Macchine da corsa - Test del Rumore degli Scarichi

Rimac FS Alpe Adria è un evento annuale di Formula Student che si tiene nel nord della Croazia. Le competizioni di Formula Student si svolgono ogni anno in più paesi ed in alcuni dei circuiti più iconici del mondo come Silverstone, Hockenheimring, Red Bull Ring e Circuit de Barcelona - Catalunya. Dal 26 al 29 Agosto il circus dei motori era sulla pista di karting St. Rauš a Novi Marof vicino alla città di Varaždin. 

Era giovedì mattina presto quando noi - il team Dewesoft - abbiamo impacchettato la nostra show car, una Ford Ranger, con l'attrezzatura tecnica e del materiale promozionale. Percorsi circa 140 km di macchina, da Trbovlje (Slovenia) siamo arrivati all'evento di FS Alpe Adria. Appena lì siamo subito rimasti sbalorditi dall'atmosfera: gli studenti erano tutti carichi di “pura ingegneria ed energia da corsa”.

Quest'anno a Novi Marof hanno preso parte alla competizione 37 squadre provenienti da 14 paesi. Centinaia di giovani e tanti gazebo. Ogni squadra aveva una gazebo, un posto dove preparare le proprie auto per le gare. Ed i  box erano pieni di striscioni e banner delle varie squadre. Tribune e paddok erano riservate a funzionari e spettatori; ispezioni, servizi meccanici o elettrici, stand gastronomici, ecc.

Lo sponsor principale dell'evento è la società croata RIMAC Automobili che produce hypercar elettriche e tecnologie associate come batterie o propulsori. Anche Dewesoft è sponsor dell'evento - e a Novi Marof non solo abbiamo eseguito i Test del rumore degli scarichi su tutte le auto da corsa, ma siamo stati anche selezionati per fare i check-up ed i Test finali su tutte le auto, prima della gara. 

Il Campionato Formula Student

La Formula Student (FS) è la più grande competizione di ingegneria al mondo. Ci sono oltre 500 squadre e più di 40 gare in tutto il mondo. L'organizzatore è solitamente un'Associazione Nazionale di Ingegneria con l'aiuto di alcuni dei più grandi nomi dell'industria automobilistica come Porsche, Daimler, Audi, Škoda e così via.

FS è un concorso di progettazione ingegneristica che promuove la “risoluzione intelligente dei problemi”. I team di studenti di tutto il mondo progettano, costruiscono e testano un prototipo di auto da corsa basato su una serie di regole create per garantire la sicurezza in pista. Durante gli eventi, i veicoli sono poi guidati dagli studenti stessi.

Prendendo parte al concorso, gli studenti acquisiscono preziose conoscenze ed esperienze trasformando la teoria in pratica, sviluppano le loro capacità ingegneristiche e di risoluzione dei problemi e imparano a lavorare insieme come una squadra. Tuttavia, la competizione riguarda anche il networking. Ogni evento è un'opportunità per condividere esperienze, incontrare persone e, magari, i potenziali datori di lavoro futuri.

La partecipazione alle gare

Tutti i team che vogliono prender parte alle gare della formula student devono passare le qualificazioni. Innanzitutto, c’è un quiz da passare. Questa prova si tiene in Febbraio mentre le gare si svolgono d'estate. Le domande del quiz, prese dal manuale “formula student”, riguardano sia problemi nel campo dell'ingegneria sia questioni di natura commerciale. Le squadre che ottengono i migliori risultati sono eleggibili per lo step successivo.

Si perché non è tutto! Infatti, per partecipare alla competizione, ogni squadra deve produrre un video (VSV) del proprio veicolo che percorre 30m, curvando di 180°, mentre viaggia ad almeno 10 km/h. Il video VSV deve essere inviato almeno 6-8 settimane prima di qualsiasi competizione FS.

Quando poi si avvicina il giorno della gara, ogni squadra deve sottoporsi a una serie di ispezioni e test meccanici prima di recarsi sui campi di allenamento. Ogni parte del veicolo ispezionata e trovata conforme viene "premiata" con un adesivo apposto sul muso del veicolo. Alla fine, quando si va in pista, sulla macchina devono esserci gli adesivi di tutte le parti ispezionate.

Ci sono 3 categorie principali di auto FS: veicoli a combustione (CV), veicoli elettrici (EV) e veicoli senza conducente (DV). La competizione si compone di varie discipline alcune statiche, altre dinamiche. Giudici, spesso rinomati esperti nelle rispettive aree dell'industria automobilistica, presenziano alle prove ed assegnano i punteggi. 

