Analisi della radiazione strutturale per l’ottimizzazione dell’emissione acustica di un depressore elettrico
Emanuela Ligarò, Riccardo Maccherini, Raffaele Squarcini Pierburg, Calcolo & Simulazione, R&D
L’adozione di criteri atti a migliorare il comportamento vibro-acustico dei prodotti, ha assunto negli ultimi anni una sempre più crescente importanza. In campo automotive, tale attenzione è certamente evidente. La capacità di predire le risonanze strutturali che avranno più influenza sullo spettro acustico risultante di una sorgente, diventa fondamentale. Nel presente articolo, viene proposto uno studio di predizione delle risonanze strutturali più influenti per il caso di un depressore elettrico. Come primo passo, è stata eseguita un’analisi modale, tale calcolo fornisce la lista delle frequenze naturali insieme ai rispettivi modi di vibrazione della struttura. Successivamente, è stata svolta un’analisi dell’emissione sonora generata dalla pompa, in conseguenza dell’applicazione di forze unitarie virtuali su un set di punti scelti sulla struttura. L’analisi della radiazione strutturale così svolta, fornisce un’indicazione di quali saranno le frequenze critiche nell’emissione acustica della pompa, quindi un suggerimento progettuale su dove agire per ridurne il rumore. L’attività di simulazione è stata affiancata da un’attività sperimentale come supporto di validazione dei risultati ottenuti con il calcolo.
Recentemente è diventato sempre più importante assicurare una buona emissione acustica di un prodotto. La corsa allo sviluppo e al miglioramento in termini di prestazioni e affidabilità, è stata ultimamente affiancata dal bisogno di rendere il prodotto il più silenzioso possibile. Specialmente nel campo automotive, l’acustica è diventata un reale requisito durante il processo di sviluppo: nel caso in cui un prodotto non soddisfi le richieste acustiche stabilite dal cliente, il business salta completamente.
Pierburg sta sviluppando le competenze necessarie a trattare l’emissione acustica dei propri prodotti, in particolare ha adottato strumenti per la caratterizzazione dell’emissione sonora tramite attività sia sperimentali che di simulazione.
Una delle fasi importanti dell’emissione acustica riguarda l’amplificazione che una struttura è in grado di fornire ad una generica eccitazione. È noto che ogni struttura ha frequenze naturali proprie relative ai modi di oscillazione ai quali la struttura tende naturalmente a vibrare. Un’analisi modale è lo studio appropriato che si esegue qualora si voglia ottenere la lista delle frequenze naturali insieme alle corrispondenti forme modali della struttura. Quello che un’analisi modale non è in grado di dire è se tra tutte le frequenze naturali, ce ne siano alcune che risultano più importanti delle altre nell’emissione acustica.
Tale aspetto può rivelarsi fondamentale nel processo di sviluppo di un prodotto, risulta infatti strategicamente interessante conoscere quali sono le frequenze critiche alle quali l’emissione sarà enfatizzata in termini di puro contributo strutturale. Nel presente articolo, viene mostrata la metodologia dell’analisi della radiazione strutturale per un test-case semplice. L’attività di simulazione è stata validata tramite attività sperimentale.
Test-case
Il caso in esame è quello di una copertura isolante da posizionare su un depressore elettrico con lo scopo di ridurne l’emissione acustica. Siamo interessati a trovare la migliore scelta di design per la copertura isolante in modo da minimizzare il suo contributo di radiazione strutturale.
Sono stati valutati un buon numero di design differenti, ad ogni modo nel presente articolo mostreremo solo il paragone tra il design baseline e un design proposto.
L’attività di simulazione avrà come scopo quello di predire la migliore scelta per il design della copertura isolante.
Le immagini a fianco mostrano i design considerati, il baseline (Design A) e quello proposto (Design B), il quale presenta una modifica sulla parte superiore della copertura.
Metodologia
Il calcolo della pura radiazione strutturale richiede come primo passo l’analisi modale della copertura isolante. Tale studio restituisce le liste delle frequenze naturali e dei corrispondenti modi di oscillazione della copertura isolante per i due design considerati.
Il secondo passo richiede lo svolgimento di un modal hammer test virtuale. Su entrambe le mesh strutturali vengono scelti i punti che avranno la funzione di punti di impatto su cui applicare forze virtuali di 1 N lungo i tre assi.
La radiazione derivante dalla vibrazione del componente è calcolata e restituita come potenza sonora in [W]/[N]. Tale risultato è dato nel dominio della frequenza e fornisce un’indicazione di quali saranno, tra le frequenze naturali calcolate dall’analisi modale, quelle alle quali l’emissione acustica risultante potrebbe essere problematica.
