رمزگشایی از یک نوای دلنشین؛ چرا یک موتور 6 سیلندر تخت، صدایی متفاوت با موتور V6 دارد؟

جدا از توان خروجی، محل قرار گیری موتور و سلیقه شخصی، چه چیزی پورشه 911 را با تویوتا آوالونِ V6 متفاوت می کند؟ وقتی پدال گاز را تا به انتها فشار دهیم، تفاوت واقعی آشکار می شود. آوالون صدایی خفیف و معمولی دارد، اما 911 ندایی خشونت آمیز را فریاد می زند. تفاوت از کجاست؟ دقیقا چه اتفاقی می افتد که همین 6 سیلندر با آرایش های مختلف، دو جنس صدایی کاملا متفاوتی را ایجاد می کنند؟

لازم است یک اصل بدیهی را یادآوری کنیم. تصور کنید بر روی یک خودرو پراید، منبع اگزوز HKS ببندیم. این انباره خروجی، ایجاد صدا نمی کند. بلکه به مثابه یک بلندگو، صدای موتور را با لحجه مخصوص به خودش چندین برابر بلندتر می کند. حال اگر این منبع به عنوان مثال Remus باشد، باز هم، همین اتفاق اینبار با امضای ریموس انجام می شود که در این شرایط خاص شاید صدای کمی بم تر یا زیر تر ایجاد کند، اما در هر صورت صدای مادر که از موتور می آید وبرایمان اهمیت دارد همان صدای پراید است که بود.

به عبارت دیگر، صدای پراید برای همیشه صدای پراید می ماند. و کل توانمان برای ایجاد تغییر (بدون دستکاری موتور) در افزایش میزان بم بودن و حجم صدا خلاصه می شود.

اما قبل از اینکه سوال اصلی را پاسخ دهیم، همچنین لازم است کمی در مورد عامل ایجاد صوت پرداخته شود. صدا فرمی از انرژی است که از تحرک ذرات به وجود میاید و توسط ارتعاشات ذره منتقل می شود. صدا بر خلاف امواج دیگر مانند نور و گرما فقط در محیطی نشر میابد که ماده وجود داشته باشد. اما آنچه برایمان در این بحث اهمیت دارد مفهوم فرکانس است. به تعداد تغییرات فشار هوا در یک ثانیه و در یک نقطه ثابت، بسامد یا فرکانس گویند که واحد آن هرتز است، به عنوان مثال یک فرکانس 50 هرتزی به معنی ارتعاشی است که در یک ثانیه دقیقا 50 بار عمل رفت و برگشت را انجام می دهد.

مسئله قابل توجه این است که هر بسامد مشخص، صدای مخصوص به خود را ایجاد می کند. به عبارت دیگر، تمام موسیقی و اصوات مختلف، توسط مشخصه اصلی آنها یعنی فرکانس مشخص و دقیق خود، از باقی تمیز داده می شوند.

موتور هر خودرویی، تحت بارگذاری ها ، شرایط و دور موتورهای مختلف، طیف وسیعی از فرکانس های مذکور را تولید می کند. اما مسئله قابل توجه در این قسمت است که این مجموعه بسامد ها، در بازه و محدوده ی مشخص و منحصر به همان موتور خودرو قرار می گیرد.

اکنون بحث را کمی تخصصی تر می کنیم و به درون موتور می رویم. ارتعاشات صوتی از  کل فرایند مکش، تراکم، احتراق و تخلیه درون تک تک سیلندر ها ناشی می شود و تاثیر مستقیم با حرکت دورانی تولیدی موتور و سرعت و گشتاور آن دارند. اصطلاحا Pitch صدا (میزان بم یا زیر بودن) به سرعت چرخشی وابسته است. محاسبه ی فرکانس غالب که در بالا اشاره کردیم نیز با میزان دور، ساده به نظر می رسد. کافی است در فرمول زیر قرار دهیم:

هر 60 دور در دقیقه (RPM) = یک دور در ثانیه. که اکنون به خوبی می دانید که به معنی همان یک هرتز است. با این حساب به عنوان مثال یک موتور V6 در 1800 دور در دقیقه درگیر فرکانس 30 هرتزی است. (1800/60=30) اما داستان تمام نشده.

