Zvočna emisija motorja: analiza Schumacherja v Ferrariju F1

Na podlagi snemanja zvoka avtomobila lahko s pomočjo matematičnih orodij veliko izvemo o motorju in vožnji.

Zvok je tlačno valovanje, sestavljeno iz vrste različnih frekvenc, ki vsebujejo številne informacije o delovanju motorja oziroma gibanju vozila. Pogosto se predpostavi, da je najmočnejši izvor zvočne emisije premikajočega vozila konec izpušne cevi, ki vsebuje podatke o vrtilni hitrosti motorja oziroma odmične gredi. Glede na to se iz meritev in s primerno obdelavo podatkov da določiti hitrost vozila, pospeške, moč, navor, vrtilno hitrost, stanje motorja …

Snemanje zvočne emisije vozila, ki vozi s približno enakomerno hitrostjo mimo merilnega mesta ob stezi, se že dalj časa uporablja v moto športu. Na prvi pogled je snemanje zvoka ob cesti preprosto in razmeroma neopazno, saj je treba samo usmeriti mikrofon v ustrezno smer in posnete vrednosti shraniti v spominsko enoto. Prikaz tako dobljenega posnetka je na prvi pogled neurejeno nihanje v določenem času, to je v časovni domeni. Na prvi pogled kaotično nihanje predstavlja skupek frekvenc, ki se lahko razstavi s primernimi matematičnimi orodji, kot je na primer analiza FFT (Fast Fourier Transform), na posamezne sestavne dele – frekvence, kar je razvidno prikazano v frekvenčni domeni. V frekvenčni domeni se lahko določi osnovno frekvenco in nadaljnje harmonične frekvence, ki so zanimive pri analizi opazovanega motorja oziroma vozila.

Daljni spomin na fiziko pravi, da se poljubno periodično (ponavljajoče) nihanje lahko razstavi na vrsto sinusnih in/ali kosinusnih nihanj, katerih frekvence se od najmanjše frekvence razlikujejo za celoštevilčni faktor. Najmanjši frekvenci dobljenega spektra nihanja pravimo osnovna frekvenca, njenim celoštevilčnim mnogokratnikom pa višje harmonične frekvence.

Primer snemanja in obdelave signalov zvočne emisije je prikazan za stezo v Monaku, ki je označena na sliki. Pri tem je treba opomniti, da se v moto športu sveže novice zelo slabo prenašajo, zato so zanesljivi podatki po navadi nekoliko starejšega datuma.

Monako GP krožna proga za F1.

Vse ‘novosti’, ki pridejo na dan, so stare vsaj nekaj let oziroma se pojavijo, ko je konec neke dobe tehničnih predpisov. Tako je na primer Ferrari knjigo o uspelem modelu F1-2000 spravil za štiri leta v bunker, šele potem jo je avtor lahko objavil, saj govori, pa čeprav bolj bojazljivo, o tehniki dirkalnega vozila, ki ga je vozil Schumacher, podobno velja tudi za tukaj predstavljene podatke. Ko začnejo veljati novi tehnični predpisi, se lahko pričakuje več zanesljivih podrobnosti o ‘starem železju’, to je o motorjih in morda še kaj o aerodinamiki. Če pustimo te malenkosti ob strani, se na drugi sliki vidi, kako Schumacher preganja svojega konjička okoli Monaka. Nadalje sledi še slika, ki združuje obe predhodni z označenimi številkami oziroma značilni ‘vogali’ na stezi. Slika jasno kaže kje je Šumi pritisnil na plin in kdaj na zavoro, vmes pa je še malo prestavljal. Diagram na drugi sliki prikazuje spremembo vrtilne hitrosti motorja med vožnjo in kar je bistveno ob tem, časovni potek vožnje.

Vrtilna hitrost motorja (Ferrari F1-2000) na progi v Monaku z označenimi ovinki kot na prvi sliki.

Omenjeno je bilo, da se lahko s primernimi matematični orodji predstavi nihanje v drugem pogledu, to je v frekvenčni domeni kot kaže tretja slika. Na diagramu je prikazan spekter frekvenc, dobljenih iz meritev akustične emisije, kjer se lahko loči osnovna frekvenca in ostale harmonične, ki označeno s pokončno prekinjeno črto. Osnovna frekvenca je pri približno 150 Hz, številčno enak korak je tudi med posameznimi harmoničnimi frekvencami, končna harmonična frekvenca pa je pri 1.500 Hz. Osnovna frekvenca izvora hrupa na koncu izpušne cevi predstavlja vrtilno hitrost ročične gredi (motorja) to je pri približno pri 300 Hz ali 18.000 vrtljajih v minuti, deseta harmonična pa predstavlja frekvenco vžigov 10-valjnega motorja.

Zvočni spekter valovanja v določenem časovnem intervalu kjer je vidna osnovna frekvenca in ostale harmonične frekvence.

Predstavljen način meritev ob tekmovalni stezi je zelo dodelan tako, da ni mogoče prikrivati dejanskih lastnosti motorja in vozila. Edina slaba stran metode je, da pokaže rezultat, kako je tekm(oval)ec prišel do rezultata, pa žal (še?) ne.

Aci Bizjan

Slike: SAE PT-100

Foto:Ferrari