Hiljaiset veneet (HILVE) tutkimusprojekti: - saavutettuja tuloksia

Transkriptio

1 Hiljaiset veneet (HILVE) tutkimusprojekti: - saavutettuja tuloksia VTT ja Kuopion yliopisto Hannu Nykänen (VTT) Venetekniikkapäivä

2 Hijaiset veneet (HILVE) Hiljaiset veneet (HILVE) tutkimusprojekti kuului Tekesin Vene teknologiaohjelmaan Projektin tavoitteena oli kehittää Suomessa valmistettavien veneiden ohjaamoäänen hallintaa: Alentamalla veneiden ohjaamoon syntyvän melun tasoa Tekemällä ohjaamon ääniympäristö vähemmän häiritseväksi ja miellyttävämmäksi ottamalla huomioon ohjaamoäänen laatuun liittyvät tekijät ohjaamon suunnittelussa Kohteina olivat suljettavalla ohjaamolla varustetut, 6-14 metriä pitkät, sisäperämoottorilliset veneet Projektin osallistujat olivat: Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT, projektin koordinaattori) Kuopion yliopisto (UKU) Bella-Veneet Oy Oy Botnia Marin Ab Tristan Boats Oy Volvo Finland Ab (Volvo Penta Europe, Office Finland) 2

3 Hiljaiset veneet - HILVE Projektin kesto: Projektin koko (kustannusarvio): Projektin yksityiskohtaiset tavoitteet: Selvittää melun pääasialliset synty- ja siirtotiemekanismit projektissa mukana olevien veistämöiden esimerkiksi valitsemissa referenssiveneissä: moottori - runko vuorovaikutus (ilma- ja runkoääni) vesi - runko vuorovaikutus (ilma- ja runkoääni) aerodynaaminen heräte ohjaamorakenteissa (ilmaääni) Selvittää veneiden ohjaamomelun luonne: melun taso ohjaamossa, häiritsevät piirteet melussa, äänekkyys, muut äänen laatuun vaikuttavat tekijät, puheen ymmärrettävyys ohjaamossa Selvittää melun luonteeseen pääasiallisesti vaikuttavat tekijät: herätteiden ja siirtoteiden vaikutus ohjaamomelun tasoon ja laadullisiin ominaisuuksiin Määrittää nopeasti toteutettavat toimenpiteet ohjaamomelun tason alentamiseksi ja melun häiritsevien piirteiden vähentämiseksi Määrittää veneenrakennuksessa yleisten materiaali- ja rakenneratkaisujen vaikutuksia ohjaamomeluun sekä hahmotella pidemmän tähtäimen keinoja veneiden ohjaamoäänen hallintaan 3

4 Ohjaamomelun synty moottoriveneessä Siirtotiet: 1. ilmaääni 2. runkoääni Melu ohjaamossa: 1. äänen säteily tilan pinnoista 2. äänikenttä tilassa Lähteet: 1. Moottori ja perävetolaite melu värähtely 2. vesi/runko vuorovaikutus 3. aerodynaaminen ääni suoraan ohjaamorakenteista 4

5 Projektin rakenne: Referenssiveneiden valinta Design review veneiden piirteitä melun synnyn ja siirtymisen kannalta (materiaalit, rakenneratkaisut) Venemittaukset, mallinnus melutasot ohjaamossa moottoritilassa värähtelytasot (moottori, runko, ym.) melu ja värähtelytallennukset Mittaus- ja mallinnusanalyysit melun taso ja taajuusjakaumat melun lähteet ja siirtotiet moottori-perävetolaite, vesi-runko ilma- tai runkoääni => välittömät toimenpiteet Äänen laadun analyysi äänekkyystaso häiritsevät piirteet melussa karheus, terävyys, vaihteluvoimakkuus, ym. => välittömät toimenpiteet Välittömien toimenpiteiden toteuttaminen (veistämöt) Verifiointimittaukset => suunnitelmat pidemmän tähtäimen toimenpiteiksi 5

