SINIRLI BOYUTLARDAKİ YARI-YANKISIZ BİR ODADA ARAÇ GEÇİŞ GÜRÜLTÜSÜNÜN STANDARTLARA UYGUN ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ

Transkript

1 SINIRLI BOYUTLARDAKİ YARI-YANKISIZ BİR ODADA ARAÇ GEÇİŞ GÜRÜLTÜSÜNÜN STANDARTLARA UYGUN ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ Ersen Arslan 1, Mehmet Çalışkan 1, Aytekin Özkan 2, Can Bilir 2, Tarık Küçük 2 1 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara 2 TOFAŞ Türk Otomobil Fabrikası A.Ş, Bursa ÖZET Bu çalışmada, araç geçiş gürültüsü ölçümünün, şasi dinamometresine sahip, yarı-yankısız akustik bir oda içinde yapılabilmesine imkan veren yöntemler incelenmiştir. ISO 362 standardı dikkate alınmış ve araç geçiş gürültüsünün dış mekanda ölçümüyle ilgili yerine getirilmesi gereken koşulların, akustik oda içinde nasıl sağlanabileceği hakkında bilgiler verilmiştir. Ölçümün doğru olması ve kullanılacak yöntemin pratik olması açısından, akustik odanın belli boyutlara sahip olması önerilmektedir. Oda boyutlarının küçük olması durumunda ise, ölçümün yapılabilmesi için dört farklı yöntemin nasıl uygulanabileceğinin yanında, yöntemlerle ilgili sınırlamalardan ve üstünlüklerden söz edilmiştir. Bu yöntemler sırasıyla; araçtaki gürültü kaynaklarının tek bir kaynak olarak düşünülmesi, Küresel Hankel Denklemleri kullanılarak ses basıncı düzeyi değerlerinin tahmin edilmesi, yakın alan akustik holografisi kullanılarak ses basıncı düzeyi değerlerinin kestirilmesi ve araçtaki temel gürültü kaynaklarının katkılarının bulunarak toplam ses basıncı düzeylerinin tahmin edilmesi başlıkları altında incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Araç geçiş gürültüsü, yarı-yankısız oda METHODS OF VEHICLE PASS-BY NOISE MEASUREMENT UP TO STANDARDS IN A FINITE DIMENSIONED, SEMI-ANECHOIC ROOM ABSTRACT In this study, methods which make it possible to measure vehicle pass-by noise in a semi-anechoic room with a chassis dynanometer, are investigated. ISO 362 is taken into consideration and brief information about how to fullfill the requirements addressed for vehicle pass-by noise outdoor measurements in an acoustical room is given. In order to get accurate results and to use a practical method, an acoustical room with large dimensiones is suggested. Information about how to adopt four methods to vehicle pass-by noise measurement, as well as their limitations and advantages,are given in the case of finite dimensioned room. These methods are investigated under these headings respectively; treating sound sources on a vehicle as a monopole, prediction of sound pressure using Spherical Hankel Functons, prediction of sound pressure using Nearfield Acoustic Holography (NAH) and prediction of sound pressure using the contributions of each principal noise source of a vehicle. Keywords: Vehicle pass-by noise, semi-anechoic room 1. GİRİŞ Özellikle son yıllarda gelişen teknolojiye paralel olarak, taşıtlardan yayılan gürültünün azaltılmasıyla ilgili yapılan uygulamalar daha fazla önem kazanmıştır. Bu uygulamalardan biri de, araç geçiş gürültüsünün uluslararası standardlar (ISO 362, SAE J1470) ve çeşitli direktifler (70/157/EEC, 2007/34/EC) ile kontrol altına alınmasıdır. Araç geçiş gürültüsünün ölçümüyle ilgili prosedürler, çeşitli araç katagorilerine ayrılmış gürültü sınır değerleriyle birlikte bu standardlar ve direktiflerde açıklanmaktadır. Bu bildiride, araç geçiş gürültüsünün şaşi dinamometreli, yarı-yankısız bir akustik oda içinde,

