Porównanie emisji hałasu w samochodach z napędem konwencjonalnym, elektrycznym i hybrydowym
Pixabay – TheDigitalArtistObecnie dużą wagę przywiązuje się do ochrony środowiska, także w kontekście wpływu oddziaływania motoryzacji na środowisko naturalne. Ograniczone zasoby kopalne, zmiany klimatyczne i globalne ocieplenie powodują, że przemysł motoryzacyjny podejmuje działania w kierunku wydajniejszych i bardziej zrównoważonych rozwiązań. Producenci samochodów stosują nowe technologie i alternatywne układy napędowe. Przykładami takich rozwiązań są samochody elektryczne. Istotna jest również kwestia wpływu eksploatacji tych środków transportu na emisję zanieczyszczeń innych niż spaliny (np. hałas).
- Badanie hałasu w pojazdach z napędem konwencjonalnym, elektrycznym i hybrydowym – co wpływa na przebieg testów? Omówienie wyników, analiza danych przedstawionych na wykresach.
- Działanie systemu AVAS.
- Ewaluacja po badaniach: jakimi pojazdami jeździć, by zniwelować odczuwalny hałas, a tym samym – zwiększyć swój komfort przebywania w samochodzie, poruszania się nim.
Rosnąca liczba użytkowanych pojazdów mechanicznych skłania do zajęcia się tematyką, która dotyczy hałasu emitowanego podczas eksploatacji pojazdu, zwłaszcza że sukcesywnie zwiększa się liczba pojazdów z napędami alternatywnymi, czyli hybrydowymi i w pełni elektrycznymi.
Istnieją przesłanki wskazujące, że emisja hałasu jest niższa w przypadku pojazdów o napędzie alternatywnym. Ze względu jednak na pewne wątpliwości w tym obszarze celowe jest dokonanie analizy emisji zanieczyszczeń z użytkowania środków transportu samochodowego [1–5].
Emisja hałasu
Hałas komunikacyjny, obok zanieczyszczeń spalinami, uważany jest za najbardziej uciążliwe zanieczyszczenie, które powstaje w wyniku eksploatacji pojazdów. Podobnie jak w przypadku emisji spalin emisję hałasu określają odpowiednie normy. Jego pomiary wykonuje się nie tylko w warunkach laboratoryjnych, ale także w warunkach eksploatacyjnych.
Hałas są to dźwięki zazwyczaj o nadmiernym natężeniu występujące w danym miejscu lub czasie. Poziom hałasu określany jest na podstawie ciśnienia akustycznego. Ciśnienie akustyczne określa zmienne w czasie odchylenie od średniej wartości ciśnienia statycznego panującego w danym miejscu, które występuje podczas propagacji fali akustycznej. Jednostką ciśnienia akustycznego jest Paskal [Pa], jednak dla porównania wielkości hałasu, które zmieniają się liniowo w szerokim zakresie, używana jest skala decybeli, która reprezentuje zakres czułości ludzkiego ucha.
Skala decybeli opisuje stosunek dwóch mierzonych wielkości – natężenia dźwięku do poziomu odniesienia. Ucho ludzkie słyszy dźwięki w zakresie 0–120 dB [6–9]. Ze względu na właściwości ludzkiego słuchu, tzn. dźwięki o takim samym poziomie ale różnym widmie są słyszane inaczej, stosuje się przetwarzanie sygnału przez filtry wagowe (korekcyjne) o znormalizowanych charakterystykach.
Kształtowanie sygnału mierzonego przy pomocy filtrów wagowych nazywane jest ważeniem częstotliwościowym. Najczęściej w pomiarach używa się krzywej korekcyjnej A. Krzywa ta ma na celu dostosowanie skali decybeli do charakterystyki ludzkiego ucha przy niskich poziomach ciśnienia akustycznego. Najczęściej wykorzystuje się ją w pomiarach hałasu.
Dźwięki o niskiej i wysokiej częstotliwości słyszymy gorzej niż dźwięki o częstotliwości z zakresu od 800 Hz do 7 kHz. Krzywa wyrównania B dotyczy średnich poziomów ciśnienia akustycznego. Krzywa wyrównania C odpowiada reakcji ucha ludzkiego na dźwięki o wysokim poziomie ciśnienia akustycznego. Krzywa D służy do pomiaru hałasu statku powietrznego, natomiast L jest krzywą nieważoną (płaską) [10–13].