6 Ääni- ja värähtelymittaukset referenssiveneissä Peräpeilin / kilven värähtely - 1 x 3D jäykässä pisteessä - 1D reunasta "joustavasta" levystä Anturipaikat Ohjaamo, tuulilasi, kattoja lattiapaneeli mikrofoni 3 D kiihtyvyysanturi 1 D kiihtyvyysanturi Moottorin eristys -Eristimen ylä- ja alapuolilta -Lohko - 3 x 3D Heräte Vaste Veden kohtauspiste normiajossa - 3D jäykässä pisteessä - 2 x 1D reunoilta joustavista levyistä 6

7 HILVE-projektin tulokset VTT teki täydelliset perusmittaukset neljälle referenssivenetyypille ja verifiointimittaukset kahdelle eri venetyypille, joista toisesta tehtiin useita modifikaatioita ja useita verifiointimittauksia Kuopion yliopisto laati yhden esimerkkiveneen ohjaamomallin ja simuloi mallilla ohjaamon akustisia ominaisuuksia Kolme projektin sisäistä workshop-tilaisuutta tulosten esittelyyn ja pohdintaan (VTT, Tampere ja ; Bella-Veneet Oy, Kuopio ) Yrityskohtaiset workshop-tilaisuudet yrityskohtaisten asioiden esittelyyn ja pohdintaan: Tristan Boats Oy, Varkaus Bella-Veneet Oy, Kuopio Oy Botnia Marin Ab, Maalahti Yrityskohtaiset raportit kullekin veneveistämölle yrityksen osuudesta Julkinen raportti: Hiljaiset veneet yhteenveto ja johtopäätökset, VTT Tiedotteita 2516 (saatavissa sekä paperiversiona että verkkoversiona) 7

8 HILVE referenssiveneiden melutasot Veneiden ohjaamomelun tasot vaihtelivat melko paljon venetyypin ja ajotilanteen mukaan, esim. ajo tyynessä matkanopeudella (25-30 solmua): db(a) Tunnus Ajonopeus Aallon korkeus Melutaso, L pa matkustaja kuljettaja vasen kuljettaja oikea takakansi kn m db db db db K1 - ref 25,0 83,6 84,2 84,9 85,7 32,5 84,5 85,2 84,7 85,5 25,0 0,15 0,5 83,9 85,9 86,5 87,1 K2 - ref 23,0 80,6 81,0 82,7 91,7 30,0 81,0 80,5 81,1 94,0 R1 - ref 24,0 0,15 0,5 76,6 79,0 81,2 30,0 0,15 0,5 79,0 81,4 81,7 R2 - ref 30,0 74,3 73,2 74,1 85,7 36,0 80,0 78,5 80,0 89,1 R3 - ref 30,0 73,4 72,3 74,0 86,8 38,0 76,4 75,3 76,9 90,2 30,0 0,15 0,5 75,9 74,3 75,5 38,0 0,15 0,5 76,1 76,4 77,5 8

9 HILVE - Esimerkki äänenlaadun ja puheen ymmärrettävyyden analyysistä Äänen laatua kuvaava suure Merkki Matkustaja Ajotilanne Kuljettaja vasen Takakansi Kuljettaja oikea Yksikkö A-painotettu äänenpainetaso K1 - ref K2 - ref R2 - ref mna mna mna db db db Äänekkyys (loudness) K1 - ref K2 - ref R2 - ref mna mna mna sone sone sone Äänen häiritsevyys (unbiased annoyance) K1 - ref K2 - ref R2 - ref mna mna mna au au au Artikulaatioindeksi, (articulation index, NVH) K1 - ref K2 - ref R2 - ref mna mna mna % % % 9

