия резонанса совпадения будут оригинальными, но они будут. Данный резонанс коварен ещё и тем, что обуславливает не точечное взаимодействие экрана с окружающим звуковым полем, а практически всей его площадью. То есть проявляется на достаточно низких частотах, где звукопоглощение либо невозможно, либо предельно затруднено. С одной стороны, увеличение массы и толщины экрана расширяет его работоспособность в области НЧ, но с другой стороны увеличившаяся жёсткость расширяет границы возможного проявления этого скверного явления – резонанса совпадения (РС).

Частота этого резонанса зависит, прежде всего, от угла падения звуковой волны. Но  шумовые волны отличаются от звуковых как раз «рассеянным» характером воздействия. Значит, частотная область проявления резонанса совпадения на шумовом сигнале будет достаточно обширной. И самое важное: данный резонанс находится в прямой связи с изгибной жёсткостью акустического экрана. То есть, чем жёстче конструкция, тем более она уязвима для резонанса совпадения. В этом и парадокс: увеличение массы ведёт к «ужесточению», а оно, в свою очередь, приводит к большей «прозрачности» пластины. И напротив: уменьшение жёсткости сужает спектр резонанса и уводит его далеко в высокочастотную область, где его «разрушительное» действие пренебрежимо мало.

Но это справедливо только для тех случаев, когда нет потерь в самой экранирующей пластине. Мы же ведём речь о заведомо демпфированных ограждающих конструкциях, вопрос лишь в качестве этого демпфирования. Которое, кстати, с некоторой долей условности можно назвать и мероприятием по уменьшению жёсткости! Следовательно, вибродемпфирование способно не только снизить структурные резонансы кузовных панелей, но и увеличить звукоизоляцию вследствие устранения проявлений резонанса совпадения.

Но здесь требуется оговорка: не все демпферы одинаково полезны. Теоретически, для нейтрализации РС требуется покрытие с минимальным модулем упругости, но практически диапазон эффективной жёсткости весьма узок. Не забываем про закон массы: более тяжёлые конструкции при прочих равных колеблются с меньшей частотой и амплитудой, значит, допустим, лист плотной бумаги или картона обеспечит меньше демпфирование, чем равный по площади и толщине лист битума. А такой же стальной лист, имея большую массу, увеличит отражающую способность панели, но и сделает её более прозрачной на частотах РС (жёсткость-то увеличилась!). Эффективное демпфирование – дитя компромиссов, лавирование между различными «патогенными» закономерностями.

Самое время вернуться в практику автомобильной звукоизоляции. Мы уже говорили о том, что демпферы различаются по температурным и частотным параметрам, которые, в свою очередь, находятся в некоторой зависимости от массы и жёсткости материала. Так, лучший на сегодняшний день по соотношению температурный диапазон – коэффициент потерь материал VB-1 фирмы CASCADE имеет довольно высокий модуль упругости, то есть является и самым жёстким из автомобильных демпферов. Прекрасно выполняя функции подавления собственных широкополосных колебаний панели, он не вносит существенного вклада в нейтрализацию резонансов совпадения. И напротив: один из наиболее мягких материалов – Герлен – скромен с точки зрения параметров демпфирования, но РС практически устраняет. Вернее, уводит его в область ультразвуковых частот, что, по сути, то же самое. Какой напрашивается вывод? Простой, очень простой. Тот же, что мы сделали в статье по поводу температурно-частотных характеристик.

В самом деле, многослойные покрытия из материалов с разными физическими свойствами способны быть более чем просто демпфирующими. Можно утверждать, что комбинированные ВДП увеличивают и звукоизолирующую способность панелей кузова. Особенно актуально их применение в местах, где уровень внешнего шума очень велик. Это арки передних и задних колёс (шум качения и работы подвески), моторный щит (шум от двигателя и его агрегатов), центральный тоннель (шум выпускной системы) и задний пол в заднеприводных автомобилях (шум редуктора моста). У внедорожных автомобилей существенными источниками шумов являются ещё раздаточная коробка и бортовые колёсные редукторы (если они, конечно, есть). Причём шум, сопровождающий работу конкретных агрегатов (в отличие от уличного шума) имеет выраженные спектр и направленность. Что, с одной стороны, позволяет выделить и устранить рождённый им  относительно узкополосный резонанс совпадения, но с другой – он обычно сильно смещён в область НЧ, а значит требует особых звукопоглотителей, хоть как-то сопоставимых с длиной волны. Лапы вытащишь – хвост увязнет…