2 standardlara uygun bir şekilde yapılabilmesi için kullanılabilecek yöntemler incelenmiştir ve önerilen yöntemler nedenleriyle birlikte belirtilmiştir. Çalışmada yararlanılan kaynaklar ve yayınlar Kaynaklar bölümünde verilmiştir [1-13]. Araçlarla ilgili diğer gürültü problemlerine benzer olarak araç geçiş gürültüsü, çeşitli standardlar ve direktiflerle denetlenmesinin yanısıra, çevresel gürültü problemleriyle ilgili olmasından ötürü, otomobil üreticilerinin yakından ilgilenmeleri gereken bir konudur. Bir aracın standardlarda belirtilen gürültü limit değerlerine uygun olup olmadığının kontrolü ancak aracın çıkardığı gürültünün ölçülmesi ile sağlanmaktadır. Ölçüm ile ilgili prosedür ise ISO 362 ve SAE J1470 standardları ile tarif edilmektedir. Bu bildiride referans olarak ISO 362 standardı göz önüne alınmıştır. Standard, ölçümle ilgili olarak çeşitli gereksinimleri belirtmektedir: Ölçüm yapılacak yolun merkezinden 50 m yarıçap mesafesi içinde akustik açıdan yansıtıcı bir engelin olmaması, asfalt yol uzunluğunun ve yüzey pürüzlülüğünün belirli değerlerde olması, araç pozisyonunun ve hızının kontol altında olması, hava ve yol şartlarının uygun olması, bu gereksinimlerden öne çıkanlardır[1]. Araç geçiş gürültüsünün kapalı bir oda içinde yapılabilmesi için, dışarıda yapılan ölçümlerdeki şartların sağlanması gereklidir. Akustik açıdan belirli bir alan içinde yansıtıcının olmaması şartı, odanın yarı-yankısızlık özelliği ile sağlanmaktadır. Araç, şasi dinamometresi üzerinde çalıştırılarak, ivmelendirme profili dışarda yapılan ölçümlerdekilere benzer şekilde sağlanabilmektedir. Aracın oda içinde sabit bir konumda olmasından ötürü dış ölçümde oluşan aerodinamik gürültü özelliği oda içinde sağlanamamaktadır. Ancak, aracın standardlarda belirtildiği gibi km/sa hızlar arasında hareket ettiği göz önüne alındığında, bunun oldukça küçük bir katkısı olduğu anlaşılmaktadır. Aracın ön yada arka lastik (şasi dinamometresi tarafından hareket ettirilmeyen) sesi mevcut olmayacaktır. Araç geçiş gürültüsüyle ilgili yapılan çalışmalarda, en büyük etkinin motor bloğundan geldiğini, lastik ve yol temasından kaynaklı gürültünün etkisinin de dikkate değer olduğu görülmektedir[2-7]. Şekil 2. Şasi dinamometreli yarı-yankısız akustik oda Şekil 1. Test Alanı Boyutları[1] Hızla gelişen teknolojiyle beraber veri toplama cihazlarının yetkinliklerinin artması ve mikrofon sistemlerinin gelişmesi, birçok otomobil üreticisinin bu konuda da beklentilerinin artmasına neden olmuştur. Araç geçiş gürültüsü ölçümünün şasi dinamometreye sahip yarı-yankısız akustik bir oda içinde yapılmasının bir çok açıdan avantajlı olduğu düşünülmektedir. Araç geçiş gürültüsüyle ilgili yeterlilik testlerinin dışarıda yapılması zorunluluğu olmasına rağmen, oda içinde yapılan ölçümler; ölçümlerin hava şartlarından bağımsız olarak istenilen herhangi bir zamanda yapılabilmesi, araç hızı ve pozisyon kontrollerinin mükemmele yakın olması, çevresel olguların en az seviyede kontrol altında tutulması ve ileriye dönük olarak diagnostik ölçümlerinin dışarıya oranla daha detaylı ve pratik şekilde yapılabilmesi gibi bir çok yönden üstünlüğe sahiptir. Bu bildiride, araç geçiş gürültüsünün yarı-yankısız akustik oda içinde yapılabilmesini sağlayan yöntemler ve bu yöntemlerin uygulanabilirlikleri ele alınmıştır. Yöntemler beş katagoride incelenmiş ve son kısımda gerekli karşılaştırmalar ve irdelemeler yapılmış ve öne çıkan yöntemlerle ilgili öneriler sunulmuştur. 2. YÖNTEMLER Yöntemler, yarı-yankısız odanın büyüklüğüne bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Eğer oda standartlarda belirtilen boyutlara uygunsa, araç geçiş gürültüsünün oda içinde ölçümü oldukça kolaylaşmaktadır. Fakat, oda boyutları yeterli büyüklükte değilse, çeşitli varsayımlara başvurularak, araç geçiş gürültüsünün ölçümü için tahmin yöntemlerine başvurulmuştur.