10 HILVE melun herätteet referenssiveneissä Yhteenveto veneiden meluominaisuuksista ja herätteistä: pieni- ja keskitaajuisen melun erillistaajuiset ja kapeakaistaiset komponentit vaikuttavat eniten A-painotettuun melutasoon kaikissa venetyypeissä erillistaajuiset ja kapeakaistaiset komponentit ovat kaikissa venetyypeissä peräisin moottori-perävetolaite kokonaisuudesta suurempitaajuinen melu (korkeat äänet) syntyvät pääasiassa aaltoiskujen vaikutuksesta, mutta vaikuttavat vähemmän ohjaamon A-painotettuun kokonaismelutasoon aallokossa ajo (vesi-runko vuorovaikutus) kohottaa suurtaajuisen melun osuutta kaikissa venetyypeissä, kevyimmissä venetyypeissä jo matalassa aallokossa ajo, raskaimmissa venetyypeissä olennaisesti vasta korkeassa aallokossa ajo 10

11 Esimerkki mittaustuloksista aallokon vaikutus meluun: A-painotettu kapeakaistainen spektri erään veneen ohjaamossa [ID=10] Average G2 26:S - Time for 26 - kuski o tyyni matka-ajo vihreä [ID=7] Average G2 26:S - Time for 26 - kuljettaja oikea keskiaalto matka-ajo punainen [ID=16] Average G2 26:S - Time for 26 - kuljettaja oikea korkea aalto matka-ajo sininen db Aaltoiskujen vaikutus näkyy voimakkaampana suuremmilla taajuuksilla (kohinatyyppinen melu suurilla taajuuksilla) A* 85.1 A* 86.6 A* Moottori-perävetolaite pääasiallisena herätteenä pienillä ja keskitaajuuksilla synnyttäen voimakkaita spektripiikkejä Ohjaamoäänen taajuus (Hz) Lin* A* 11

12 HILVE moottori-perävetolaitteen herätekokonaisuudet Moottori-perävetolaite (yllä) ja perävetolaite (oikealla), Moottorin ja perävetolaitteen komponenttien (mm. vaihteet ja potkurit) merkitys ohjaamomeluun voidaan analysoida kehitetyllä herätekokonaisuusanalyysilla. 12

13 HILVE herätekokonaisuuksien merkityksistä referenssiveneissä 85,0 K2 - ref -vene - herätekokonaisuuksien vaikutus ohjaamomeluun, matkanopeus- ja täysnopeusajo tyynessä 80,0 R3 - ref -vene - herätekokonaisuuksien vaikutus ohjaamomeluun, matkanopeus- ja täysnopeusajo tyynessä LpA (db) 80,0 Matka-ajo tyynessä, matkustaja LpA (db) 75,0 Matka-ajo tyynessä, matkustaja 75,0 Matka-ajo tyynessä, kuljettaja vasen 70,0 Matka-ajo tyynessä, kuljettaja vasen 70,0 Matka-ajo tyynessä, kuljettaja oikea 65,0 Matka-ajo tyynessä, kuljettaja oikea 65,0 60,0 Täysnopeusajo tyynessä, matkustaja Täysnopeusajo tyynessä, kuljettaja vasen 60,0 Täysnopeusajo tyynessä, matkustaja Täysnopeusajo tyynessä, kuljettaja vasen 55,0 Täysnopeusajo tyynessä, kuljettaja oikea 55,0 Täysnopeusajo tyynessä, kuljettaja oikea 50,0 Moottori Vaihteet Potkuriakseli + potkurit Herätekokonaisuudet Muut herätteet Kokonaistasot 50,0 Moottori Vaihteet Potkuriakseli + potkurit Herätekokonaisuudet Muut herätteet Kokonaistasot K2-ref-veneen herätekokonaisuusanalyysi. Eri herätekokonaisuuksien vaikutus kokonaistasoon matkustustiloissa ajettaessa matkanopeudella (23 solmua) ja täydellä nopeudella (30 solmua) tyynessä. R3-ref-veneen herätekokonaisuusanalyysi. Eri herätekokonaisuuksien vaikutus kokonaistasoon matkustustiloissa ajettaessa matkanopeudella (30 solmua) ja täydellä nopeudella (38 solmua) tyynessä. 13