Le squadre si sfidano in più discipline. Ognuna di queste porta un certo numero di punti, per un totale di 1000 punti disponibili in ogni categoria di auto. Ovviamente, vince la squadra che raccoglie più punti!

Le discipline si suddividono in due differenti categorie: eventi statici ed eventi dinamici.

Eventi/Prove Statiche

Progettare un'auto FS richiede un approccio interdisciplinare e un lavoro di squadra. Oltre alle conoscenze tecniche, gli studenti devono possedere anche competenze economiche e sociali:

• Presentazione del piano aziendale (BPP)
  La BPP ha compito è valutare la capacità del team di sviluppare un modello di        business completo che sostenga e valorizzi il loro prodotto: un prototipo di auto da corsa. 

• Costi e produzione 
  L'obiettivo di questo evento è valutare, per ogni squadra, il processo di produzione e il costo associato alla costruzione di un'auto da corsa.

• Progettazione ingegneristicaIn questo evento i giudici - di solito ingegneri dell'industria automobilistica - valutano il processo ingegneristico, gli sforzi e le soluzioni implementate nella progettazione delle auto da corsa Formula Student.

Eventi/Prove Dinamiche

In questa parte della competizione, le squadre mettono in pista le loro "creature" per mostrare di che pasta sono fatte. Le vetture, nelle varie prove, vengono spinte al limite per valutare diverse caratteristiche quali:

• Skidpad
  La prova in cui le auto percorrono due cerchi che formano la figura “8”.

• Accelerazione
  La vettura deve andare il più veloce possibile in linea retta per 75m.

• Autocross
  L'Autocross è una sorta di qualifica per l'evento di resistenza. Si ha un solo giro a disposizione e viene preso il tempo sul giro. Si guida sulla stessa pista della prova endurance.

• Endurance - Resistenza
  L'obiettivo è percorrere la distanza di 22 km, in questo caso 22 giri, il più velocemente possibile.

• Efficienza
  Dal punto di vista dello spettacolo, l'Endurance è l'evento principale. In pista possono esserci fino a 4 macchine alla volta ed è qui che si palesano tutti i punti di forza e i difetti dei veicoli.

Accelerazione, velocità, maneggevolezza, dinamica, risparmio di carburante, efficienza, affidabilità e abilità di guida sono testate al limite. Al vincitore vengono assegnati 300 punti - il punteggio più alto ottenibile in una singola disciplina.

Ispezione Tecnica 

L'ispezione viene eseguita in vari passaggi consecutivi: se non  se ne supera uno, non si può proseguire con quelli successivi:

• Pre-Ispezione
  Qui ogni squadra viene controllata se ha i caschi corretti, l'equipaggiamento di sicurezza, gli estintori, le gomme da bagnato e da asciutto.

• Ispezione Meccanica
  I giudici controllano i veicoli pronti per la gara per verificare che siano costruiti rispettando le regole del campionato.

• Test di Inclinazione
  Il veicolo viene posizionato su un tavolo con un angolo di 60°. I tecnici controllano che non ci siano perdite di liquidi e verificano che tutte le ruote rimangano a contatto con la superficie del tavolo.

• Pesatura del Veicolo
  I veicoli, in condizione da gara, vengono pesati.

• Test del Rumore - Car exhaust Noise Test
  Qui le squadre accendono i veicoli per la prima volta. È lo step che ogni squadra deve passare per poter competere alla prova dinamica.

• Test dei Freni - Brake test
  Una squadra supera la prova dei freni se la sua vettura si ferma bloccando tutte e 4 le ruote alla fine della prova di accelerazione.

Dewesoft è stata invitata all'evento come sponsor, ma anche per fare i Noise Test ufficiali. Inoltre, visto che i membri del nostro team hanno partecipato alla Formula Student in passato, ci è stato anche affidato il compito di verificare le caratteristiche di sicurezza di tutte le auto. Il tutto in stretta conformità con il regolamento FS.

Durante la prova, i motori di tutte le auto vengono accesi per eseguire il Noise Test- prima di questo test i motori, da regolamento, non potevano essere avviati. Se il Noise Test viene completato con successo, si può proseguire con tutti gli altri controlli. Alla fine le caratteristiche strutturali e di sicurezza della vettura devono soddisfare a pieno i giudici.

