NVH è l’acronimo di Noise Vibration Harshness, la cui traduzione letterale è: “ruvidezza” di rumore e vibrazioni. Vista la sua natura, spesso soggettiva, in cui valgono sia gli aspetti fisiologici che psicologici dell’ascolto, la disciplina che studia questa percezione umana viene definita psicoacustica. La misurazione dell’NVH sul macchinario in funzionamento richiede l’utilizzo di strumenti particolari che simulano la sensibilità dell’orecchio umano per valutarne la dimensione.

E’ la stessa evoluzione dei macchinari di trasmissione o generazione di potenza a richiedere, oggi, una conoscenza approfondita degli effetti delle vibrazioni e del rumore sul fisico umano. Negli anni sono stati fatti molti sforzi per ridurre queste tipologie di emissioni e spesso la soluzione è stata quella di confinare questi macchinari tramite opportuni cofani usati per l’abbattimento della rumorosità. Questa soluzione tuttavia è limitata al solo isolamento del motore tralasciando il riduttore di velocità e gli altri organi della trasmissione che si sono trovati a loro volta al centro delle varie attività di abbattimento dell’energia vibratoria emessa o trasmessa.

In questo articolo scopriamo come le nuove tecnologie digitali possono supportare l'analisi NVH e quindi lo sviluppo di trasmissioni meccaniche.

Gli effetti delle emissioni di rumore ed emissione di vibrazioni

Le emissioni di rumore partono dalle vibrazioni generate da un qualsiasi sistema meccanico che possono essere:

• Trasmesse via struttura (structure borne)
• Trasmesse via aria (air borne)

Entrambe sono in grado di generare rumore (anche a distanza dalla prima sorgente) quindi per ridurre il fastidio legato alla rumorosità o alle vibrazioni connesse, è necessario contenere la loro produzione.

In passato l’attenzione del progettista di macchinari era dedicata principalmente a garantire la resistenza degli organi di trasmissione meccanica. Solo i produttori delle autovetture di fascia alta dedicavano risorse allo studio e all’eliminazione del fastidio generato da vibrazioni indotte dagli organi in movimento nella trasmissione.

Le conoscenze relative alla “resistenza” del corpo umano si sono approfondite nel tempo ed è emersa la sua tendenza ad adattarsi o cercare di neutralizzare le sollecitazioni esterne abituali. Così si sono riscontrate riduzioni della sensibilità uditiva in determinate bande acustiche in esseri esposti abitualmente a rumorosità con emissione sonora monotonale o limitata in frequenza come ad esempio: addetti alle sale turbina nelle centrali elettriche che manifestano ipoacusia nella banda spettrale attorno ai 50 Hz oppure gli addetti ai martelli pneumatici che manifestano la Sindrome da Vibrazioni Mano-Braccio.

Oltre ai possibili danni al corpo umano, oggi è necessario fare attenzione anche alle molte normative in tema di sicurezza che limitano il valore della rumorosità percepibile consentita in ambienti confinati come ad esempio reparti produttivi aziendali o le cabine delle navi.

La simulazione a supporto dell'analisi NVH

In modo particolare gli sforzi maggiori vengono compiuti dall’industria automobilistica per ridurre la rumorosità nell’abitacolo delle vetture. Questo è l’ambito in cui i software di simulazione vengono più ampiamente utilizzati per ottenere:

• Simulazione fluidodinamica per l’analisi aerodinamica quindi l’eliminazione dei fruscii del vento.
• Simulazione della rumorosità trasmessa attraverso le strutture della vettura come telai o sospensioni.
• Simulazione della rumorosità prodotta dai motori endotermici durante le fasi di scoppio, dagli ingranaggi durante la trasmissione di potenza ma anche dai motori elettrici nel loro funzionamento (ad esempio le frequenze di chopper).

Anche la tecnologia dei materiali ha fatto balzi da gigante arrivando a produrre materiali fonoassorbenti, capaci di limitare la rumorosità emessa da una superficie radiante a parità di potenza prodotta.

Oggi esistono software in grado di simulare l’andamento dell’errore di trasmissione tra ingranaggi (indicato con TE; questa grandezza misura lo scostamento dello spostamento dell’ingranaggio condotto rispetto a quello teorico dovuto al rapporto cinematico di trasmissione) durante i loro funzionamento. Questa, nonostante possa misurare pochi micrometri di ampiezza generale è la responsabile della maggioranza della potenza sonora trasmessa o emessa da una trasmissione meccanica.

L’errore di trasmissione può essere calcolato e imposto come eccitante del sistema completo costituito da ingranaggi, cuscinetti, alberi, carcassa. Ciascuno di questi componenti partecipa tramite la sua impedenza meccanica alla trasmissione o generazione del rumore.

I software più avanzati riescono ad integrare il modello della trasmissione meccanica all’interno del sistema completo di trasmissione o anche con il telaio completo dell’autovettura di cui si vogliono valutare le caratteristiche ai fini dell’analisi NVH.

Poter effettuare la simulazione e l’analisi sull’intero sistema vibrante offre enormi vantaggi in termini di risparmio di costi e tempi ma soprattutto in termini di qualità del risultato perché permette di correggere tempestivamente eventuali problemi sui punti critici per attenuare le emissioni di potenza vibrazionale e sonora. Nel caso non si possano eliminare definitivamente le emissioni, è possibile modificare lo spettro in emissione per riuscire a coinvolgere toni di frequenze o relative bande meno fastidiose per l’orecchio umano.

Oggi la produzione è sempre più esigente e regolata da normative molto stringenti per la salvaguardia del corpo umano. La riduzione del rumore e delle vibrazioni è particolarmente importante in determinati ambiti industriali, come quello automotive, in cui possono offrire un notevole valore aggiunto.

L’utilizzo di un software di previsione dell’NVH in una trasmissione diventa sempre più importante poiché il focus attuale converge nella direzione della riduzione del rumore e delle vibrazioni. L’utilizzo di un software dedicato unicamente a questa tipologia di analisi tuttavia potrebbe risultare limitativo perché verrebbe impiegato solo nelle fasi finali dello sviluppo di prodotto. Questa è la fase in cui tutte le scelte più importanti e gli investimenti sono già stati effettuati o sono in corso di completamento, eventuali modifiche sarebbero estremamente costose.

Lo sfruttamento di una soluzione di predizione NVH capace di integrare il sistema completo permette di svolgere analisi NVH approfondite già nella fase preliminare di studio della fattibilità. La possibilità di effettuare scelte o modifiche direttamente  mentre vengono sviluppate le geometrie degli organi emettitori di vibrazioni permette di controllarle in modo efficace. Il risultato è l'eliminazione di tutti gli sprechi, in costi per materiali e macchinari, legati agli errori di impostazione del prodotto.