14 Runkoääni: HILVE - Runkoääni - ilmaääni Värähtely siirtyy värähtelevästä herätteestä (esim. moottori) toiseen värähtelevään rakenteeseen värähtelynä (runkoäänenä). Värähtely voi edetä pitkiäkin matkoja säteillen värähtelyn ilmaääneksi sopivan rakenteen kautta (esim. resonoiva vähän vaimennettu levypinta "lopullisena" äänen säteilyn lähteenä veneen keulatilassa). Ilmaääni: Pinnan värähtely (esim. moottorin pinta) synnyttää suoraan ilmaääntä ympäröivään tilaan. Tämä voi edetä joko primäärinä ilmaäänenä tai sekundäärisenä ilmaäänenä (herättämällä välittävän rakenteen värähtelyn) vastaanottavan tilan meluksi. HILVE-hankkeen nopeissa toimenpiteissä keskityttiin ilmaäänen vaimentamiseen ja eristämiseen moottoritilaan. 14

15 HILVE - Ilmaääniherätteiseen meluun vaikuttaminen Primäärin ilmaäänen eristäminen moottoritilan ja ohjaamon välillä edellyttää ensimmäisenä toimenpiteenä moottoritilan ja ohjaamon väliseinän ilmaääntä välittävien aukkojen tukkimista ja/tai tiivistämistä: ohjaus- ja säätökaapeleiden läpivientien tiivistäminen polttoaineletkujen yms. letkujen läpivientien tiivistäminen moottorin imuilmanottoaukkojen läpivientien meluloukutus (yleensä veneen ulkolaidalle johdetut aukot) 15

16 HILVE - Ilmanottoaukkojen vaimentaminen Esimerkki ilmanottokanavan absorboinnin ja suuntauksen vaikutuksesta takakannen meluun (Smullin, J., Trouble shooting noisy boats. IBEX 99, Fort Lauderdale. Soundown Corp.) 16

17 HILVE Moottoritilan ja ohjaamon väliseinän ääneneristävyys Suomalaisissa veneissä käytetty yleisesti äänen absorption ja äänen eristyksen yhdistelmämateriaalia, joka tekee seinästä kaksoisseinärakenteen => haasteena kaksoisseinäresonanssi ja rakenteen optimointi, koska veneissä kaksoisseinäresonanssi osuu moottori-perävetolaiteyhdistelmän herätetaajuuksille f 0 K m1 m m m d m 1 ja m 2 ovat seinien pintaalamassat, kg/m 2 d on seinien väli, m K on 60 ilman abs. materiaalia ja jos välissä absorptiomateriaalia 17

18 HILVE - Esimerkki ääneneristysmateriaalin (kaksoisseinärakenteen) käytön haasteesta Moottoritilan ja ohjaamon välisen seinäpaneelin ilmaääneneristys (kaksoisseinäresonanssin taajuus balsa-paneelilla ja kerrosmateriaaliratkaisuilla): Ääneneristys-/absorptiomateriaali A1: f 0 = 43 x [( )/(12.6 x 5.0 x 0.02)] 1/2 = 161 Hz Ääneneristys-/absorptiomateriaali B1: f 0 = 43 x [( )/(12.6 x 7.5 x 0.006)] 1/2 = 256 Hz 18

19 HILVE - Tutkitun lasikuitu balsa - lasikuitu paneelin ilmaääneneristävyys erilaisia äänenvaimennus- ja/tai ääneneristysmateriaaleja käytettäessä ( kerroskakut edustavat kaksoisseinärakennetta) Lasikuitu-balsa-lasikuitupaneelin läpäisyvaimennus Läpäisyvaimennus (TL, db) balsa + kerroskakku balsa + kerroskakku + 20mm PUR balsa balsa + 30mm PUR balsa + 20mm PUR balsa + raskasmatto balsa + 20 mm PUR + kerroskakku Taajuus (Hz) 19