3 2.1 ODA BOYUTLARININ STANDARDLARDA BELİRTİLEN BOYUTLARA UYGUN OLMASI ISO 362 ye göre, araç 20 m uzunluğundaki bir test yolunu kat edene kadar ölçüm kaydı yapılmaktadır. Kayıt için kullanılan iki mikrofon ise, test yolunun orta noktasının sağından ve solundan 7,5 m uzaklıkta konumlandırılmaktadır. Bu verilerden yola çıkılarak, odanın minimum 20 m + araç boyu uzunluğunda ve 15 m eninde olmalıdır. Oda boyutları yeterli ise, standarlardaki gibi aracın iki sabit mikrofonu geçmesi yerine, oda içinde araca paralel olarak mikrofonlar araç merkezinden 7,5 m uzaklığa konumlandırılır. Araç şasi dinamometresi üzerinde gerekli şekilde hızlandırılır ve mikrofonlardan sırayla, araç pozisyonuna göre basınç değerleri alınır. Ölçümün bu şekilde yapılması oldukça pratiktir ve standarda göre yapılan dış ölçüm değerlerine en yakın değerleri vermektedir. Şekil 3. Oda içinde araç geçiş gürültüsü ölçümü[8] 2.2 ARAÇTAKİ GÜRÜLTÜ KAYNAKLARININ TEK BİR KAYNAK OLARAK DÜŞÜNÜLMESİ Araçtan yayılan gürültünün tek bir kaynaktan çıktığını düşünülürse, ses yayılımının yönden bağımsız olarak kaynakla olan mesafeye göre değişim göstermesi gerekir. Bu düşünceden yola çıkıldığı takdirde, herhangi bir noktada yapılmış olan ölçüm kullanılarak, aynı doğrultuda başka bir noktadaki basıncı değeri bulunabilir. Temel olarak, küresel koordinatlar için yazılmış dalga denklemi esas alınır.(bkz. Denklem (1)) Şekil 4 teki gibi bir mikrofon sistemi kullanılır ve 7,5m mesafedeki basınç değerleri 1/r yayılım terimiyle çarpılarak basit bir şekilde bulunabilir.fakat, araçtaki temel ses kaynağının bir tane olmadığı; gürültünün motor bloğu, tekerlekler, egzoz çıkışı gibi çok sayıda kaynaktan geldiği bilinmektedir[6,7]. Bu nedenle, yapılan bu varsayımın kurumsal olarak gerçekçi olmadığı açıktır. Araçtaki temel gürültü kaynaklarının araç geçiş gürültüsüne olan katkılarının ne ağırlıkta oldukları incelendiğinde, genel olarak motor bloğu ve hava emme sisteminin en baskın olduğunu söyleyebiliriz[6]. (1) Şekil 4. Aracın tek bir gürültü kaynağından oluştuğu varsayımı[4] Mevcut araç geçiş gürültüsü oda içi ölçüm yazılımlarının birçoğu, aracı akustik olarak motor bloğu konumunda, tek bir ses kaynağı olarak modellemektedir[5,8]. Bu yaklaşımla elde edilen sonuçlar her araç için tutarlı olmamasına rağmen, bu yöntem oldukça pratik bir yöntem olması nedeniyle kabul görmektedir. 2.3 KÜRESEL HANKEL DENKLEMLERİ KULLANILARAK SES BASINCI DEĞERİNİN TAHMİN EDİLMESİ Eğer ortam, boş hacim (yankısız) olarak düşünülürse, ses dalgalarını küresel kordinatlarda öz vektörlerine ayrıştırılabilir. Bu noktada, Küresel Hankel Denklemleri nden faydalanılarak istenilen noktadaki basınç değeri tahmin edilebilir. Ses yayılımı aşağıdaki gibi ifade edilebilir[4]. Burada, küresel harmonikleri simgelerken, 1. dereceden m. sıradaki Küresel Hankel Denklemini ve Hankel fonksiyonunun katsayısını belirtmektedir. Uygulamada