7. Выразить ходовые качества с помощью звука –Разработка звука для GR Yaris–

Эта статья — одна из девяти переведённых мной статей из выпуска Toyota Technical Review 236. Здесь ссылки на остальные статьи из этого выпуска. В них инженеры Toyota рассказывают, как они создавали GR Yaris.

Аннотация

Звук является ключевым аспектом в автоспорте и при разработке GR Yaris особое внимание уделялось созданию соответствующего звука. Целью разработки было использование звука в качестве источника информации для водителя о скорости вращения двигателя, а также создание звука, соответствующего характеристикам автомобиля и отвечающего действиям водителя и поведению автомобиля для повышения удовольствия от вождения. В этой статье описывается, как прорабатывался частотный баланс, чтобы подчеркнуть компоновку и звук двигателя, а также линейность звукового давления по отношению к характеристикам двигателя, ускорению и замедлению. Здесь также обсуждается разработка особых звуковых характеристик, отличающих GR Yaris, таких как тональный баланс на предельных оборотах и переходный звук, когда водитель резко нажимает на газ.

1. Введение

GR Yaris — это автомобиль, созданный для автоспорта, мира, где победа и скорость важнее всего остального. Поскольку это представляют собой совершенно иные ценности, чем у обычных легковых автомобилей, был полностью пересмотрен подход к разработке шумо- и виброизоляции (noise and vibration = NV). Во-первых, концепция GR Yaris была определена благодаря многим и многим поездкам бок о бок с профессиональными гонзиками и взаимодействию с ними, а также с учетом конкурирующих автомобилей в сегменте хот-хэтчей. В результате был сделан вывод, что наиболее важной функцией звука в автоспорте является предоставление водителю информации о крутящем момент двигателя, что позволяет ему на слух определить оптимальное время переключения передач. Это называется “информативной функцией”. Кроме того, покупатели возлагают большие надежды на качество звука в сегменте хот-хэтчей. После анализа отзывов покупателей, в качестве ключевой концепции было определено создание звука максимально соответствующего характеру езды. Эти отзывы описывают звук, который помогает создать полные адреналина ощущения, сопровождающие езду превосходящую обычные пределы.

GR оснащен крайне отзывчивым трехцилиндровым двигателем с турбонаддувом. Однако, когда речь заходит о вибрации и тональном балансе, трехцилиндровые двигатели имеют не самую хорошую репутацию. Кроме того, ограничения на уровень шума, производимого автомобилем, ещё больше затрудняют создание заведомо громких двигателей и систем впуска и выпуска. Несмотря на всё это, целью разработки было получение звука, идеально подходящего для автомобиля, созданного для автоспорта, который бы точно соответствовал характеру езды и обеспечивал бы отличную информативность. В этой статье более подробно описывается разработка такого звука.

2. Концепция звука

В этом разделе описывается концепция звука GR Yaris. В дополнение к традиционным исследованиям рынка, при разработке концепции звука эксперты ездили с гонщиками на реальных автоспортивных площадках. В результате этих тест-драйвов была сформулирована и определена информативная функция, позволяющая определять скорость вращения двигателя, не глядя на тахометр. Кроме того, звук, соответствующий характеру вождения, был определен как звук, который обеспечивает гармонию между действиями водителя (ускорение и переключение передач) и поведением автомобиля (обороты двигателя и ускорение) и который вызывает радость от вождения. На рисунке ниже показана концепция звука GR Yaris с точки зрения предполагаемых сценариев вождения на гоночной трассе и ощущений водителя. Эти сценарии описаны более подробно ниже.

(1) От старта двигателя до трогонья
Как только двигатель заводится, система выхлопа издаёт приятные глубокие басы, которые поднимаются вверх и создают впечатление о ходовых качествах автомобиля еще до того, как он начнет движение. Басовый выхлоп также остро реагирует, если водитель резко увеличивает обороты двигателя.