Test del Rumore degli Scarichi

Le auto da corsa sono rumorose, molto rumorose, anche quelle FS. Il rumore delle vetture Formula Student può superare i 120dB(C). Il rumore fa parte del divertimento, ma il mantenerlo entro certi limiti è una priorità per tutte le parti coinvolte negli sport motoristici. Un rumore troppo forte è dannoso e può compromettere l'udito. Gli scienziati raccomandano non più di 15 minuti di esposizione non protetta a suoni di 100 decibel o superiori. 

Luka Pavlović, organizzatore del Rimac FS Alpe Adria 2021, afferma: “Uno degli elementi chiave durante le fasi delle verifiche tecniche dell'evento è il Noise Test. I veicoli a combustione, di norma, sono a bassa rumorosità, proprio come la tua auto. I team FS però, sempre alla ricerca delle massime prestazioni possibili dei loro motori, progettano gli scarichi per essere il più vicino possibile al limite”.

La pista di Karting di Novi Marof in Croazia è il luogo ideale di corse così rumorose. il posto in cui si trova è molto isolato, quindi il rumore non è un problema per i residenti locali. Le aree intorno alla pista non sono popolate né coperte da boschi o pascoli incontaminati - anche la fauna selvatica non ama molto il rumore. 

Tuttavia, resta la preoccupazione per le persone che lavorano dentro e intorno alla pista, per i partecipanti, i funzionari e gli spettatori. Per superare l'ispezione tecnica, tutte le auto con motore a combustione interna devono eseguire una procedura di misura del rumore dello scarico. Ecco perché le regole unificate della Formula Students stabiliscono che i livelli di rumore generati dalle auto a combustione devono essere entro certi limiti:

• CV 3.2 Livello sonoro massimo

• CV 3.2.1 La velocità massima di prova del livello sonoro per un dato motore sarà la velocità del motore che corrisponde a una velocità media del pistone di 15,25 m/s.

• CV 3.2.2 TLa velocità di prova del minimo per un dato motore dipenderà dal team e sarà determinata dalla sua velocità del minimo calibrata. Se il regime minimo varia, il veicolo verrà testato nell'intervallo di regime minimo determinato dal team. Al minimo, il livello sonoro massimo consentito è 103 dB(C).

Dai un'occhiata ai test del rumore di scarico delle auto da corsa Formula Student con Dewesoft a Novi Marof

Calcolo RPM

Il test è stato eseguito utilizzando un fonometro. Di solito, ogni squadra deve avere un display sul cruscotto o un computer collegato per mostrare l'RPM del motore durante il test. Il software Dewesoft X offre una varietà di funzionalità e gadget utili per questo test.

Una funzione utile, in questo caso, era il plugin  FFT analyzer che ci ha mostrato la prima - la più dominante - armonica della frequenza prodotta nel suono emesso dal processo di combustione all'interno del motore. Con un po' di “magia” nel modulo matematico, è possibile calcolare i giri del motore in base alla pressione sonora proveniente dallo scarico.

Per verificare gli RPM mostrati dal software di gestione del motore di ogni team, abbiamo creato una formula per rilevare i giri del motore direttamente dal segnale del microfono, senza bisogno di sensori aggiuntivi.

Abbiamo definito una semplice formula semplice all'interno della funzione software standard Dewesoft X (Dewesoft Math), che consente agli utenti di impostare l'analisi per le loro attività di misura. Innanzitutto, abbiamo utilizzato una funzione chiamata MAXPOS, che restituisce la posizione sull'asse x dell'ampiezza massima rilevata all'interno dell'intervallo di frequenza misurato. Come input per la funzione, abbiamo utilizzato gli spettri di analisi FFT dal microfono di misura. 

L'output della funzione è quindi la frequenza alla quale si verifica l'ampiezza massima. Poiché volevamo un output sotto forma di RPM anziché Hz, abbiamo moltiplicato per 60 per ottenere le unità desiderate. 

Poiché il numero di cilindri moltiplica proporzionalmente la posizione della prima armonica, è stato necessario correggere il numero variabile di cilindri: i motori utilizzati nelle auto da corsa sono diversi nel design, alcuni utilizzano un singolo cilindro e altri addirittura 4.

Il numero di cilindri è stato definito come input dell'utente, consentendoci di inserire, prima della misura, il valore corretto per ciascuna delle vetture testate. Poiché la Formula Student richiede che tutte le vetture utilizzino motori a 4 tempi, è stato anche necessario correggere il verificarsi del ciclo di scarico, che avviene una volta ogni due giri. Questo significa che la formula complessiva doveva essere moltiplicata per il fattore “2”.