sınırlı sayıda mikrofonlar kullanılarak bulunabilr ve aynı doğrultudaki herhangi bir noktadaki basınç değeri yukarıdaki denklem çözülerek bulunabilir[4]. Şekil 5 te görüldüğü gibi, mikrofonlar araca göre açıları sabit, aynı doğru üzerinde bulunmaktadır. Fakat, bu yöntemin uygulanabilmesi için ölçümlerin araca oldukça yakın mesafede yapılması gereklidir. Bunun nedeni, uzak mesafede yapılan ölçümlerle bulunan katsayıları, araç üzerindeki temel gürültü kaynaklarının tekilleşmesinden ötürü kendi aralarında farklılaşamaz ve sonuç olarak, o noktada tahmin edilen basınç değeri tamamen yanlış olabilir. Uygulanabilirlik açısından da metodun pratik olmadığı açıktır. (2)

4 gerekli koşul, tüm ölçümlerin birbirleriyle tutarlı olmasıdır. Bu amaçla, aracın temel ses kaynağı olarak düşünülen motor kısmına referans mikrofon konulmalıdır. Holografik ölçüm yapıldıktan sonra, elde edilen basınç değerleri sabit bir frekans için Fourier dönüşümü kullanılarak uzamsal boyutlara ayrıştırılır. (3) Şekil 5. Küresel Hankel Denklemini kullanabilmek için gerekli olan mikrofon sistemi [4] 2.4 YAKIN-ALAN AKUSTİK HOLOGRAFİSİ (NAH) KULLANARAK SES BASINCI DEĞERLERİNİN TAHMİN EDİLMESİ Ses dalgalarının küresel olarak yayıldığı gerçeğine dayanan bu teknikte, düzlem üzerinde ölçülen ses basıncı değerleri, Fourier dönüşümleri kullanılarak düzlemsel ses dalgalarına ayrıştırılır. Sonrasında, uygun bir yayılım katsayısı kullanılarak ölçüm yapılan düzleme paralel olan herhangi bir düzlem için gerekli çarpım işlemi yapılır ve son olarak, ters Fourier dönüşümleri uygulanıp istenilen basınç değerleri bulunur[10-13]. Genel olarak bu teknik, araç geçiş gürültüsü ölçümü için uyarlandığında, iki aşamadan oluşur. İlk olarak, Şekil 6 daki gibi iki boyutlu düzlemsel bir mikrofon sistemi oluşturulmalıdır. Şekil 7. Hologramın oluşturulması[4] Denklem (3) teki dönüşüm uygulandıktan sonra, basınç bileşeninin z-yönündeki uzamsal frekansı, aşağıdaki denklemden çekilebilir. (4) Şekil 6. Ölçüm için hologramın oluşturulması[13] Metodun doğru sonuçlar verebilmesi için, hologram oluşturulurken bazı noktalara dikkat edilmesi gerekir. Hologram en azından tüm aracı kapsamalıdır ve ses dalgalarının daha iyi ayrıştırılabilmesi amacıyla, ölçüm araca yakın mesafeden (0,3 m - 0,5 m) yapılmalıdır. Yapılacak olan analizin frekans aralığı, mikrofonlar arasındaki mesafeye bağlıdır. Genel olarak, araç geçiş gürültüsü ölçümü için uygun görülen mikrofon aralığı 0,1 m olmalıdır. Mikrofon aralığı arttıkça işlenebilecek frekans çözünürlüğü artmaktadır ; fakat, metodun uygulanabilirliği zorlaşmaktadır[12]. Mikrofon aralığı 0,1 m olan bir hologram ile standard uzunlukta ve yükseklikte bir araç üstünde bu metodu uygulamak için, yaklaşık 15x50 mikrofona sahip bir sistem gereklidir. Hologram, 15x1 lik bir mikrofon sisteminin, tüm aracı kapsayacak şekilde kaydırılmasıyla da oluşturulabilir. Bunun için Denklem (4) ten görüldüğü üzere gerçel yada sanal bir değere sahip olabilir. Bu, şu anlama gelmektedir; gerçek ise ses dalgalarının genlikleri yayıldıkça değişmez fakat fazları değişir, sanal ise ses dalgalarının genlikleri yayıldıkça katlanarak azalır. Bu gerçeklere dayanarak, Green fonksiyonu, yayılım çarpanı olarak kullanılır.