(2) Ускорение
Здесь, когда у водителя формируются ожидания относительно характеристик автомобиля, он включает первую передачу и плавно трогается с места, а затем резко ускоряется, полностью открыв дроссельную заслонку. Звук двигателя линейно изменяется со скоростью вращения двигателя и вызывает постоянно растущее чувство возбуждения. Звука выхлопа достаточно, чтобы понять, что на трассу выехал GR Yaris. Когда водитель переключает передачу вверх, отчетливо слышно начало работы турбонаддува. Ритмичное ощущение, возникающее при переключении передач водителем, создается за счет переходного звукового баланса между крутящим моментом и ощущениями ровного ускорения, создаваемыми благодаря передаточным числам разработанной механической коробки передач. После недолгого пребывания за рулем водитель может определить скорость вращения двигателя только по звуку. Взаимодействие звуков выхлопа и впуска создает ощущение дополнительной динамики.

(3) От замедления до входа в поворот
Переключение скоростей вниз перед входом в поворот может быть выполнено быстро и без каких-либо лишних движений, поскольку водитель может определить частоту вращения двигателя по резкому пульсирующему звуку. Изменение звукового давления при возникновении отрицательного G создает ощущение замедления, позволяя водителю сосредоточиться на управлении автомобилем, используя идеальный уровень реверберации звука.

(4) Ускорение на пределе
Когда водитель разгоняется до предела, возникающий в результате этого тональный баланс создает ощущение ровности и легкости, характерные для ралли. Естественный звонкий звук предупреждает водителя о приближении к ограничителю оборотов. Водитель может ориентироваться по звуку, чтобы взаимодействовать с автомобилем вплоть до предельных эксплуатационных характеристик.

(5) Охлаждение
Здесь водитель завершил прохождение "горячего круга" и снизил скорость. Водитель может оценить ходовые качества на "горячем круге", наслаждаясь контрастным и волнующим звуковым балансом в тихом пространстве, сравнимом с хорошо изолированным легковым автомобилем. В этом пространстве гонщик может приготовиться к следующему кругу.

3. Характеристика звука в каждом из сценариев вождения

В этом разделе описывается разработка звука для каждого из сценарияев вождения, описанных в разделе 2.

3.1 Звук выхлопа: сценарии (1) и (2)

Мощный звук выхлопа — одна из сильнейших притягательных сторон автоспорта. Тональный баланс этого звука является отличительной чертой автомобиля. Однако, поскольку ограничения на уровень шума становятся все более жесткими, создавать громкие звуки становится все труднее. Кроме того, трехцилиндровые двигатели склонны издавать грубый и нечеткий звук даже на высоких оборотах двигателя. Однако, высокоотзывчивый трехцилиндровый двигатель GR Yaris отличается собственным мощным и низким звуком. Разработчики использовали это и создали плавный тональный баланс при высоких оборотах двигателя. Еще более мощный звук удалось получить за счет использования труб выпускного коллектора одинаковой длины, что создавало равномерную пульсацию давления при каждом такте выпуска и подчеркивало последовательность циклов сгорания. Кроме того, был использован резонансный звук выхлопной трубы для создания звука в диапазоне 315 Гц. Это помогает подчеркнуть высокие частоты (3-го и 4,5 порядка) при высоких оборотах двигателя, тем самым создавая звук выхлопа, который сохраняет ощущение ровности.

Характерный и отчетливый тональный баланс во всём диапазоне работы двигателя необходим для того, чтобы водитель мог мгновенно распознать скорость вращения двигателя, не глядя на тахометр. В дополнение к естественным изменениям, которые происходят при увеличении громкости и частоты в зависимости от скорости вращения двигателя, GR Yaris подчёркивает эти отличительные характеристики за счет значительных изменений гармоник во всём диапазоне работы двигателя.

