Sviluppo di una metodologia numerica per la riduzione del rumore nella cavità acustica in veicoli ad alte prestazioni

In recent years, the description and reduction of noise in the passenger compartment have become an increasingly central aspect in the automotive field, especially for the spread of vehicles equipped with electric power units. The description of this dynamic phenomenon requires the identification of the source of the noise and its propagation paths to the receiver, which is usually the ears of the driver and the occupants of the vehicle. Generally, noise propagates either via air, or through the vibration of the vehicle's structural subsystems, which represent the transfer function between source and receiver. All the components that determine the modal behaviour of the system must be included in the simulation model to obtain the acoustic characteristics of the vehicle. Therefore, the study of these phenomena takes place experimentally and through simulation models on a Trimmed-Body (TB). The acoustic cavity may be defined as the air volume within the passenger compartment, in TB configuration of the vehicle. Finite Element analyses consent to reconstruct the trend of the noise transfer functions (NTF) through fluid-structure frequency response analysis. From these analyses, it might also be evaluated the participation factors of the vibrating components with relative modes to the noise at the ear inside the cavity. The results allow the appropriate measures to be devised to solve any noise problem. Thus, in the development of a new vehicle, the noise performance is only evaluated at the final stages of the project, in which many components are already established and no longer adjustable. If noise levels do not meet the desired targets, restricted modifications to the project can be adopted to solve the issues. Furthermore, the identification of the causes of the noise could be a costly process due to the great complexity of the system. This thesis aims to define a CAE methodology that aims to predict problems related to in-borne noise since the earliest stages of development of a new vehicle, i.e., in the definition phase of the so-called Body-in-White (BIW) layout. The proposed study is based on the analysis of the radiated power (ERP) of vibrating components as a tool to discriminate the components likely to cause most of the noise in the passenger compartment. The link between the vibration of structural components and the perturbation of the pressure field of the fluid that wets these components offers the possibility of freeing oneself from the modelling of the acoustic cavity, and approaching the problem in terms of radiated power, therefore simulating approximate transfer functions directly on Body-in-White models. Once the problematic components are identified, numerical optimization techniques are proposed to meet the performance targets, reducing the number of calculations required by conventional methods (e.g. trial and errors loops). The main tool in these analyses is Finite Element Simulation. This methodology offers the possibility of developing a Trimmed-Body model with an improved level of acoustic comfort by reducing the development time of a new vehicle.

La descrizione e l’abbattimento del rumore entro l’abitacolo di un veicolo rappresenta un aspetto rilevante della delibera dello stesso, tale esigenza è stata enfatizzata di recente a seguito della diffusione di veicoli dotati di power-unit elettriche. La descrizione del rumore richiede la conoscenza della sua sorgente e delle sue modalità di propagazione dalla sorgente sino al ricevente, ovvero sino all’apparato uditivo degli occupanti il veicolo. La propagazione del rumore, in genere, avviene: o per vibrazione dei sottosistemi strutturali del veicolo, che rappresentano la funzione di trasferimento tra sorgente e ricevente, o tramite via aerea. Per conoscere in modo attendibile le caratteristiche acustiche di un veicolo è necessario che siano presenti tutti i componenti caratterizzanti, vale a dire tutti i componenti che determinano il comportamento modale del sistema. Lo studio del rumore avviene sia sperimentalmente, sia attraverso modelli di simulazione CAE applicati ad un veicolo in allestimento Trimmed-Body (TB). Il TB definisce la cavità acustica come il volume d’aria racchiuso all’interno dell’abitacolo in cui si investigano i fenomeni di rumore. Si discretizza la cavità acustica mediante Elementi Finiti solidi e attraverso l’impostazione di analisi multi-fisiche fluido-struttura di risposta in frequenza si ricostruisce l’andamento delle funzioni di trasferimento del rumore (NTF). Da tali analisi è inoltre possibile valutare la partecipazione dei principali componenti vibranti e i relativi modi propri di vibrare percepiti dall’orecchio umano entro la cavità. Si possono quindi dedurre ed implementare opportuni accorgimenti o per la risoluzione di eventuali problemi, o di miglioramento del progetto ove ampi margini di sicurezza siano evidenziati. Durante lo sviluppo di un nuovo veicolo, quindi, le prestazioni acustiche sono note solamente ad uno stadio piuttosto avanzato del progetto, in cui molti componenti del telaio sono di fatto già stati deliberati, e quindi non più modificabili. Qualora, durante campagne sperimentali preliminari, si riscontrino livelli di rumore al di sopra dei target prestabiliti, il margine di modifica progettuale lasciato alla risoluzione di tali problemi risulta quindi esiguo. Inoltre, per la grande complessità del sistema in analisi non risulta immediata l’identificazione delle cause di rumore e quindi talvolta viene investigato mediante l’approccio metodologico di tipo trial-and-error. Questo lavoro di tesi, invece, si pone l’obiettivo di definire una metodologia CAE che riesca a prevedere l’insorgenza di rumore indesiderato e trasmesso per via strutturale sin dalle prime fasi di definizione di un nuovo veicolo, vale a dire in fase di concept del Body-in-White (BiW). Lo studio considera la potenza irradiata (ERP) da componenti che vengono posti in vibrazione come strumento per discriminare i componenti che possono essere maggiore causa di rumore in abitacolo. Il legame tra la vibrazione di componenti strutturali e la perturbazione del campo di pressione del fluido che bagna tali componenti, offre la possibilità di svincolarsi dalla necessità di simulare la cavità acustica e ragionare quindi in termini di ERP e ricavare le funzioni di trasferimento approssimate direttamente da modelli vettura in configurazione BiW. Grazie alla tempestiva identificazione dei componenti problematici, sono proposte tecniche di ottimizzazione numerica volte al conseguimento dei target prestazionali nell’ottica di una diminuzione del tempo richiesto per lo svolgimento dei calcoli se comparata al metodo trial-and-error convenzionalmente applicato. Questa metodologia offre la possibilità di sviluppare un modello TB con un migliorato livello di comfort acustico diminuendo il tempo di sviluppo di un nuovo veicolo.