به این دلیل که (جمله پیشِرو را با دقت بیشتری بخوانید) در فرایند احتراق یک موتور چهار زمانه، موتور، هر سیلندر را یک بار، در دو چرخش کامل میل لنگ، آتش می زند، به این نتیجه می رسیم که عملا، آنچه برای ما اهمیت پیدا می کند،  نیمی از موتور است. اکنون در ادامه محاسباتمان در مثال موتور V6، عدد 30 هرتز که بدست آوردیم را باید سه برابر کنیم. ( نیمی از موتور V6، یعنی 3 سیلندر. با این اوصاف به عدد 90 می رسیم). به همین طریق، موتور اگر V8 و یا V10 بود، به ترتیب ارزش بسامد 4 و 5 برابر خواهد شد. اکنون می توان نتیجه گرفت که با فشردن پدال گاز و کم و زیاد کردن دور موتور، فرکانس صدا با ضریب 3 بالا و پایین می شود.

در محاسبات فوق هر اتفاقی که برای موتور V6 افتاد (می توانید آن را موتور تویوتا آوالون مذکور تصور کنید) برای موتور تخت پورشه هم می افتد. مشکل اینجاست که همچنان پورشه صدای متفاوتی دارد!

برای پاسخ به سوال اصلی، صدای انفجار درون یک لوله را تصور کنید. این صدا فقط به مواد منفجره درونش بستگی دارد؟ خیر. بیشتر از حجم، جنس و زمان بندی مواد منفجره، در تولید جنس صدای مورد نظر، لوله احاطه کننده آن می تواند موثر باشد. شکل، طول، عرض، انحنا، و هر تغییر ظاهری ای که بتوانید تصور کنید در سیلندر ها و موتور، تاثیر مستقیم در صدای خروجی دارد. و اگر رسیدن به نتیجه مطلوب تنها با انتخاب آرایش و تعداد سیلندر ها ممکن بود، تعداد کثیری از خودروها ارزش مهندسی خود را از دست می دادند.

با این اوصاف اگر بخواهیم محدوده مشخصی برای صدای 911 تعریف کنیم، باید گفت با مهندسی صدای اعمال شده، این خودرو آلمانی جدا از مسئله جنس و تُن صدای مخصوص به خودش، در محدوده 3.5 برابری فرکانس تولیدی احتراق موتور، ایجاد صوت می کند.

اگر بخواهیم تعدادی از اقدامات ریزی که بسیار در صدای خروجی موثرند، را مطرح کنیم، اول از همه باید به فیلتر ها و عایق کاری بپردازیم. منظور عایق کاری جزئی صداست نه حجم کلی آن. بخش زیادی از فرکانس ها ممکن است خلاف میل سازنده خودرو باشند، با طراحی مناسب و دقیق می توان آن فرکانس ها را کاهش و اصوات با فرکانس های مورد نظر را تقویت کرد.(مهندسی ارتعاشات و نویز یا NHV).  این عمل تا حدود زیادی در مانیفولد دود و مهم تر از آن در اگزوز انجام می شود.

آنچه شما به عنوان صدای خروجی می شنوید ماحصل صدها عامل و شرط مانند پوسته، انحنا ها، ورقه های خارجی تجهیزات موتور، بوشینگ، جنس، قطر و ضخامت تک تک اجزا، فرم طراحی شده اگزوز و نظیر آن هاست. به قول مت ماندر مهندس صدای ریکاردو: هر سیلندر موتور فقط یک بنگ می گوید! ترتیب و چیدمان آن ها، شکل سیلندر و ساختار آن و در انتها مانیفولد خروجی که تا انتها آن را کنترل می کند، به مثابه یک DJ، موسیقی مورد نظر را از آن بنگ می سازد.