Здесь мы подошли к наиболее трудноразрешимой проблеме автомобильной звукоизоляции – подавлению НЧ-составляющих. Можно даже назвать эту проблему извечной, потому что все её решения по определению будут паллиативны и компромиссны. Ибо всё здесь завязано на критически большую длину волны основной области паразитного спектра, выходящую порой за габариты салона автомобиля. Особой актуальностью эта проблема обладает при работе с дизельными автомобилями с их характерным субнизкочастотным рокотом силового агрегата, обусловленной «жёсткой» перекладкой поршня, взрывными процессами в цилиндрах (воспламенение от сжатия!), характерным гулом от системы впуска и ТНВД.

Оставим подробное описание прочих методов борьбы с НЧ-шумом до следующего раза и вернёмся в русло проблем вибродемпфирования. Теория и практика применения ВДП даёт автомобилистам пусть небольшой, но всё же неплохой набор технологических приёмов, направленных именно на ослабление НЧ-колебаний. Прежде всего речь идёт о так называемых жёстких демпферах.

Дело в том, что все ВДП подразделяются на классы, по типу деформации, обуславливающей потери. Всего классов четыре – жёсткие, мягкие, армированные и комбинированные. Первые два «работают» за счёт деформаций растяжения-сжатия, только в жёстком типе они направлены продольно, а в мягком – поперечно. Действие армированных материалов обусловлено сдвиговыми деформациями, а комбинированные в той или иной степени сочетают несколько видов деформаций. Известные нам специализированные автомобильные ВДП безусловно можно отнести к комбинированным, особенно тогда, когда они имеют армирующий фольгированный слой. Как правило, это сочетание сдвиговых деформаций и объёмных поперечных.

Жёсткий демпфер – это некая субстанция, скажем так, сопоставимая по жёсткости с демпфируемой панелью. Если в мягких ВДП разница в модулях упругости достигает нескольких порядков, то у жёстких демпферов эта разница – в пределах одного порядка; хотя, конечно, она тоже очень существенна. Пример: пластина полиуретана или полипропилена (не вспененных!), наклеенная на миллиметровый стальной лист. При простоте и технологичности это совсем не автомобильный метод, так как жёсткие демпферы более-менее эффективно работают только при массе, равной 30-40% от массы демпфируемой панели. Это на тепловозах хорошо применять, на судах…

Но существует двухслойный вариант жёсткого демпфера, где требования к массе снижаются до 10-15%, что становится уже очень интересным. Дело в том, что жёсткие демпферы вообще и двухслойные в частности имеют очень хорошую частотную характеристику при оптимальной добротности.

Реализация принципа жёсткого двухслойного демпфера не так проста и универсальных готовых решений промышленность нам не предлагает. Однако это один из немногих методов в рамках процедуры вибродемпфирования, способный противостоять низкочастотному шуму, проникающему извне или распространяющемуся по структуре кузова. Практическое его повторение при массовой установке аудиосистем вряд ли целесообразно, однако когда речь идёт об эксклюзивных работах (особенно на дизельных автомобилях) его вполне можно взять на вооружение. Относительная трудоёмкость будет компенсирована значительным эффектом.

Выглядит это следующим образом: вибропоглощающий слой наносится не непосредственно на металл, а на некий промежуточный материал с высокой жёсткостью и малой плотностью. Это приводит к увеличению момента инерции вибропоглощающего слоя, его продольные деформации так же увеличиваются в сравнении с покрытием этим же ВДП «голого» металла, значит, возрастают потери. Важно, чтобы в промежуточном слое не возникало сдвиговых деформаций, «развязывающих» панель и демпфер. Потери в ВДП определяются его толщиной, массой и толщиной промежуточного слоя. Последняя оказывает определяющее влияние и на низкочастотность поглощающей конструкции. В первом приближении толщина промежуточного слоя видится сопоставимой с маслом в каше – звукоизоляцию ею не испортишь; чем больше, тем лучше. Но на деле всё оказывается не совсем так или даже совсем не так. Существуют некие предельные толщины для каждого из типов применяемых материалов, выход за рамки которых не имеет никакого практического смысла. Более того: произвольное увеличение промежуточного слоя неизбежно приведёт к деформациям сдвига и лавинообразному снижению эффективности конструкции.

Как бы то ни было, о предельных величинах мы можем рассуждать лишь теоретически. В реальных автомобилях всё очень регламентировано, случается, что и 1,5-2 см являются неразрешимой проблемой. Тогда следует исходить из возможности: сколько дано места, столько и заполнять.

В качестве промежуточного слоя проще всего использовать вспененный полистирол, называемый в народе «пенопласт». (Это верно, но лишь отчасти: пенопластом можно называть любую вспененную пластмассу, тот же пенополиэтилен. Но последний применять в жёстких демпферах нельзя, по той простой причине, что жёстким такой демпфер не будет, да и демпфером он тоже не будет.) Пенополистирол достаточно прост в обработке, из него можно довольно аккуратно вырезать панели, повторяющие даже сложный рельеф. Клеить «пенопласт» можно спеем для карпета или, допустим, неагрессивным резиновым клеем. А вот попытка автора воспользоваться нитроклеем («Моментом») привела к частичному разъеданию материала…

Поверх «пенопласта» наплавляется любой битумный материал. Причём именно наплавляется: разогрев феном следует проводить до сжигания клеевого слоя и пузырения битума. Только так с крупнопористым и хрупким пенополистиролом можно обеспечить хорошую адгезию. Отличным вариантом будет нанесение упомянутого V-Blok VB-1 в 2-3 слоя с промежуточным 12-часовым и окончательным суточным высыханиями. Или же, согласно концепции «жёсткого демпфера», приклеивание 2-5 мм слоя плотного полимера, того же ПВХ или любой другой пластмассы.

Применение описанного покрытия целесообразно в наиболее нагруженных низкочастотным шумом местах – моторном щите под приборной панелью и ногами (причём можно монтировать и со стороны моторного отсека), полу. А так же крыше – там обычно удаётся «выкроить» 2-4 см, а собственные резонансы панелей крыши ещё как низкочастотны! В общем, всё определяется не желанием, а возможностью, наличием свободного места. Потому и не даётся рекомендаций по оптимальной толщине – в современном автомобиле их всё равно не получится реализовать.

Интересный вариант предложил в частном разговоре с автором инженер-акустик ивановской фирмы Стандартпласт Дмитрий Щёголев: обычный упаковочный гофрокартон, намазанный с одной стороны слоем битумной мастики. Сам гофрокартон, конечно, не совсем отвечает заданным параметрам жёсткости, но соотношение её с массой вибропоглощающего слоя таково, что конструкция будет работать! Эта рекомендация предназначена тем, кто хочет быстро и задаром.

Отметим, что данный метод борьбы с НЧ-вибрациями широко применяется на специализированной технике – комбайнах, тракторах, передвижных компрессорных установках, морских и речных судах, железнодорожном транспорте и т.д. Он дёшев и технологичен при производстве. При этом основным ограничением, как уже было сказано, являются габариты. И если габаритная проблема не стоит слишком остро, то жёсткий демпфер стоит попробовать и в автомобиле.

Нравится(2)Не нравится(0)

Нет комментариев  



Войти на сайт через форму или через аккаунт социальных сетей
Для того, чтобы оставить комментарий, вы можете заполнить форму добавления комментариев ниже, либо использовать свой аккаунт в популярных социальных сетях. Авторизовываясь на сайте, вы избавляете себя от необходимости при каждом новом комментарии вводить е-мейл для получения уведомлений об ответах на ваши комментарии. А целенаправленная регистрация поможет вам оставаться "узнаваемым" при каждом последующем входе.