L’immagine sotto mostra uno schema semplice del flusso di lavoro seguito. L’analisi modale virtuale è stata validata tramite un’analisi modale sperimentale. Una volta validato il modello, l’attività successiva di valutazione della potenza sonora in unità [W]/[N] è stata svolta totalmente in ambiente virtuale. Infine, una verifica sperimentale della predizione virtuale è ottenuta tramite una misura acustica dell’emissione del componente.
Calcolo
L’analisi modale virtuale è stata svolta considerando un materiale omogeneo, lineare ed elastico a temperature ambiente. Sono stati considerati i modi fino al sesto, in condizione free-free. Nella figura sottostante, sono riportate le forme modali che si ottengono.
La lista dei corrispondenti valori delle frequenze naturali è riportata nella seguente tabella per entrambi i design studiati:
Test
Un’analisi modale sperimentale è stata condotta sui due design in condizioni free-free, con lo scopo di validare i risultati ottenuti con il calcolo. Come mostrato in figura, l’accelerometro è stato collocato in due posizioni differenti, una assiale e l’altra radiale.
Nei grafici seguenti, sono mostrati i risultati sperimentali ottenuti per ciascun design. A sinistra sono plottate le risposte ottenute per l’accelerometro posizionato assialmente, mentre a destra quelle per la posizione radiale.
Validazione
L’accordo tra calcolo e sperimentazione è buono, quindi il modello utilizzato può essere considerato validato. I risultati dello studio di validazione sono mostrati nelle tabelle seguenti:
Solo per il caso del modo di polmonamento si può notare una leggera differenza tra calcolo e sperimentazione, per entrambi i design. Questo aspetto può essere facilmente spiegato dalla presenza dell’accelerometro il cui peso ha influito sull’acquisizione.
Analisi della radiazione strutturale
L’analisi della radiazione strutturale è stata svolta fino ai 12kHz con passo di 10Hz. Per svolgere il calcolo, sono necessarie le seguenti mesh:
- mesh strutturale dal modello FEM;
- mesh acustica, ottenuta a partire dalla mesh strutturale resa più grossolana;
- mesh ISO field point per ottenere il valore della potenza sonora in accordo alla ISO 374X.
È stato scelto un set di punti di impatto sui quali martellare con forze virtuali di 1N. Sono stati usati gli stessi punti di impatto per i due design in studio.
Il risultato del calcolo dell’analisi della radiazione strutturale è mostrato nel grafico seguente:
Il valore di ampiezza più alto per la radiazione strutturale è quello del Design A ad alta frequenza. Una buona deve tenere in considerazione tale aspetto. L’analisi della radiazione strutturale svolta indica il Design B come migliorativo rispetto al Design A.
Verifica acustica
Un semplice test acustico è stato eseguito per verificare la validità dei risultati ottenuti con il calcolo. Nell’immagine seguente è possibile osservare il set up utilizzato.
Con una misura di pressione sonora eseguita a 50cm dalla sorgente sonora, è stata rilevata una riduzione di circa 5dB dell’emissione del Design B rispetto al Design A. Tale risultato conferma la predizione ottenuta tramite l’attività di calcolo.
Conclusioni
È stata presentata una metodologia per lo studio della pura radiazione strutturale proveniente da una sorgente sonora. L’analisi della radiazione strutturale richiede il calcolo dell’analisi modale ed un test, sempre virtuale, in cui la sorgente viene eccitata da forze impulsive unitarie. Il risultato del’analisi è espresso in termini di radiazione acustica originata dalla vibrazione della sorgente sonora in unità [W]/[N], è dato nel dominio della frequenza e fornisce un’indicazione di quelle che saranno le frequenze critiche tra la lista delle frequenze naturali ottenute dall’analisi modale.
Questo studio può dimostrarsi uno strumento utile durante la fase di sviluppo di un componente, fornendo semplici indicazioni nel caso in cui ci sia la necessità di prendere una decisione tra diverse soluzioni di design. La radiazione strutturale è solo una parte dell’emissione acustica totale, pertanto nel caso in cui l’analisi non sottolinei differenze sostanziali tra vari design, non è esclusa la necessità di fare una valutazione di altri parametri, tra cui quello della qualità sonora.
Bibliografia
[1] Frendo F., Novi N., Squarcini R., Dynamic and kinematic evaluation of automotive variable displacement vane pumps for reliability characterization, SAE paper 09PFL-1221, 2009
[2] Bianchi G.M., Brusiani F., Costa M., Gasperini M., Squarcini R., Analysis of Air/Cavitation Interaction Inside a Rotary Vane Pump for Application on Heavy Duty Engine, SAE paper 2009-01-1943
[3] Mario Triches Junior, Julio Apolinario Cordioli, Samir N.Y. Gerges, Pulice A., Analysis of Moan and Whine Noise Generated by Hydraulic Pumps of Power Steering Systems, SAE paper 2003-01-3581
[4] Eishin Noguchi, Kiyokazu Nagata, Evaluation Method for the Noise of Hydraulic Power-Steeing System, Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress