Araç kapılarının akustik davranışlarının incelenmesi
Investigation of the acoustical behaviors of vehicle doors
Yazar: ERKUT YALÇIN
Danışman: PROF. DR. HALUK EROL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ülkemizde ve dünyada otomotiv sektörü her geçen gün büyümektedir. Farklı teknolojiler ile artan sayıda marka pazarda kendilerine yer edinebilmek için kıyasıya mücadele etmektedir. Gelişen teknoloji müşterilere sadece standard tasarım ve güvenlik gerekliliklerini değil aynı zamanda daha fazla konfor ve kalite sunmak için de kullanılmaktadır. Araçların titreşim ve gürültü performansları da geliştirilmeye açık bir alan olarak bu konfor alanında üzerinde çalışılmakta olan konuların başında gelmektedir. Araçlardaki titreşim ve gürültü performansının yükselmesi müşteri gözünde aracın kalite algısını da yükseltmektedir. Bu nedenle müşterilerin subjektif değerlendirmeleri de otomobil firmalarının araştırma ve geliştirme departmanlarında gerçekleştirilen titreşim ve gürültü çalışmalarına yön verici bir indikatör olarak dikkate alınmaktadır. Müşteri gözünde aracın kalite algısını yükselten en önemli performanslardan biri de araç kapılarının kapatılması esnasında çıkarttıkları ses olmaktadır. Otomobil kapılarının kapanma sesinin tok ve kısa olmasının, müşterinin gözünde aracın kaliteli olduğu imajı yarattığı bilinmektedir. Bu nedenden ötürü global otomotiv araştırma ve geliştirme  departmanlarının NVH ekiplerinin üzerinde en yoğun olarak mesai harcadığı konulardan biri araçların kapı kapanma sesinin müşteride yarattığı izlenimi iyileştirmeye yönelik çalışmalardır. Bu konu akustik disiplininin önemli çalışma alanlarından biri olan ses kalitesi başlığı altında incelenmektedir. Objektif olarak ölçülebilen ses kalitesi parametrelerinin subjektif değerlerle doğrulanması sonucu, beğenilen sesin kalite parametrelerinin hangi düzeyde olması gerektiği bilgisi ya da bu parametrelerin hangi yöndeki değişiminin kalite algısına nasıl etki ettiğinin anlaşılması bu kapsamdaki çalışmaların birincil amaçlarıdır. Öte yandan ses kalitesi parametrelerinin istenilen değerlerini elde edecek tasarımların belirlenmesi ise bu alandaki çalışmaların nihai amacıdır.
Bu ve benzeri çalışmalar bugüne kadar yoğun olarak gerçekleştirilmiş olmakla birlikte çalışmaların tamamına yakını deneysel çalışmalardan oluşmaktaır. Ürün geliştirme sürecinin çok erken safhalarında dahil araç kapılarının tasarım süreçlerini, ses kalitesi parametrelerini de hesaba katarak yönlendirmeye imkan verecek olan bir Bilgisayar Destekli Mühendislik (BDM) yönteminin ortaya konulabilmesi, bu alandaki çalışmaların daha hızlı, etkili ve daha az maliyetli olarak yürütülebilmesine olanak verecektir. Bu tezde sunulan çalışma, bu amaca yönelik olarak gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kapı kapanma sesini zaman alanında (transient) hesaplayabilen bir model geliştirilmiştir. Bu model mevcutta üretime hazırlanan ve tasarımı kesinleşmiş bir araç kapısının Sonlu Elemanlar Modelinin (FEM) kullanımı ile kurulmuştur. Araç dışındaki ve araç içindeki havayı temsil eden dış ve iç akustik kaviteler oluşturulmuş ve kapatılan kapı ve çevresindeki gövde bileşenlerinin bir bölümünden oluşan yapısal model ile birleşimleri sağlanmıştır. Model Abaqus Explicit çözücüsü ile zamana bağlı (transient) olarak çözdürülmüş ve hem araç dışından kapıyı kapatan kullanıcının kulak seviyesinden, hem de araç içinde sürücü sağ kulağı seviyesinde zamana bağlı ses basıncı eğrileri elde edilmiştir. Sayısal modeli kurulan araç yarı yankısız odada fiziksel olarak da test edilmiş ve aynı noktalardan ölçümler yapılarak aynı tip ses basıncı eğrileri elde edilmiştir. Fiziksel test sonuçlarını mümkün olan en iyi seviyede tahmin edebilmek için sayısal model parametreleri değiştirilerek doğrulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sonraki aşamada, bu doğrulanmış model üzerinde bazı tasarım değişiklikleri yapılmış ve her parametrik değişiklik için analiz tekrarlanmıştır. Mevcut durum ve parametrik değişikliklerin uygulandığı her durum için analiz sonucu elde edilen zamana bağlı (transient)  ses basıncı eğrileri ile yine mevcut durum için fiziksel test sonucu elde edilen zamana bağlı (transient)  ses basıncı eğrisi kullanılarak literatürdeki en önemli 2 ses kalitesi parametresi olan sesin yüksekliği ve sesin keskinliği değerleri hesaplanmıştır. Böylece sanal model üzerinde hangi tasarım değişikliklerinin kapı kapanma sesi kalitesini hangi düzeyde ve ne kadar değiştireceğine yönelik bilgi elde edilmiştir.