( Bkz Denklem (5)) Hologram düzlemine paralel, ve mikrofon düzleminden uzaklıkta bir düzlemdeki basınç bileşenleri, aşağıdaki denklem kullanılarak kolay bir şekilde bulunabilir. Son olarak, ters Fourier dönüşümü kullanılarak uzamsal boyutlardan tekrar gerçel boyutlara geçiş sağlanır. Teorik olarak, en doğru sonuçları bu metodun vermesi beklenmektedir. Ayrıca NAH kullanılarak, ters yönde (kaynağa doğru) analiz yapıldığı durumda, araç için gürültü haritası elde edilmiş olur. Bu sayede, araçtan (5) (6)

5 yayılan gürültüye aracın hangi kısımlarının ne kadar katkısı olduğu görülebilir[13]. Bu yöntem, araç gürültüsüyle ilgili yapılabilecek diyagnostik incelemeler yönünden birçok üstünlüğe sahip olmasının yanı sıra, araç geçiş gürültüsünün oda içinde ölçülmesi için de uygun bir yöntemdir. Fakat, oldukça masraflı olması ve fazla zaman alması gibi dezavantajlara sahiptir. 2.5 ARAÇTAKİ TEMEL GÜRÜLTÜ KAYNAKLARININ ETKİLERİNİN BULUNARAK, SES BASINCI DEĞERLERİNİN TAHMİN EDİLMESİ Araç geçiş gürültüsü, araç üzerindeki birbirinden bağımsız gürültü kaynaklarından ( motor, egzoz sistemi ve tekerlekler) yayılan sesin toplamı olarak düşünülebilir. Bu yöntemin uygulanabilmesi için, diğer gürültü kaynakları susturulduğunda ya da etkileri en düşük düzeyde tutulduğunda, tek kaynaktan yakın mesafeden ölçümler yapılır. Gürültü kaynaklarını birbirinin etkisinden çıkarmak için, diğer gürültü kaynakları çevresini ses yutucular ile kaplama ve benzeri çeşitli deneysel ayrıştırma yöntemlerine başvurulabilir[6,7]. Bu durumda, sesin tek bir kaynaktan yayılım özellikleri ve denklemlerinden faydalanılarak, uzak mesafedeki (araç geçiş gürültüsü ölçümündeki kayıt mikrofonlarına olan mesafe) ses basıncı tahmin edilebilir. Her bir gürültü kaynağı için, araç geçiş gürültüsüne olan katkıları hesaplanıp, toplanır ve araç geçiş gürültüsü ölçümü için bir benzetim elde edilir. Üstteki formülde; GK, gürültü kaynaklarının araç geçiş gürültüsüne olan katkısıdır. L x, herhangi temel gürültü kaynağının birisinden gelen ve L T, bütün kaynaklardan gelen db ölçeğindeki toplam ses düzeyleridir[6]. Şekil 8. Temel gürültü kaynaklarının (motor,egzoz ve lastik) araç geçiş gürültüsüne olan katkıları[6] (7) Araç geçiş gürültüsü ölçümünün oda içinde yapılabilmesini sağlayan bu metod, dışarıda yapılan ölçümlere oldukça yakın sonuçlar vermektedir. Fakat, araçtaki temel gürültü kaynaklarının birbirinden ayrıştırma işlemi oldukça zaman alıcı ve masraflı olmaktadır. 