Что отличает оппозитную шестерку Porsche от Toyota Avalon V-6, помимо угла крена, выходной мощности, расположения двигателя и вашей заинтересованности в его обладании? На полном газу Porsche издает агрессивный механический скрежет, а Avalon бормочет не угрожающее бормотание. Как два шестицилиндровых двигателя могут звучать так по-разному?
Прежде чем мы ответим на этот вопрос, коротко о звуке: он возникает в результате вибраций, вызывающих колебания давления воздуха, которые ударяют по нашим барабанным перепонкам. Частота, или Герц (Гц), звуковой волны — сколько раз волна колеблется в секунду — определяет, как наш мозг обрабатывает и интерпретирует ее как определенную высоту звука. Чем выше частота, тем выше высота тона, и наоборот. Двигатель автомобиля под нагрузкой воспроизводит диапазон частот, но его основная нота — высота тона, на которой построен музыкальный аккорд, — определяется его так называемой доминирующей частотой.
Эти звуковые вибрации возникают в результате сгорания в каждом цилиндре и соответствующих волн давления во впускной и выпускной системах. Все они привязаны к скорости вращения двигателя; по мере того, как обороты растут и падают, высота звука увеличивается и уменьшается.
Вычислить эту доминирующую частоту при любых заданных оборотах несложно. Во-первых, вы конвертируете обороты двигателя в герц, единицу измерения частоты, по следующей формуле: 60 об/мин = 1 оборот в секунду или 1 Гц. Таким образом, можно сказать, что двигатель V-6, вращающийся со скоростью 1800 об/мин, работает с частотой 30 Гц (1800/60 = 30).
Но поскольку четырехтактный двигатель запускает каждый цилиндр только один раз за два оборота коленчатого вала, мы беспокоимся только о половине цилиндров двигателя. Умножьте наше значение 30 Гц на три (количество воспламенений на один оборот коленчатого вала для шестицилиндрового двигателя), и вы получите доминирующую частоту 90 Гц, которая определяет звук шестицилиндрового двигателя при 1800 об/мин. По мере увеличения оборотов двигателя пропорционально увеличивается частота стрельбы.
В шестицилиндровом двигателе его также называют «третьим порядком двигателя», потому что частота вращения в три раза превышает частоту вращения двигателя. В восьмицилиндровом двигателе частота воспламенения соответствует четвертому порядку двигателя; в V-10 это пятое.
Но эта частота третьего порядка является лишь одним из компонентов тембра шестицилиндрового двигателя, что является причудливым термином для его отличительного звукового характера. Даже если оппозитная шестерка генерирует ту же доминирующую частоту третьего порядка, что и V-6, наш Porsche и наша Toyota могут звучать очень по-разному. Общий тембр двигателя зависит от тысяч переменных, поскольку частота срабатывания вызывает дополнительные вибрации в конструкции и сантехнике. Большинство хриплых, агрессивно звучащих автомобилей имеют очень высокие половинные порядки, например, в 2.5 и 3.5 раза выше частоты срабатывания. Они производят рычание, желательное для спортивного автомобиля. Обычно они регулируются настройкой выхлопа. Относительная громкость высших порядков определяет разные тембры этих двух двигателей. Это высоты тона, которые строятся на основной ноте, чтобы создать характерный аккорд двигателя.
Какие вспомогательные частоты разрешено петь, а какие приглушены, зависит от инженера по шуму, вибрации и жесткости (NVH). Глушитель выхлопа гасит некоторые неприятные частоты, которые в противном случае могли бы резонировать в салоне при определенной нагрузке и оборотах. Звук каждого двигателя является продуктом целого ряда втулок, диаметров труб и сотен кусков листового металла различной толщины, а также конструктивных факторов, таких как схема выхлопа, изоляция и корпус.
«Каждый цилиндр производит удар, а форма двигателя, порядок зажигания и расположение [выпускного] коллектора определяют то, как удары смешиваются друг с другом», — говорит Мэтт Маундер, специалист по шуму и вибрации трансмиссии в Ricardo.
Представьте себе два громких и гордых восьмицилиндровых двигателя, которые звучат совершенно по-разному. Порядок работы плоского (458-градусного) кривошипа V-180 Ferrari 8 Italia чередуется между рядами цилиндров, создавая шелковистый, звонкий звук. Напротив, малоблочный V-8 Chevy Corvette издает неровное бормотание из-за его поперечного (90-градусного) кривошипа и порядка запуска, который создает неравномерно расположенные импульсы от каждого ряда цилиндров.
Так почему же звук Toyota V-6 отличается от звука оппозитной шестерки Porsche? По той же причине, по которой никто никогда не ходит в Метрополитен, чтобы послушать Mötley Crüe.
Цвета ветра
Эти графики быстрого преобразования Фурье (БПФ), созданные для нас экспертами NVH из Sound Answers, показывают частоты, записанные в выхлопных трубах соответствующего автомобиля во время прохождения передач. Цвет указывает громкость в децибелах (желтый — самый громкий, что указывает на доминирующие частоты), а вертикальная ось показывает частоты (более высокая частота создает более высокий тон).
Как сделать так, чтобы шесть звучало как восемь
Электронное улучшение звука, также известное как то, что вы действительно ненавидите в новейших автомобилях BMW M, использует динамики в салоне или электромагнитный шейкер, прикрепленный к противопожарной стене, для создания собственной звуковой дорожки внутреннего сгорания. Зная только обороты двигателя и нагрузку, можно полностью изменить воспринимаемый тембр двигателя. Если вы хотите, чтобы шестицилиндровый двигатель звучал как V-8, при 1800 об/мин вы генерируете 120 Гц и кратные этой частоте четвертого порядка, а не естественную частоту шестицилиндрового двигателя третьего порядка 90 Гц. Искусственное улучшение может быть табу среди пуристов, но оно становится все более популярным среди автопроизводителей, потому что оно дешевое, эффективное и добавляет минимальный вес.
Что касается федералов, то легковые автомобили и малотоннажные грузовики могут быть настолько громкими, насколько осмеливаются их производить автопроизводители. Тем не менее, инженеры рассматривают нормы шума, установленные различными штатами, округами и городами, как национальные рекомендации по упрощению производства и логистики продаж. Пределы громкости составляют от 80 до 96 дБА, а иногда и выше в зависимости от местности и типа транспортного средства. Процедура испытаний определяется стандартом SAE J986, который требует, чтобы автомобиль разгонялся на полном газу с начальной скорости 30 миль в час на второй или третьей передаче до красной зоны.