При крутящем моменте двигателя, близком к максимальному (от 2800 до 5000 оборотов в минуту), тональный баланс наполненный мощностью и моментом выражается через превосходную смесь первой и половинной гармоники звуков сгорания смеси. В этом диапазоне тональный баланс изменяется путем добавления звуков ±0,5-го порядка к звукам 3-го порядка на низких оборотах двигателя (от 2800 до 4000 об/мин) и звуков ±0,5-го порядка к звуку 4,5-го порядка при более высоких оборотах двигателя (от 4000 до 5000 об/мин). Когда водитель разгоняет автомобиль до максимальной мощности двигателя (от 5000 до 6500 об/мин), звук состоит только из гармоник сгорания топлива. Это создает плавный тональный баланс, напоминающий водителю о раллийных традициях автомобиля. Добавление гармоник высоких порядков (6-й и 7,5-й порядки звучания двигателя) обеспечивает ровность звучания даже при квадратичном возрастании частоты.

3.3 Звук перегазовки: сценарий (2)

Звук перегазовки должен строго соответствовать скорости вращения двигателя на выбранной передаче. Если этого добиться не удается, водитель может быть отвлечен возникающей кратковременной вибрацией и потерей ускорения. В дополнение к трендам тонального баланса для всего диапазона частоты вращения двигателя, описанным в разделе 3.2, уровень звукового давления (SPL = sound pressure level) повышается при перегазовке.

В качестве промежуточного параметра для выражения этого явления используется коэффициент усиления (CF = crest factor), который отражает величину более высоких пиковых значений до и после перегазовки по сравнению с эффективным значением.

Результаты субъективных оценок показали, что более высокие значения CF соответствуют более “резким” звукам. Целевое значение CF для GR Yaris составило 1,06.

3.4 Звук замедления: сценарий (3)

При управлении скоростью автомобиля перед входом в поворот водитель оценивает замедление на слух. Автомобили с более крутой и линейной зависимостью SPL от продольного ускорения были субъективно оценены как “более управляемые”. У GR Yaris осуществляется регулирование гармоник при замедлении, чтобы добиться более четкого звучания при торможении с линейным и большим градиентом SPL.

Кроме того, для создания звука, который хорошо отдавался бы в ухе при торможении, была использована простая организация гармоник, состоящая из простых гармоник сгорания.

3.5 Звук при ограничении оборотов: сценарий (4)

Ограничение оборотов — это максимальная скорость, на которой может вращаться двигатель. Выше этого ограничения двигатель защищается путем прекращения подачи топлива и уменьшения крутящего момента. В дополнение к обычным средствам определения момента достижения этого ограничения с помощью физических ощущений (например, ощущения ускорения) или визуально (например, взглянув на тахометр), водитель GR Yaris может также интуитивно ощутить приближение к ограничению на слух. На начальном этапе разработки было трудно определить, когда прототип автомобиля приближался к предельным оборотам. В результате многие водители упирались в ограничение во время тест-драйвов. Поэтому команда разработчиков стремилась создать звук, который, опираясь на скорость вращения двигателя, напрямую сообщал бы о приближении к предельным оборотам. Само ограничение оборотов создает характерный громкий гул, когда прекращается подача топлива. Этот звук был проанализирован: на предельных оборотах (красная линия) и непосредственно перед предельными оборотами (около 7000 об/мин: черная линия). Результаты выявили сильную модуляцию звука в диапазоне от 20 до 30 Гц, и особенно на частоте 27 Гц. Таким образом, ощущение приближения к предельным оборотам было реализовано путем увеличения частоты модуляции до 27 Гц в диапазоне оборотов двигателя от 6600 до 7200 об/мин (синие линии на рис).