In breve, la funzione Array MAXPOS restituisce l'ultima posizione del valore MAX che è stata utilizzata per ottenere l'esatta frequenza del motore rotante - la posizione sull’ FFT è la frequenza. Questa è stata divisa per il numero di cilindri, moltiplicata per due e convertita da Hz a RPM.

Poiché il test deve essere svolto sia al minimo che al massimo dei giri, abbiamo definito una formula per rendere automatica la determinazione del limite massimo di giri. Questo è stato calcolato e arrotondato a 500 RPM con l'aiuto della corsa del motore - definito in mm. Questo è stato definito come input dell'utente e inserito nel software per ogni squadra in base alla lunghezza della corsa che ci è stata fornita dai vari team.

Tale metodo di rilevamento ha i suoi limiti. Si basa sull'ipotesi che la prima armonica sarà sempre la più prominente nello spettro misurato. In alcuni casi, il design dello scarico presenta risonatori, sezioni di tubo di scarico cieche aggiunte al tubo principale per ridurre le vibrazioni. In tali casi, potrebbero esserci armoniche più alte con ampiezze più elevate, che si traducono in una lettura imprecisa della velocità del motore.

Comunque è opportuno sottolineare come il rilevamento dell'RPM non faceva parte integrante della procedura di verifica del rumore: era una parte facoltativa della misura. Lo abbiamo eseguito ritenendolo un metodo valido, specialmente in considerazione del raro verificarsi di letture errate. Sulla base dei feedback ricevuti dai membri dei team di gara, il mostrare i risultati durante la misura si è rivelata una funzione utile.

Setup del Test del Rumore

Il test del rumore viene eseguito come test statico: tutte le auto sono state portate al nostro stand. Avevamo montato la nostra tenda per avere un tetto che proteggesse l'attrezzatura dalle intemperie. Per le misure vere e proprie, non abbiamo avuto bisogno di una tenda. I risultati dei test del rumore possono essere fuorvianti se non si ha l’attenzione di evitare i riflessi che possono crearsi con l'ambiente circostante. Durante i nostri test, le uscite di scarico erano rivolte verso la tenda per ridurre al minimo la riflessione del suono.

Poiché l'uscita di scarico di qualsiasi auto è in una posizione univoca, il microfono deve essere impostato appositamente per rispettare le regole della FS: 

• IN 10.1.2  Il veicolo deve essere conforme a tutti i regimi del motore fino alla velocità massima di prova, cfr. CV 3.2.1.

• IN 10.1.4 Le misure saranno effettuate con un microfono a campo libero, posto libero da ostruzioni al livello dell'uscita di scarico, a 0,5 m dall'estremità dell'uscita di scarico, ad un angolo di 45° con l'uscita nel piano orizzontale.

Per le misure abbiamo utilizzato:

Hardware:

• Un SIRIUSi Dewesoft con amplificatore ACC,

• Un microfono IEPE G.R.A.S. 146AE - microfono robusto da mezzo pollice, con grado di protezione IP67 e TEDS, montato su un treppiede, in campo libero,

• Un calibratore multifunzionale 42AG, G.R.A.S. - calibrato presso un laboratorio di calibrazione acustica accreditato a livello internazionale, e

• Un computer laptop

Software:

• Il software DAQ DewesoftX RC2021.5

• I plugin Dewesoft:

  • Sound Level Meter

  • FFT Analyzer

  • Math module

La configurazione completa non seguiva solo le regole FS ma anche gli standard internazionali. La catena di misura - il sistema DAQ, il microfono e il software SLM utilizzato per l'analisi - è conforme ai requisiti IEC 61672 Classe 1. Il microfono era conforme allo standard 61094 per i microfoni di misura e il calibratore conforme alla IEC 60942 - e aveva un certificato di calibrazione valido a livello internazionale. Prima di ogni misura, il calibratore è stato utilizzato per garantire che la sensibilità del microfono fosse impostata con precisione  per le condizioni ambientali del momento.

Le Misure del Rumore

Abbiamo impostato il sistema di misura e messo il microfono su un treppiede regolabile: il misuratore di decibel era pronto. Le squadre hanno quindi portato le loro auto alla nostra stazione di test e hanno eseguito fatto riscaldare i motori. I veicoli devono essere conformi a tutti i regimi del motore fino alla velocità massima di prova. 