20 HILVE Moottorin kotelointi moottoritilassa Moottorin kotelointi (osittainen tai kokonaiskotelo) helpottaa absorptio- ja ääneneristysvaatimuksia => haasteena kotelon avattavuus huoltotoimenpiteitä varten sekä moottorin jäähdytys erityisesti käynnissä olon jälkeen (edellyttää lisäpuhallinta, joka toimii myös moottorin pysäyttämisen jälkeen) K1 - modifikaatio 4, moottorin osakotelointi ja moottoritilan kansiluukkujen lisäeristys. R1 modifikaatio 1, moottoritilan kotelointi moottoritilassa. Kuvassa ei näy koteloon kuuluvaa kantta. 20

21 HILVE esimerkkejä toimenpiteiden vaikutuksista melutasoihin Tunnus Ajonopeus Aallon korkeus Melutaso, L pa matkustaja kuljettaja vasen kuljettaja oikea takakansi kn m db db db db K1 - ref 25,0 83,6 84,2 84,9 85,7 K1 - mod1 25,0 80,6 81,6 82,5 K1 mod4 25,0 0,15 0,5 80,3 80,7 81,5 K2 - ref 23,0 80,6 81,0 82,7 91,7 30,0 81,0 80,5 81,1 94,0 R1 - ref 24,0 0,15 0,5 76,6 79,0 81,2 R1 - mod1 24,0 0,15 0,5 73,0 72,4 74,5 R2 - ref 30,0 74,3 73,2 74,1 85,7 36,0 80,0 78,5 80,0 89,1 R3 - ref 30,0 73,4 72,3 74,0 86,8 38,0 76,4 75,3 76,9 90,2 30,0 0,15 0,5 75,9 74,3 75,5 38,0 0,15 0,5 76,1 76,4 77,5 21

22 HILVE Tiivistetyt toimenpide-ehdotukset veneiden meluntorjuntaan - Ilmaääni Moottorin kotelointi (täydellinen tai osakotelo): vähintään 12 mm vanerista tehty akustinen (osa)kotelo avattavalla kannella + 20 mm absorbentti kotelon seinien sisäpuolelle + absorboitu imuilman ottokanava + pakotettu jäähdytys jäähdytyspuhaltimella. Läpivientien tiivistys: kaikki moottoritilan ja matkustustilojen väliset putki- ja kaapeliläpiviennit on tiivistettävä erittäin huolellisesti. Moottoritilan absorptiomateriaalien riittävyyden varmistaminen: vähintään mm paksu absorptiomateriaali moottoritilan kaikkiin mahdollisiin pintoihin. Ääneneristys ja absorptiomateriaaliratkaisujen mallinnus ja optimointi: erityisesti ratkaisujen materiaalitekninen kokonaisvaikutus: hinta, paino, valmistustekniikka, ääneneristyskyky, äänen absorptiokyky, värähtelyjen vaimennuskyky (edellyttää yksityiskohtaista jatkopohdintaa kunkin venetyypin erityispiirteiden tunnistamiseksi). Optimoitujen hybridimateriaalien kehittäminen ilmaääneneristys- ja ilmaäänen absorptioratkaisuihin: monikerrosmateriaalit, resonaattorimateriaalit, mikrorei itetyt materiaalit yms. (edellyttää jatkotutkimushanketta). 22