Mevcut durum için, band – pass filtreli zamana bağlı kapı kapanma sesi sonuçlarının fiziksel test sonuçları ile iyi seviyede doğrulandığını söyleyebilmek mümkündür. Ses kalitesi parametreleri için söylenebilecek şey ise sesin analiz sonuçlarından elde edilen yükseklik değerinin test sonuçlarından elde edilene göre çok fazla olmasına rağmen analiz ve test tarafındaki sonuçlardan elde edilen keskinlik değerlerinin oldukça tutarlı olduğudur. Bu verilerden, sayısal modelin çalışılan frekans aralığında (22 – 500 Hz) sesin frekans dağılımını iyi düzeyde tahmin edebildiği ancak her bir frekans bileşenine ait ses basıncı genliklerinin deneysel sonuçlara göre yüksek olduğu sonucu çıkarılabilir. Bu durum şu şekilde özetlenebilir: Sayısal model sesin frekans bileşenlerini başarılı şekilde tahmin edebilmektedir ancak fiziksel koşullardaki kadar iyi düzeyde sönümleme kabiliyetine sahip değildir.
Literatürde kapı kapanma sesini tahmin etmek için bir BDM metodu geliştirmeye yönelik yalnızca 2005 yılına ait bir çalışma bulunabilmiştir.  Bu çalışma deneysel çalışmalar sonucu elde edilen verilere analiz girdisi olarak bağımlı olmakla birlikte yapısal ve akustik denklemleri 2 ayrı adımda ve 2 ayrı yöntemle (Sonlu Elemanlar Metodu ve Sınır Elemanlar Metodu) çözmektedir. Bu nedenlerden ötürü bu tezde sunulan çalışma literatürde bir ilk olma özelliğini taşımaktadır. Öncelikle bu çalışma hiçbir fiziksel test sonucunu girdi olarak kullanmadan kapı kapanma sesini zamana bağlı olarak hesaplayabilen ilk BDM metodudur. İkinci olarak geliştirilen bu model ayrık (eksplisit) lineer – olmayan yapısal ve akustik denklemleri aynı anda akuple bir şekilde yalnızca Sonlu Elemanlar Metodu ile çözmektedir. Bütün bu belirtilen noktalar bu metodun avantajlarını ortaya koymakla birlikte her biri literatüre getirilen bir yeniliktir. Çalışmanın son aşamasında ses kalitesi parametrelerini analiz sonuçlarından elde etmek ise, bu parametreleri ürün geliştirme süreçlerinin erken safhalarında dahi istenen her tasarım değişikliği için değerlendirebilmeyi mümkün kılmaktadır. Öte yandan bu metodun dez avantajı ise bu büyüklükteki bir modeli sadece sonlu elemanlar yöntemi kullanarak tek adımda akuple olarak çözmenin uzun süreli olmasıdır.