Ważenie częstotliwościowe polega na kształtowaniu mierzonego sygnału za pomocą filtrów ważących, które dostosowują charakterystykę źródła dźwięku do ucha ludzkiego. Mierzone są wartości takie jak:
- poziom ciśnienia akustycznego,
- maksymalny i równoważny poziom dźwięku ważony A (LAeq i LAFmax)
- oraz szczytowy poziom dźwięku ważony C (LCeq i LCpeak) [14,15].
Odbiór hałasu jest subiektywny i zależy od:
- odporności układu nerwowego,
- stanu psychicznego,
- czasu ekspozycji
- i rodzaju hałasu.
Hałas, który występuje w środkach transportu, niekorzystnie oddziałuje na narząd słuchu i centralny układ nerwowy, powodując tzw. uraz akustyczny. Wywołuje on reakcje obronne organizmu, które objawiają się zmianami w rytmie oddechu i tętna, wzrostem ciśnienia krwi, zmianami w krążeniu i zaburzeniami perystaltyki jelit.
Długotrwałe narażenie na hałas o dużym natężeniu, które przekracza wartości uważane za bezpieczne, może prowadzić do pogorszenia lub nawet utraty słuchu i do chorób nerwicowych. Hałas ten może upośledzić sprawność słuchu, co skutkuje pogorszeniem ostrości słuchu lub uszkodzeniem struktur anatomicznych narządu słuchu (np. perforacjami lub ubytkami błony bębenkowej prowadzącymi do wystąpienia głuchoty) [13–17].
Hałas w pojazdach
Hałas drogowy powstaje w wyniku pracy jednostki napędowej, układu wylotu spalin, przepływu powietrza podczas jazdy, a także w wyniku interakcji opony z nawierzchnią jezdni, która jest jego głównym źródłem. Wprowadza to do analizy kolejne elementy, którymi są rodzaj i bieżnik opony oraz nawierzchnia jezdni.
Gładkie powierzchnie, takie jak asfalt i beton, są korzystniejsze pod względem akustycznym niż powierzchnie chropowate i kostka brukowa. Pojazdy poruszające się z określoną prędkością po jezdni emitują różny poziom hałasu, który jest funkcją liczby pojazdów, ich rodzaju i nawierzchni jezdni [18,19].
Samochody o napędzie konwencjonalnym wytwarzają hałas z silnika spalinowego i układu wylotu spalin. Samochody elektryczne nie mają silnika spalinowego, a co za tym idzie układu dolotowego i wydechowego. Hałas powodowany jest w nich głównie przez zmienne siły elektromagnetyczne, które towarzyszą zamianie energii elektrycznej na energię mechaniczną. Należą do nich dźwięk pochodzący z tarcia wirnika, łożyska, szczotek i pierścienia ślizgowego oraz przepływ powietrza przez obracający się wirnik, a także hałas elektromagnetyczny.
Wszystkie pojazdy o napędzie konwencjonalnym i alternatywnym emitują hałas w wyniku interakcji opony z nawierzchnią jezdni i powietrzem opływającym nadwozie (hałas aerodynamiczny) [19,20]. Z niektórych źródeł wynika, że hałas w samochodach z silnikiem elektrycznym jest niższy do prędkości 20 km/h.
Natomiast przy prędkościach powyżej 30 km/h różnica w oddziaływaniu hałasu w porównaniu z samochodami z konwencjonalnym napędem zanika. Dzieje się tak dlatego, że głównymi źródłami hałasu są opony i hałas aerodynamiczny. Nowoczesne silniki spalinowe nie wytwarzają znacznego hałasu, dlatego mogą być niesłyszalne podczas jazdy. Ważnym aspektem jest także wygłuszenie samochodu, które zależy od klasy pojazdu [16,17].
System AVAS
Ze względu na niski poziom hałasu w samochodach elektrycznych przy prędkościach do 20 km/h pojazdy te wyposażone są w AVAS (acoustic vehicle alerting system – akustyczny system ostrzegawczy pojazdu). Emituje on dźwięki, które informują przechodniów o zbliżającym się pojeździe. System AVAS automatycznie generuje dźwięk przy minimalnej prędkości do około 20 km/h i podczas cofania.
Jeżeli pojazd jest wyposażony w silnik spalinowy i jest eksploatowany w określonym powyżej zakresie prędkości, AVAS nie wydaje dźwięku. Nie musi też wydawać dźwięku podczas cofania w pojazdach wyposażonych w alarm dźwiękowy. Poziom dźwięku wytwarzany przez układ nie może przekraczać przybliżonego poziomu dźwięku pojazdu kategorii M1 wyposażonego w silnik spalinowy i pracującego w podobnych warunkach.