23 HILVE Tiivistetyt toimenpide-ehdotukset veneiden meluntorjuntaan - Runkoääni Ruiskutettavan värähtelynvaimennusmateriaalin (esim. Noxudol) lisääminen: peräpeilin ja runkomoduulin isojen levypintojen käsittely (erityisesti aaltoiskujen vaikutusalueiden käsittely). Runko- ja sisämoduulin ja/tai runko- ja kansimoduulin välisten kiinnitysten optimointi: kiinnitysten muuttaminen joustaviksi ja runkoäänen siirtymistä eristäviksi (edellyttää yksityiskohtaista jatkopohdintaa kunkin venetyypin erityispiirteiden tunnistamiseksi). Selvitys nousulistojen vaikutuksesta aaltoiskujen synnyttämään runko- ja sisämoduulin värähtelyyn/äänensäteilyyn, nousulistojen modifiointi ja/tai runkomoduulin jäykisteiden akustinen katkaisu: edellyttää yksityiskohtaista jatkopohdintaa kunkin venetyypin erityispiirteiden tunnistamiseksi. Mahdolliset vaihtoehtoiset ratkaisut hyvää vaimennusta vaativissa rakenteissa: raskasmattomateriaalin laminointi lujitemuovielementtien pintaan ja/tai lasikuitu muovinen hunajakennoydin lasikuitu-paneelityypin käyttäminen sisä- ja kansimoduuleiden paneelirakenteina (edellyttää yksityiskohtaista jatkopohdintaa kunkin venetyypin erityispiirteiden tunnistamiseksi). Moottorin ja perävetolaitteen eristäminen peräpeilistä: joustavan (värähtelyjä eristävän) materiaalin käyttö kilven ja peräpeilin välissä (edellyttää jatkotutkimushanketta). Runko- ja sisämoduulin värähtelymuotoanalyysi, värähtelynvaimennusratkaisujen mallinnus ja optimointi: anturointi tehtaalla, mittaus sekä maalla että vedessä, mallinnus ja simuloinnit erityisesti ratkaisujen kokonaisvaikutuksen optimoimiseksi (hinta, paino, valmistustekniikka, ääneneristyskyky, äänen absorptiokyky, värähtelyjen vaimennuskyky, edellyttää jatkotutkimushanketta). 23

24 HILVE - Osallistuneiden yritysten saamat hyödyt Yksityiskohtainen tieto referenssivenemallien melu- ja tärinäherätteistä ja siirtoteistä sekä niiden merkittävyydestä ohjaamomelun lähteenä Yksityiskohtainen tieto referenssiveneiden ohjaamomelun tasoista ja melun häiritsevistä piirteistä Ymmärrys referenssiveneissä käytettyjen meluntorjuntakeinojen toimivuudesta Välittömästi toteutettavia toimenpiteitä ohjaamomelutason alentamiseksi ja häiritsevien meluominaisuuksien poistamiseksi Pidemmän tähtäimen suunnitelmat veneiden ohjaamomelutasojen alentamiseksi ja ohjaamoiden äänen laadullisten ominaisuuksien parantamiseksi 24

25 Esimerkkejä muiden yritysten mahdollisuudesta hyödyntää HILVEhankkeessa kehitettyä osaamista Vene-ohjelman puitteissa Veneen ohjaamon äänitaso Mittaukset, analyysi ja kattava raportti Perusparannusehdotukset Työmäärä: 1-2 henkilötyöviikkoa ( ) Tarvittaessa Verifiointimittaukset Todetaan tehtyjen muutoksien vaikutus Työmäärä n. 2 henkilötyöpäivää (noin ) Ideaalivene Veneen ohjaamon tämän hetkinen tilanne (mittaukset) Asiakas rakentaa veneen asiantuntijoiden muutosohjeiden mukaan Hyödynnetään Hilve-hankkeen tuloksia Tavoitteena merkittävä äänitason pudotus sekä ääniympäristön parannus Herätteiden minimointi: Moottorin aiheuttama ilma- ja runkoääni Perävetolaitteen aiheuttama runkoääni Veneen runko vesi herätteen huomioinen Siirtotien minimointi: Veneen materiaalien vaikutus Verifiointimittaukset Työmäärä 6 18 henkilötyökuukautta asiakkaan tarpeiden mukaan 25