Abstract:
Automotive market has been grown up day by day in both our country and the world. Increasing number of companies with different technologies are struggling to get a foothold for themselves inside the market. Developing technology is being used for supplying the customers not only with the standard safety and design requirements but also for more comfort and quality. Noise and vibration performance of the vehicles which is an open area  to be developed is coming as the first subject being worked on within that comfort area. Increased vibration and noise performance of the vehicle also improves the customer perception of quality for the vehicle. For that reason, the subjective evaluations of the customers are being taken into consideration as a leading indicator for noise and vibration studies within the research and development departments of the automobile companies. One of the most important performances of the vehicle which improves the customer perception about the vehicle quality is the door slam noise of the vehicles. It is known that a tough and brief sound of door slam creates the idea in people's mind that the car is of good quality. This knowledge is the main reason for the reality that the studies for improving the impression that the door slam sound creates on customers are one of the subjects on which noise–vibration-harshness (NVH) teams of most of the global automotive companies' research and development departments are spending long time. This subject is being investigated under the sound quality topic which is one of the most important areas of the acoustic discipline. The first purpose of those studies is to understand which sound quality metrics effect customer perception in which way or at which levels of the sound quality metrics should be for a desirable door slam sound by ensuring the validation of the objective and measurable sound quality metrics with the subjective jury evaluations. The final purpose on the other hand is to specify the designs which enable the desired levels for the sound quality metrics.
Although such type of studies have been performed until today, it can be seen that nearly all of these studies are comprised of experimental ones. Creating a Commputer Aided Engineering (CAE) methodology which is capable of leading the vehicle door design studies taking also the sound quality parameters into account during even very early phases of the product development processes would enable the studies in this field to be run faster, more effectively and less costly. The study, which is being presented in this thesis, was performed in order to achieve this goal. Firstly, a numerical model was developed which is capable of calculating the door slam noise in time domain. This numerical model was constituted by using the Finite Element (FE) model of the door of a vehicle, which had readily been prepared for manufacturing with a specified design. Two acoustic cavities representing the interior and exterior air were created and coupled with the structural model which consists of the door to be slammed with the cut body components it is connected to. The model was solved with Abaqus Explicit solver as transient and the transient sound pressure levels were calculated both at the ear point of the person closing the door outside the vehicle and at the right ear point of the driver inside. The physical car was also tested in a semi- anechoic room and the same type of sound pressure data was measured from the same points as in the virtual model. The validation study was performed by tuning the virtual model paramteters in order to optimally predict the experimental result. In the next step, some design modifications were made on this verified model and the analysis was re-calculated for each design change. The two of the most important sound quality metrics found in the literature survey, Loudness and Sharpness, were calculated for each parametric design change situations by using the transient sound pressure curves gathered from numerical calculations and for current situation by using transient sound pressure curves gathered from both numerical calculations and experimental measurement. By this way, the information that which design change affects the sound quality metrics in which way was gathered on the virtual model. 
For the current situation results, it can be said that, band – pass filtered transient analysis results were well correlated with experimental results. For the sound quality parameters, although Loudness sound quality parameter calculated from analysis result is much higher then the Loudness calculated from physical test results, sharpness sound quality parameter calculated from analysis and physical test results are close to each other. It can be inferred from the results that the virtual model can predict the frequency distribution well within the frequency band investigated (22 – 500 Hz) but the amplitudes for each frequency component is much higher than the physical sound. To sum up: The virtual model has the ability to predict the frequency components of the sound successfully but is not as much successful as that for damping the sound.
The only study found in the literature for developing a CAE method to predict the transient door slam noise is one from the year 2005. It is dependent on some physical measurement results as input and it solves structural and acoustical equations with 2 discrete steps and 2 different analysis methods (FEM + BEM). For these reasons, the study presented in this thesis has the charatheristic of being first in the literature. Firstly, this study is the first CAE methodology to predict the transient sound pressure for door slam without dependence to any physical measurement input.  Secondly, it can compute the explicit non – linear structural and acoustical equations at the same time in a coupled manner with just using Finite Element Method (FEM). All those indicateds are advantages of the methodology and each is a novelty brought for such a study to the literature. Additionally, gathering sound quality metrics from also the analysis result enables those metrics to be evaluated for any desired design change even in very early steps of the product development process. The disadvantage of the methodology on the other hand is that it takes long time to solve such a large-scale model with just FEM in one step in a coupled way.