System AVAS jest obowiązkowym wyposażeniem każdego samochodu elektrycznego i hybrydowego sprzedawanego na terenie Unii Europejskiej od 1 lipca 2021 r. Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 540/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie poziomu dźwięku pojazdów silnikowych i zamiennych układów tłumiących [21,22].
Badanie hałasu w pojazdach z napędem konwencjonalnym, elektrycznym i hybrydowym
Pomiary hałasu wykonano w ramach pracy naukowej na Wydziale Transportu i Inżynierii Lotniczej Politechniki Śląskiej w celu porównania tej emisji w samochodach z różnym napędem – konwencjonalnym, elektrycznym i hybrydowym. Badania przeprowadzono za pomocą miernika natężenia dźwięku Bruel & Kjaer 2250 Light.
Miernik natężenia dźwięku. Źródło: Bruel & Kjaer 2250 Light
Urządzenie spełnia wymagania norm: IEC 61672-1 (2002-05) klasa 1, IEC 60651 (1979) z poprawką 1 (1993-02) i 2 (2000-10) typ 1, IEC 60804 (2000-10) typ 1. Podczas badań mierzono takie wartości, jak:
- LAeq – równoważny uśredniony poziom dźwięku skorygowana według charakterystyki częstotliwościowej A, wielkość wyrażana w decybelach (dB),
- LAFmax – maksymalna wartość skuteczna poziomu dźwięku skorygowana według charakterystyki częstotliwościowej, wielkość wyrażana jest w decybelach (dB),
- LCeq – równoważny uśredniony poziom dźwięku skorygowany charakterystyką częstotliwościową C, wielkość wyrażana jest w decybelach (dB),
- LCpeak – maksymalna wartość chwilowa (peak) poziomu dźwięku (zwana również szczytową) skorygowana charakterystyką częstotliwościową C, wielkość wyrażana jest w decybelach (dB).
W badaniu wykorzystano 3 samochody osobowe:
- samochód z napędem konwencjonalnym – marki Dacia Sandero III, z silnikiem benzynowym 1.0 Tce z turbodoładowaniem o mocy 67 kW,
- samochód z napędem elektrycznym – marki Dacia Sprin, z silnikiem synchronicznym z magnesem stałym o mocy 33 kW,
- samochód z napędem hybrydowym – marki Toyota C-HR, z silnikiem spalinowym 1.8 o mocy 72 kW i silnikiem elektrycznym o mocy 53 kW.
Całkowita moc układu hybrydowego wynosi 90 kW. Wszystkie pojazdy zostały wyprodukowane w 2021 r. i miały nadwozia typu Crossover. Do badań wybrano najtańsze pojazdy marki Dacia. Ponieważ marka nie ma w ofercie samochodu hybrydowego, do porównania zdecydowano się wybrać samochód z napędem hybrydowym marki Toyota.
Parametry techniczne miernika natężenia dźwięku. Źródło: POLEKSMOT
Wyniki badania: Emisja hałasu w pojazdach
Pomiary hałasu wewnątrz pojazdu przeprowadzono w samochodzie z napędem konwencjonalnym, elektrycznym i hybrydowym w ruchu miejskim i autostradowym. Z kolei w ruchu miejskim pomiary wykonano przy prędkościach poniżej 30 km/h i przy 50 km/h, natomiast w ruchu autostradowym – przy prędkościach 100 km/h i 140 km/h.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Miernik poziomu hałasu umieszczono w okolicy fotela kierowcy. Za każdym razem wykonano po 10 pomiarów, z czego każdy trwał ok. 10 s. Temperatura otoczenia podczas pomiarów wynosiła ok. 10°C, pogoda była bezwietrzna, a nawierzchnia sucha. Pomiary przedstawiono jako średnią arytmetyczną zebranych wyników, odrzucając skrajne wartości. Na wykresach zaznaczono słupki błędów.
Dacia Sandero z napędem konwencjonalnym – widok pod pokrywą silnika. Źródło: Wioletta Cebulska
Dacia Spring z napędem elektrycznym – widok pod pokrywą silnika. Źródło: Wioletta Cebulska
Toyota C-HR z napędem hybrydowym – widok pod pokrywą silnika. Źródło: Wioletta Cebulska
Omówienie wyników
Badanie 3 pojazdów wykazały, że hałas w ruchu miejskim przy niskich prędkościach ok. 30 km/h był najmniejszy w przypadku pojazdów z napędem elektrycznym i wynosił około 43 dB(A). Dla pojazdów z napędem hybrydowym i konwencjonalnym hałas kształtował się na podobnym poziomie: 48 dB(A) i 49 dB(A) [ilustracja 1].