نعره یا جیغ؟

به عنوان آخرین مثال، دو موتور پر سر و صدای فراری 458 و شورولت کروت که هر دو V8 هستند را در نظر بگیرید. نگاهی دقیق تر، عامل تفاوتِ صدای این دو سوپرکار را مشخص می کند. در فِراری، شفت میل لنگ 180 درجه ای (تخت) در صدای بمی که از موتور خورجینی بلند می شود، ایجاد انفجار های تیز تر می کند، که به زبان ساده، 458 در دور موتور های بالا جیغ می کشد.

این نکته نشان از فرکانس های بالاتر آن دارد. فقط به دلیل میل لنگ؟ نخیر. چرا که تغییر در میل لنگ آرایش احتراق و زمان بندی را تغییر می دهد. در طرف مقابل، موتور کروت و یا موستانگ و نظیر آنها، با شفت 90 درجه، و مدل احتراقی که این نوع میل لنگ ایجاب می کند، صدای منظم تر و سنگین تر (بم و با فرکانس پایین) از خود ساطع می کنند. که هر کدام سلیقه مخصوص به خود را جذب خواهند کرد.

در هر صورت همانطور که پیش تر نیز مطرح کردیم، عوامل موثر در تولید صدا بسیار زیادند که به چند مورد به عنوان نمونه پرداخته شد.

رنگِ باد ها

به لطف مطالعات Noise, Vibration and Harshness یا همان NVH که در بالا پرداخته شد، با استفاده از تبدیل سریع فوریه به نمودار زیر که در دستگاه کارتزین رسم شده می رسیم که بررسی آن خالی از لطف نیست. در راستای محور افقی زمان را بر حسب ثانیه داریم و در راستای عمودی فرکانس ها با واحد هرتز نمودار شده اند.

این شکل که از فرکانس های خروجی موتور در دنده های مختلف گرفته شده است، مهمترین چیزی که در اختیارمان می گذارد ارتباط کلی بین حجم صدا و فرکانس های تولیدی ارتعاشات صوتی موتور است. که همانطور که مشاهده می کنید لزوما ارتباط مستقیم ندارد. (گرم تر شدن رنگ ها به معنی بیشتر شدن حجم صداست و محدوده ی نارنجی و بخصوص خطوط نازک زرد رنگ بیشترین حجم صدا را نشان می دهند.)

آیا می توان با شش سیلندر صدای یک موتور V8 تولید کرد؟

پاسخ مثبت است. اما نه با بچه بازی هایی که ب ام و اخیرا به آن روی آورده است. (مانند BMW i8 که صدای مورد نظرِ موتور، شبیه سازی، و در کابین با اسپیکر پخش می شود! شاید فکر کنید حداقل برای i8 بیشتر شبیه به یک شوخی است، اما ماجرا کاملا صحت دارد) بلکه منظور صدای موتور است. پس از مطالب گفته شده، اکنون خودتان بهتر می دانید که آنچه احتیاج داریم که با شش سیلندر به صدای موتور V8 برسیم حداقل روی کاغذ بسیار آسان است.

دور موتور را در 1800 دور در دقیقه قرار می دهیم و تلاش می کنیم به فرکانس 120 هرتز برسیم! چگونه؟ آن را به مهندسی صدای پورشه و بنز می سپاریم و صحنه را ترک می کنیم! همانطور که می دانید به شکل عادی یک موتور 6 سیلندر فرکانس پایه 90 هرتزی دارد. تقویت صدا بدین شکل، ممکن است برای عده کثیری امری بیهوده و یک نوع تابو باشد، اما باید بدانید که این عمل بین خودروسازان بسیار محبوب بوده و هر روزی که می گذرد مهندسی صدا جایگاه پررنگ تری پیدا می کند.

چندی پیش خبری از دیجیاتو تحت عنوان خداحافظی بنز با ساخت موتور های V12  شنیدید که احتمالا در آینده نزدیک اخباری این چنینی از سایر خودروسازان را نیز بیشتر خواهید شنید. وقتی می توان با تعداد سیلندر های کم تر و موتوری سبک تر و با کمک گرفتن از توربوشارژر و یا موتور های الکتریکی به همان توان و گشتاور رسید و مسئله صدا و حسِ القایی موتور را به لطف یک مهندسی صدای حرفه ای حل کرد، چرا اصرار به حجم و وزن و هزینه بیشتر؟