Comfort acustico : come la tecnologia permette l’esecuzione “efficiente” di misure acustiche speciali

Author(s):
G. Orefice - Fiat Group Automobiles
A. Pozzi - WINTEK

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems, Automotive

Products:
Sound and Vibration Toolkit, Data Acquisition

The Challenge:
L’analisi della rumorosità di componenti interni al veicolo, quali ad esempio parti di cruscotto o arrotolatori di cinture di sicurezza, richiede processi di misura ed elaborazione dei segnali a volte complessi e parallelamente di personale specializzato, che non deve perdere tempo con operazioni di analisi dei dati lunghe e ripetitive (per potersi dedicare a fasi più delicate di sperimentazione e diagnosi).

The Solution:
L’utilizzo della tecnologia di National Instruments ha permesso di progettare e realizzare un sistema di misura particolarmente “eclettico”, in quanto oltre alle tradizionali funzioni di acquisizione e misura di fenomeni vibroacustici, include da un lato capacità di controllo della catena di eccitazione (shaker) e dall’altro possibilità di estrazione automatica di specifici parametri di analisi psicoacustica.

Breve riassunto
La possibilità di integrare in un unico strumento sia gli elementi di controllo del banco prova, che gli elementi di acquisizione, riascolto e analisi complesse dei segnali, che gli strumenti di reportistica, stoccaggio e scambio di dati, consente da un lato una notevole affidabilità della misura, dall’altro un grande miglioramento dell’efficienza dei test.

Articolo
La ricerca del comfort acustico in vettura dipende anche dal controllo della rumorosità di componenti accessori, quali ad esempio parti di cruscotto e interni abitacolo, la cui caratterizzazione richiede processi di misura a volte complessi. I test di questi componenti sono di vari tipi, riguardano il rumore durante il funzionamento del componente stesso elettro-meccanico, o meccanico (motorini, attuatori vari, serrature, sportelli…), o il rumore che il componente emette a seguito di vibrazioni imposte dal veicolo. Per questo secondo tipo di fenomeno, è necessaria un’eccitazione controllata del componente che riproduca a banco quella del veicolo, oppure un’eccitazione standard definita nelle procedure di prova.
A titolo di esempio applicativo è interessante illustrare il caso di un sistema di misura ed analisi dedicato alla caratterizzazione degli “scricchiolii” di componenti interni all’abitacolo.

Le procedure di test e verifica adottate dal produttore di autoveicoli per questo tipo di fenomeno si possono effettuare in due modi: direttamente su veicolo, “in situ”, oppure sul componente isolato, montato su un banco di prova apposito. Su tale banco si riproducono gli stress vibrazionali cui sono sottoposti i singoli componenti durante il normale funzionamento della vettura su vari percorsi e contestualmente viene misurata e analizzata la rumorosità (battiti e scricchiolii) emessa dal componente.
La procedura di test prevede diversi tipi di eccitazione controllata: per isolare ed evidenziare i singoli fenomeni acustici, in una fase di analisi soggettiva, si usano dei segnali standard tipo “swept sine” o “stepped sine” su un campo di frequenze critico per i componenti difettosi (con controllo in spostamento/velocità e accelerazione, a seconda del campo di frequenze) oppure solo in accelerazione, se il sistema di eccitazione (shaker elettrodinamico) lo permette; per quantificare l’emissione acustica del componente nel suo insieme, si usa inoltre un segnale di tipo random con una Power Spectral Density di accelerazione imposta, tale da ricreare quella misurata su un veicolo di riferimento su diversi tipi di fondo stradale.
Si rilevano contemporaneamente il rumore in vicinanza del componente e le vibrazioni del componente al punto di fissaggio.
La misura dell’accelerazione in diverse direzioni documenta lo svolgimento corretto della prova, specie in corrispondenza di un forte rumore, garantendo che il livello di accelerazione effettivo sul componente di prova non sia andato oltre quello previsto e che il sistema di controllo sia riuscito a compensare le risonanze interne del banco (se presenti) e dell’oggetto con la sua staffa di fissaggio.
L’analisi del segnale microfonico si effettua invece filtrandolo nei campi di frequenza più critici e traducendone gli aspetti sgradevoli tramite appositi indici, che richiedono diverse elaborazioni, con strumenti di calcolo statistico e parametri psicoacustici.
La possibilità di riascoltare il segnale registrato permette dei controlli “di buon senso” sul risultato finale.
Le procedure di test sopra descritte richiedono pertanto l’uso di banchi di collaudo che abbiano tre caratteristiche fondamentali:

1. Il sistema deve permettere di controllare l’eccitazione del componente sotto test, compensando le risonanze dell’insieme {shaker + staffa + componente}, ma lasciando invariati i battiti interni al componente. Il controllore deve pertanto elaborare un segnale di retroazione proveniente da un accelerometro installato sul componente sotto test e generare in tempo reale un adeguato segnale di stimolo per l’amplificatore di potenza connesso allo shaker (che deve avere la potenza e la rapidità di risposta adeguate ai componenti analizzati);
2. Il sistema di misura deve contestualmente poter acquisire e registrare i segnali dagli accelerometri, da uno o più microfoni opportunamente installati in camera anecoica, ed effettuare delle analisi acustiche di tipo standard (overall, spettri in bande fini e terzi di ottava…) e non (filtraggi, individuazione di picchi, finestrature glissanti, inviluppi…), “on line” e in postprocessing;
3. Il sistema deve infine permettere di effettuare riascolti e di elaborare risultati di sintesi, con uno o più indici di qualità che possano permettere la classificazione delle performance del prodotto analizzato e integrare commenti in report standardizzati.

Da quanto sopra descritto, appare chiaro come la gestione di un tale processo di misura non sia particolarmente complessa se sono affrontati i singoli aspetti in modo distinto. Utilizzando quindi strumentazione di tipo tradizionale è necessario avere la disponibilità di un sistema di sollecitazione a vibrazioni completo di shaker e controllore, di un sistema di misura per analisi vibroacustica di tipo general purpose, di una serie di software di elaborazione delle misure effettuate per l’estrapolazione degli indici di qualità, di un software di riascolto e di un software per la reportistica.
Oltre agli aspetti legati agli investimenti necessari per la strumentazione è altresì innegabile che l’esecuzione di questi test richieda la presenza di personale altamente qualificato in grado di controllare che le varie fasi del processo siano correttamente eseguite e di effetuare diagnosi sui componenti in prova, senza dover perdere tempo in analisi standard ripetitive.

Grazie all’uso della tecnologia di acquisizione e misura di National Instruments, è stato realizzato un sistema che include tutte le caratteristiche precedentemente descritte.
Infatti, è stato adottato un sistema di acquisizione basato su schede della famiglia NI DSA specificamente progettate per l’analisi di segnali dinamici ad alte prestazioni (convertitori a 24 bit delta-sigma, campionamento simultaneo, filtri antialiasing, 50 kHz di banda passante utile, oltre 110 dB di dinamica, alimentazione integrata dei trasduttori di tipo Iepe) ed un sistema di generazione di segnali di stimolo basato su schede della famiglia NI-670x (convertitori a 16 bit e fino a 1MS/s di frequenza di campionamento). In particolare la versatilità dei sistemi ha permesso di poter sincronizzare con hardware (tramite l’interfaccia RTSI) le schede di acquisizione e generazione, così da poter garantire in real-time la retroazione per la generazione dei segnali per il controllo dello shaker. Contestualmente, l’uso di un personal computer di ultima generazione, grazie alle grande potenza di calcolo disponibile, ha permesso di realizzare un’applicazione software che sia in grado di integrare in un unico strumento il controller, il sistema di acquisizione e l’elaborazione dei parametri di qualità e dei reports: tutto ciò in real-time ed automaticamente controllato.
Infine, la possibilità di utilizzare il sistema di misura come “registratore di segnali” anche durante l’esecuzione della prova permette di effettuare post-analisi semplicemente modificando alcuni parametri di calcolo (filtraggio, limiti, banda passante…), ma anche di importare ed esportare i segnali in formati standard (Uff58, Sdf…) per ulteriori analisi con sistemi commerciali di tipo general-purpose, o per post-elaborare segnali acustici simili, acquisiti in altri contesti e con altri strumenti (per esempio da fornitori).

Conclusioni
È stato realizzato uno strumento eclettico e dalle ottime prestazioni, con molteplici contenuti, tale da garantire sia affidabilità che efficienza nell’esecuzione di un processo di misura complesso. Infatti la semplicità d’uso del sistema è diretta conseguenza del fatto che il software applicativo è stato progettato a “specifica cliente” e messo a punto in loco. La possibilità di integrare in un unico strumento sia gli elementi di controllo del banco prova, che gli elementi di acquisizione, riascolto e analisi complesse dei segnali, che gli strumenti di reportistica, stoccaggio e scambio di dati, consente da un lato una notevole affidabilità della misura, dall’altro un grande miglioramento dell’efficienza dei test.

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G. Orefice
Fiat Group Automobiles
giovanni.orefice@fiat.com

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