Poiché le auto sono diverse nel design, a volte è difficile posizionare il microfono nella posizione giusta. Questo deve trovarsi a 0,5 metri dall'uscita di scarico, con un angolo orizzontale di 45°.Tuttavia, l'angolo e la direzione delle prese di scarica variano e, in alcuni casi, è presente più di una presa: tutte devono essere testate separatamente e alla fine, quella che viene presa in considerazione è la lettura del rumore più elevata. Qualsiasi dispositivo di regolazione o strozzamento attivo sullo scarico deve essere conforme in tutte le posizioni. 

I team puntano a ottenere la massima potenza dal motore, questo significa che non vogliono "strozzare" troppo i motori. Le nostre misure hanno mostrato che alcune squadre sulla soglia o superavano il limite del livello di rumore consentito.

Per ridurre il livello di rumore, alcune squadre utilizzavano delle tecniche particolari. Una era il cosiddetto "dB killer" - un raccordo montato all'uscita di scarico che ne riduce il diametro facendo rimbalzare le onde di pressione del gas che così tornano nel tubo di scarico. Altre consistevano in una più semplice estensione del tubo di scarico volte a cambiare la direzione d'uscita di scarico dei gas.

Nel nostro caso la FS Rimac Alpe Adria è stata l'ultima gara della stagione 2021 e quasi tutte le squadre avevano già partecipato ad almeno una delle gare precedenti. Ecco perché praticamente tutti i livelli di rumore rientravano nei requisiti. 

Quando si tratta di valori di rumore misurati, si potrebbe pensare che una piccola differenza nei livelli di dB possa essere trascurabile e che sia sensato consentire una certa tolleranza anche oltre ai limiti prescritti. 

Ma in realtà, è importante seguire i limiti piuttosto rigorosamente - anche una differenza di appena 1dB di valore significa un grande aumento dei livelli di pressione sonora misurati. La scala dB è logaritmica e non lineare: se il livello di rumore supera il massimo richiesto da 110dB(C) a 111dB(C) non si è solo lo 0,91% più alti, ma l’aumento reale percepito è di circa il 10%.

Conclusioni

Siamo stati felici di trascorrere il fine settimana all'autodromo di Novi Marof. Ci siamo divertiti molto - e le prove di rumore al Rimac FS Alpe Adria 2021 sono state eseguite in stretta conformità con la procedura FS utilizzando l'attrezzatura adatta.

L'organizzatore Luka Pavlović:

Abbiamo chiesto alla Dewesoft di aiutarci con i test di misura sia perché sono conosciuti in tutto il mondo  sia per la loro esperienza nell'ingegneria del suono. Come pensavamo, hanno svolto il loro lavoro in modo perfetto e professionale, assicurandosi che tutto fosse secondo il regolamento ufficiale della Formula Student. Hanno anche aiutato alcune squadre dando loro alcuni consigli utili. Dopotutto questa è una competizione per studenti, si tratta di imparare e crescere.

La chiave del nostro successo è stata seguire la procedura. Tuttavia, i nostri test erano in qualche modo diversi da quelli condotti nel passato in questi eventi. Abbiamo introdotto un nuovo livello di obiettività visualizzando tutti i risultati di misura direttamente su un grande schermo, offrendo ai membri del team una visione immediata dei livelli di rumore misurati e della procedura di test.

Uno dei piloti del team UNI Maribor GPE, il capo tecnico Adam Grah, ha dichiarato: “Partecipo a questa competizione da oltre tre anni e ho partecipato a più di sei gare e devo dire che il test del rumore di quest'anno è stato il più obiettivo e il più impressionante che abbia mai visto, soprattutto perché abbiamo potuto vedere i valori direttamente dai monitor dei giudici stessi”.

Alla fine, abbiamo fornito a ciascuna squadra i dati misurati insieme al programma di installazione della nostra ultima versione del software su una chiavetta USB. I team possono ora fare ulteriori analisi dei dati acquisiti e ottenere informazioni vitali per lavorare su miglioramenti o modifiche del loro scarico e del design del motore.

Dewesoft supporta da alcuni anni le squadre corse FS slovene delle università di Lubiana e Maribor. Il leader del settore aerodinamico presso il team UNI Maribor GPE , Jakob Razdevšek, sulla nostra collaborazione ha detto: "Il nostro processo di sviluppo è stato reso molto più semplice utilizzando i sistemi di acquisizione dati Dewesoft".

L'evento di quest'anno in Croazia è stato un vero spasso! Tutti i nostri sensori e le apparecchiature sono conformi agli standard internazionali per la misura del suono. Le nostre misure si sono dimostrate accurate, ripetibili e molto utili. Un lavoro ben fatto!

Le squadre della Rimac FS Alpe Adria

Combustione

Elettrico