В современном автомобиле издавать шум могут только два устройства: клаксон и автомагнитола. Если ни одно из них не звучит, в салоне должны царить тишина и покой. Мало кто знает, что лобовое стекло вносит значительный вклад в передачу шумов не только от набегающего потока воздуха, но и от двигателя, и от шин автомобиля. Бороться с этим негативным эффектом призваны акустические лобовые стекла новой конструкции.

После обновления Volkswagen Passat CC изменился не только внешне, но и внутренне. Инженеры применили улучшенные материалы звукоизоляции моторного отсека, дверей и багажника, а также днища и подкрылков. В качестве опции стали доступны лобовое и передние боковые стекла с улучшенными акустическими свойствами.
График демонстрирует поглощение звуковых волн широкого диапазона тремя видами стекла. Зеленая линия отражает поведение 5-мм монолитного стекла, черная — 5-мм триплекса, а синяя — акустического триплекса из 2,1-мм стекол с 0,76-мм акустическим полимером.

ТЕМА: Акустическое лобовое стекло

ПРИМЕР: Volkswagen Passat СС

Борьба с шумом — это практически всегда борьба с резонансом. Самый крупный резонатор — это кузов автомобиля. Но резонировать могут и пластиковые панели отделки, и детали подвески, и стекла. Если частота вибраций от источника звука совпадает с частотой собственных колебаний резонатора, звук многократно усиливается и распространяется по всему салону.

В автомобиле несколько основных источников шума. Первый — работающий двигатель. Эти звуковые колебания частотой от 20 до 200 Гц хорошо предсказуемы. Если кузов и салон автомобиля не резонируют в такт с мотором, а современные опоры двигателя надежно изолируют кузов от вибраций, двигателя почти не слышно.

В первую группу можно записать и трансмиссионные шумы. Это звук от взаимного соприкосновения зубцов шестерен в коробке передач и дифференциале, подшипников колесных ступиц. Этот гул за пару километров возвещает о приближении старого КамАЗа, однако для современного авто не характерен и может свидетельствовать лишь об износе и необходимости ремонта некоторых узлов.

Второй инструмент шумового оркестра — шины. Их соприкосновение с дорогой создает широкополосный звуковой фон с основой в районе 200 Гц. Разнообразие дорожных покрытий и рисунков протектора делает его непредсказуемым и сильным противником, бороться с которым приходится с помощью специальных шумоизоляционных материалов в колесных арках ценой увеличения массы и стоимости автомобиля.

Наконец, на скоростях выше 80 км/ч сольную партию начинают играть аэродинамические шумы. Колебания давления воздуха, обусловленные как скоростью движения, так и завихрениями воздуха, образующимися за аэродинамически несовершенными элементами кузова, создают мощный широкополосный шум, варьирующийся от басовитого гула до высокочастотного свиста.

Именно аэродинамический шум не позволяет водителю разговаривать с пассажиром, не повышая голоса.

Хлоп в лоб

Лобовое стекло принимает на себя основную часть аэродинамического шума. Оно имеет большую площадь, установлено под большим углом атаки к набегающему потоку и непосредственно контактирует с салоном. Способность стекла поглощать звук определяется массой, жесткостью и демпфирующими свойствами. С массой и жесткостью все понятно: чем толще и инертнее стекло, тем меньше оно будет колебаться под действием набегающих воздушных волн. С демпфирующими свойствами у стекла все плохо — чтобы понять это, достаточно ударить по бокалу и послушать, как долго он звучит.

Но главная негативная особенность стекла как материала — это резонансная частота в диапазоне 1500−5000 Гц. Этот диапазон отвечает за разборчивость человеческой речи — эту зону звукового спектра человеческий слух воспринимает наиболее внимательно, и именно такие шумы в наибольшей степени портят нам жизнь.

Увеличив толщину стекла, можно улучшить характеристики поглощения звука в районе низких частот. Однако утолщение практически не влияет на поглощение в заветном диапазоне от 1,5 до 5 кГц. Мало того, являясь важным элементом силовой структуры кузова, лобовое стекло способствует распространению не только аэродинамических шумов, но и шумов качения, точнее той их части, которая соответствует резонансной частоте стекла. А значит, найдя решение проблемы резонанса лобового стекла, можно повысить акустический комфорт водителя и пассажиров не только на высоких скоростях, но и на малом ходу.

Вот уже почти сто лет мы используем в качестве лобового стекла триплекс. В классическом варианте он представляет собой два стекла с прослойкой из прочного полимера (поливинилбутираль). Наиболее распространенные пропорции — стекла толщиной 2,3 мм и полимерная пленка 0,76 мм. В современных стеклах могут содержаться дополнительные слои в виде подогреваемой проволоки, УФ-фильтра или тонировочной пленки. В нашем случае важно то, что тонкая и жесткая полимерная пленка практически не изменяет резонансных свойств стекла.

Как объяснили нам специалисты компании Saflex, одного из крупнейших мировых производителей полимера для триплекса (40% автомобилей мира оснащены стеклами с прослойкой Saflex), побороть злополучный резонанс можно, применив полимерную прослойку с улучшенными демпфирующими свойствами. Химическую формулу такого полимера каждый производитель держит в секрете, так как сегодня к данному веществу предъявляются строжайшие и порой противоречивые требования. Его прочность определяется нормативами безопасности и должна сохраняться в широком диапазоне рабочих температур, от тропической жары до скандинавских холодов.

Согласно исследованию Saflex, лобовое стекло с использованием демпфирующего полимера на скоростях от 80 до 160 км/ч демонстрирует значительно лучшие показатели поглощения шума в диапазоне от 500 до 5500 Гц. При этом эффект резонанса сводится к минимуму.

Интересно, что более тонкие стекла демонстрируют наилучший результат при использовании акустического полимера, так как именно стекло дает нежелательный резонанс. Использование тонкого стекла вносит немалый вклад в экономию массы автомобиля, что, в свою очередь, сказывается на динамике, расходе топлива и вредных выбросах в атмосферу.

Статья «Нерезонный резонанс» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2013).