3.6 Частотный баланс: сценарий (5)

В обычном спортивном автомобиле, к звуку двигателя часто добавляются гулкий шум, создаваемый трансмиссией и опорами двигателя, дорожный шум от шин, шум ветра и т.п., которые не подавляют так, как на обычных автомобилях, поскольку снижение веса является приоритетным. В GR Yaris для реализации информативной функции (т.е. для того, чтобы водитель мог мгновенно определять скорость вращения двигателя) были полностью устранены ненужные шумы, кроме тех, которые связаны с работой двигателя. Во-первых, в дополнение к защитным мерам, применяемым к двигателю и трансмиссии, автомобиль был оснащен системой активного шумоподавления (active noise cancelation = ANC)* для подавления гула и шума. Кроме того, шум ветра и другие высокочастотные помехи были снижены, чтобы не мешать вождению, за счет оптимизации формы кузова и легкой звукоизоляции в оптимальных местах. В результате был достигнут великолепный звуковой баланс, сочетающий характерные звуки спортивной езды с бесшумностью, сравнимой с работой обычного легкового автомобиля.

* ANC — это система, которая контролирует неприятный гулкий шум в салоне, используя противофазные частоты.

3.7 Управление громкостью: сценарии (2), (4) и (5)

Чтобы добиться хорошей модуляции звука в трех сценариях ускорения, разгона на пределе и охлаждения, разработчики уделили особое внимание громкости, а также частотному балансу звука. На рисунке ниже показана зависимость между скоростью вращения двигателя и SPL в GR Yaris. Для каждого сценария устанавливается свой SPL так, чтобы безошибочно распознать даже самые незначительные изменения скорости вращения двигателя; SPL увеличивается в соответствии с увеличением скорости вращения двигателя.

4. Проверка

На рисунке показаны результаты оценки, в которой приняли участие двадцать пять человек с многолетним опытом вождения спортивных автомобилей — люди наиболее близкие к целевым покупателям GR Yaris. Большинство заявило, что звук GR Yaris замечательно соответствует его ходовым качествам. Даже если используемый диапазон скорости вращения двигателя различались в зависимости от водителя, это говорит о том, что GR Yaris точно выполнял информативную функцию благодаря характерному тональному балансу, установленному для всего диапазона скоростей двигателя.

Следующий рисунок показывает оценки экспертов Toyota с использованием собственного индекса субъективной оценки компании. Целевые показатели были примерно достигнуты в пяти категориях, имеющих особое значение для GR Yaris: резкость, ровность, модуляция, легкость и прямота.(2)

Профессиональных гонщиков не из Toyota попросили протестировать GR Yaris и прокомментировать, насколько звук подходит для автомобиля, созданного для автоспорта. Ниже приведены два из этих комментариев.
— Звук очень приятный, а звук, сопровождающий переключение передач, облегчает согласование времени переключения передач и упрощает управление автомобилем.
— Я никогда раньше не слышал такого звука двигателя, он звучит очень хорошо. Этот звук заставляет меня хотеть сесть за руль.

5. Заключение

В ходе разработки был успешно создан звук, подходящий для GR Yaris как автомобиля, созданного для автоспорта. Звук, который обеспечивает отличную информативность и соответствует характеру автомобиля. Авторы хотели бы выразить искреннюю благодарность всем сотрудникам компаний-партнеров Toyota, которые принимали участие в разработке этого звука. Авторам также с удовольствие приглашают всех читателей Toyota Technical Review сесть за руль GR Yaris и самим насладиться его характерным звуком.

Ссылки

1. The Technical Information Institute Co., Ltd. Development and Evaluation of Products in Accordance with People’s Perceptions (in Japanese) (2012).
2. H. Tajima et al. “Engine Sound Designing for Hot Hatch.” Proceedings of the JSAE Annual Congress No. 20196155 (2019).

Авторы

Hisashi Tajima — Vehicle Engineering Development Div., Vehicle Development Center
Chie Fukuhara — Lexus Vehicle Evaluation and Engineering Div., Lexus International Company
Hideyuki Kasamatsu — Vehicle Engineering Development Div., Vehicle Development Center