3. SONUÇLAR Bu makalede, araç geçiş gürültüsünün yarı-yankısız akustik bir oda içinde yapılabilmesine olanak sağlayan yöntemler incelenmiştir. Oda boyutlarının yeterli boyutlara sahip olması durumunda, yani odanın minimum 20m + araç boyu uzunluğunda ve 15 m genişliğinde olması durumunda, en doğru sonuçlar veren pratik bir yöntem kullanılabileceği görülmüştür. Bu nedenle, araç geçiş gürültüsünün yeterli büyüklükte bir oda içinde yapılması önerilmektedir. Oda gerekli büyüklükte değil ise, araca yakın mesafelerden yapılan ölçümlerden ve ses yayılım denklemlerinden faydalanarak, daha uzak noktalardaki ses basınç değerlerinin tahmin edilmesi söz konusu olmaktadır. Bununla ilgili olarak, dört farklı yöntem incelenmiş, yöntemlerin kısıtlamaları ve üstünlükleri hakkında bilgiler verilmiştir. Bu yöntemler arasından, diyognostik incelemelere imkan vermesinin yanında, uygulanabilirlik ve doğruluk açısından, Yakın Alan Akustik Holografisi- NAH metodu öne çıkmaktadır.ancak, yöntemin uygulanmasının oldukça yüksek maliyetli bir yatırım gerektirdiği de aşikârdır. 4. KAYNAKLAR [1] ISO 362, Acoustics- Measurement of noise emitted by accelerating highway vehicles-engineering Method. [2] H. Kook, G.B Moebs, P. Davies and J.S Bolton, An Efficient Procedure For Visualizing The Sound Field Radiated By Vehicles During Standardized Passby Tests J. Sound Vib. 233(1), , 2000 [3] S.H. Park and Y.H. Kim, Visualization of pass-by noise by means of moving frame acoustic holography, J. Acoust. Soc. Am. Vol.110, No.5, pp , Dovember [4] S.H. Park and Y.H. Kim, Methods of Pass-by Noise Prediction in a Semi-anechoic Chamber, SAE Noise & Vibration Conference & Exposition, Traverse city, Michigan, USA,paper No , [5] LMS Online Documentations. [6] B. Kim, S. Yoo, H. Kim and K. Zwanzig, Prediction of Vehicle Pass-By Noise Using Indoor Measurements, SAE Noise & Vibration Conference & Exposition, Traverse city, Michigan, USA,paper No , [7] M. Lu and M. Jen. Noise source ranking of an allterrain vehicle to meet pass-by target, Proceedings of Inter Noise 2009,(Ottowa, Canada, 2009). [8] Brüel & Kjaer Online Documentations.

6 [9] A. R. Fleszar, P. J. G. Van der Linden, J. R. Johnson and M. J. Grimmer, Combining Vehicle and Testbed Diognosis Information to Guide Vehicle Development for Pass-By Noise SAE Noise & Vibration Conference & Exposition, Traverse city, Michigan, USA,paper No , [10] J. D. Maynard, E. G. Williams, and Y. Lee, Near field acoustic holography: I. Theory of generalized holography and development of NAH, J. Acoust. Soc. Am. 78, pp (1985). [11] W. A. Veronesi, J. D. Maynard, Nearfield Acoustic Holography (NAH): II. Holographic Reconstruction Algorithms and Computer Implementation", J. Acoust. Soc. Am. 81 (5), pp (1987). [12] E. G. Williams, Fourier Acoustics: Sound Radiation and Nearfield Acoustic Holography, Academic Press, Cambridge. [13] Yang-Hann Kim, Springer Handbook of Acoustics (New York, 2007),Part H, pp