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TVK - Tor Vergata Karting - Progettazione di silenziatori per kart

Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Corso di Laurea e Dipartimento di Ingegneria Meccanica

 
 

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Progettazione di silenziatori per kart


TVK Ricerca Fluidodinamica


Il controllo delle emissioni acustiche prodotte dai veicoli da competizione riveste una particolare importanza. Infatti la diffusione degli sport motoristici ha portato ad un notevole incremento del numero degli impianti dedicati, spesso vicino a centri abitati o residenziali, dove la legge prevede il rispetto delle norme legate alle emissioni sonore. Anche il karting non è esente da queste considerazioni, e, specialmente alla luce dei nuovi regolamenti, è importante controllare e limitare le emissioni acustiche prodotte dai mezzi utilizzati.

Le misure effettuate sul campo di gara sono realizzate tramite l'impiego di fonometri di semplice utilizzo, che forniscono il livello sonoro prodotto dai singoli kart in sede di verifica. La procedura è riportata dettagliatamente nel Regolamento Tecnico Karting ed è illustrata nella figura successiva.


Procedura di misura delle emissioni acustiche prodotte dai kart (CIK)


Le accortezze da prendere nell'effettuare le misure acustiche sono di validità generale: altezza dal suolo, distanza del fonometro dallo scarico, presenza di oggetti riflettenti quali muri, persone, tettoie etc. In particolare è importante che sia rispettata la distanza del fonometro dalla sorgente. Infatti il regolamento prevede che la misura venga effettuata ad 1 m dallo scarico a 10'000 giri/minuto del motore. Dato che la più bassa frequenza prodotta dal kart è pari al numero di giri del motore, a 10'000 RPM corrispondono 10'000/60=166.7 Hz e dunque la lunghezza d'onda in aria è 345/166.7=2 metri. Questo significa che la misura è effettuata in campo vicino, dove piccole variazioni della posizione del fonometro comportano grandi differenze nel valore misurato.

Il rumore consiste di suoni a differenti frequenze su tutto lo spetto udibile. L'orecchio umano tuttavia non è sensibile allo stesso modo alle differenti frequenze. Questo significa che la soglia di udibilità è differente a seconda della frequenza del suono, così come una persona percepisce suoni di differenti frequenze, dello stesso livello sonoro, a volumi differenti. Questo comportamento è dovuto alla particolare struttura dell'orecchio umano, che realizza effetti di filtraggio e di amplificazione a seconda delle frequenze.
Dunque la misura di rumore effettuata dagli strumenti elettronici deve essere paragonata alla sensibilità umana. Allora si è pensato di prendere la curva di uguale udibilità a 40 dB e di utilizzarla, invertendola, per pesare le misure di rumore. Il risultato è quello che viene comunemente chiamato curva pesata A, e la scala di misura viene comunemente indicata come dBA. La curva di ponderazione A è quella più comune, ma esistono anche le curve pesate B e C che rispettivamente corrispondono alle curve di uguale udibilità rispettivamente a 70 e 100 dB. La ponderazione D segue una speciale curva che fornisce una particolare enfasi alle frequenze comprese tra 1 kHz e 10 kHz.
I moderni strumenti di misura hanno la possibilità di ponderare internamente la misura del suono, fornendo anche un'analisi in frequenza della misura, oltre che il valore medio della misura in dB.

In generale i suoni reali non sono mai composti da un'unica frequenza, ma sono il risultato della composizione di moltissimi suoni a frequenza diversa. Volendo analizzare le frequenze principali prodotte da un kart, bisogna utilizzare uno strumento più complesso, dotato di analizzatore di spettro. Una tipica risposta in frequenza di un kart a 10'000 RPM è riportata nella seguente figura, dove si può notare come i picchi di intensità si verifichino in corrispondenza di multipli della frequenza principale 166.7 Hz. Tali picchi sono identificati in figura come X1 (166.7 Hz), X2 (333.4 Hz) e X3 (500.1 Hz).


Spettro di frequenza tipico di un kart a 10'000 RPM


Si vuole sottolineare che il valore in dB riportato dal fonometro non è altro che una media dei valori alle diverse frequenze, su un dato arco di tempo. L'arco di tempo su cui viene effettuata tale media è determinato dalla modalità di misura fast o slow.

Una volta che si conosce lo spettro di emissione di un motore, è possibile eseguire la progettazione di un silenziatore che sia concepito per abbattere l'intensità acustica alle frequenze dove si verificano i picchi. Per tale scopo è possibile eseguire un'analisi semplificata, che prevede di utilizzare l'ipotesi acustica di trascurare il moto medio del gas e quindi di studiare le caratteristiche geometrico-acustiche dei diversi elementi che compongono il sistema di scarico. Sotto tale ipotesi non è necessario dunque eseguire una simulazione tridimensionale del campo di moto, in quanto si concentra l'attenzione sui fenomeni ondosi che si producono nel silenziatore.
E' disponibile un'ampia bibliografia sull'argomento che fornisce i coefficienti di perdita acustica TL (transimssion lost) per geometrie tipiche. Successivamente è possibile comporre e dimensionare diverse forme geometriche per soddisfare l'obbiettivo finale in termini acustici e calcolare il TL complessivo del silenziatore.


Rappresenzatione grafica del Transmission Lost (TL) in rosso e della curva caratterisitica di emissione di un kart dbA (in Decibel con curva di ponderazione A). Il grafico ha in ascissa la scala logaritmica delle frequenze ed in ordinata i Decibel


Raggiunto l'obbiettivo acustico può essere utile un'indagine fluidodinamica che invece tenga conto solo del moto medio del gas, al fine di valutare le temperature e le perdite di carico del silenziatore e quindi di stimare la diminuzione di prestazioni del motore. Ciò è stato ottenuto tramite una simulazione CFD dell'intero silenziatore.
Alla fine di questa fase è possibile effettuare delle modifiche per ottimizzare la fluidodinamica e reiterare la prima fase per controllare l'emissione acustica.


Indagine numerica del comportamento termo-fluidodinamico di un silenziatore di tipo reattivo. Dall'alto: discretizzazione, campo di temperatura e campo di moto


Infine è possibile procedere alla realizzazione del prototipo ed alle relative prove in pista per verificare l'efficacia del sistema sia in termini acustici che prestazionali.







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