Ilustracja 1. Pomiar hałasu w ruchu miejskim przy prędkości 30 km/h
Podczas jazdy z prędkością 50 km/h najmniejszą emisję hałasu zmierzono w pojeździe hybrydowym (59 dB(A)), następnie w pojeździe spalinowym (61 dB(A)). W pojeździe elektrycznym zarejestrowano największy hałas (63 dB(A) [ilustracja 2].
Ilustracja 2. Pomiar hałasu w ruchu miejskim przy prędkości 50 km/h
Badania w ruchu autostradowym wykazały, że najmniejszy hałas wewnątrz samochodu był w samochodzie z napędem hybrydowym (63–68 dB(A)).
Natomiast w samochodzie elektrycznym zarejestrowano wartości większe o prawie 10 decybeli (72–75 dB(A)). Samochód z silnikiem spalinowym emitował hałas między wartościami zmierzonymi w pozostałych samochodach (68–71 dB(A)) [ilustracja 3, 4].
Ilustracja 3. Pomiar hałasu w ruchu autostradowym p rzy prędkości 100 km/h
Ilustracja 4. Pomiar hałasu w ruchu autostradowym przy prędkości 140 km/h
Powodem niższej emisji hałasu przez samochód hybrydowy jest wyższa klasa pojazdu i lepsze wygłuszenie wnętrza.
W pojeździe elektrycznym ze względu na jego niską cenę zastosowano materiały niższej jakości. W badaniu zauważono też braki w wygłuszeniu drzwi i innych elementów. Samochód z napędem konwencjonalnym miał wygłuszenie lepszej jakości niż pojazd elektryczny, co też wykazały pomiary emisji hałasu przy wyższych prędkościach.
Pomiary wewnątrz pojazdów wykazały, że głównymi źródłami hałasu był hałas pochodzący ze współpracy opon z nawierzchnią oraz hałas aerodynamiczny. W obszarach miejskich przy niskich prędkościach (ok. 20 km/h) emisja hałasu, która pochodzi z pojazdu, może zostać zmniejszona w przypadku zmiany pojazdów z napędem konwencjonalnym na pojazdy hybrydowe lub elektryczne.
Głównym źródłem hałasu w przypadku pojazdów z napędem elektrycznym przy niskich prędkościach jest system AVAS. W przypadku prędkości powyżej 50 km/h hałas pochodzący ze współpracy opona–droga staje się dominujący i nie ma różnicy w emisji hałasu między pojazdami z napędem konwencjonalnym, elektrycznym i hybrydowym. Powyższe oznacza, że na drogach szybkiego ruchu i na autostradach emisja hałasu z samochodów elektrycznych i hybrydowych nie jest mniejsza w porównaniu z samochodami napędzanymi wyłącznie silnikami spalinowymi.
Hałas wewnątrz pojazdu zależy od jego klasy wykonania i wygłuszenia. Żeby więc zmniejszyć poziom dźwięku wewnątrz pojazdu, dla komfortu podróżujących, należy skupić uwagę na jakości i liczbie elementów wygłuszających w samochodzie. W dyrektywie Rady 70/157/EWG [24] jako dopuszczalny poziom hałasu emitowanego przez pojazd podano wartość do 74 dB(A) dla samochodów osobowych. Przepisy nie określają dopuszczalnych wartości hałasu wewnątrz pojazdów.
Opublikowane wyniki badań sugerują jednak, że pewne wartości natężenia dźwięku uważa się za szkodliwe. Hałas wewnątrz pojazdów podczas jazdy miejskiej mieści się w przedziale 35–70 dB(A), co może prowadzić do spadku koncentracji. Z kolei podczas jazdy autostradowej poziom hałasu przekracza nawet 70 dB(A), co może powodować bóle głowy i osłabienie słuchu, znacznie też obniża komfort jazdy [12].
Autorami artykułu są: mgr inż. Wioletta Cebulska, dr inż. Dorota Pasek, dr hab. inż. Janusz Cebulski.
Artykuł został przygotowany przez ekspertów ze Stowarzyszenia Rzeczoznawców Motoryzacyjnych i Maszynowych oraz Biegłych POLEKSMOT. Członkowie Stowarzyszenia stanowią grupę specjalistów w dziedzinach związanych z motoryzacją, budową oraz eksploatacją maszyn i urządzeń, a także szeroko rozumianą inżynierią materiałową. Więcej informacji o Stowarzyszeniu można znaleźć na stronie: poleksmot.pl.
