自動車産業における電気自動車（EV）へのシフトは、特に騒音、振動、きしみ（NVH）の分野に新たな課題をもたらしています。その中でも、路面から発生する低周波のブーミング騒音（特に 50Hz 以下）は、乗員の快適性に大きな影響を与える重要な課題として浮上しています。最近『Noise and Vibration Control』誌に掲載された研究は、電気 SUV に発生する特定の 31Hz のブーミング騒音のメカニズムを詳細に分析し、自動車メーカーの NVH 開発手法を転換させる可能性のある革新的な解決策を提示しています。
吉利汽車研究院（寧波）有限公司の黄応来、趙明斌、単喜楽が率いたこの研究は、定速走行時に前列で顕著な低周波ブーミングを示した 2 ボックス型のハッチバック電気 SUV を対象としています。この研究の特徴は、従来の車両のエンジン関連ブーミングに比べて注目が少なかった路面起因のブーミングに対する体系的な調査にあります。
問題：根強い 31Hz のブーミング
試験の結果、車両が悪路を時速 60km で定速走行する際、前列で 31Hz にピークを持つ明確な低周波騒音が観測され、その値は 45dB (A) に達することが判明しました。注目すべきは、後列は比較的影響を受けていなかったことで、この詳細は後に原因特定において決定的な役割を果たします。
初期評価により、タイヤに関連する問題は除外されました。EV のタイヤは、低転がり抵抗と負荷要件を満たすために、通常よりも硬く、幅広く、扁平率の低い設計が採用されていますが、これらの要因は路面騒音を悪化させる傾向があります。しかし、タイヤのモーダル解析により、タイヤの構造特性と 31Hz のピークとの相関は認められませんでした。トレッドからホイールセンターまでのタイヤ振動伝達関数の試験では、X 方向と Z 方向に 31Hz に対応するピークがないことが明らかになり、タイヤが主要な原因である可能性が排除されました。
振動経路の追跡：サスペンション力伝達率
次に調査は、路面起因の振動を車室に伝達する鍵となるサスペンションシステムに移りました。研究者たちは、サスペンションを介した振動伝達の効率を評価するために、サスペンション力伝達率の概念を重要な指標として導入しました。
リアサスペンションシステムの詳細なモデルを構築することで、チームはブッシュを介したホイールから車体への力の伝達を分析しました。このモデルは、ブッシュのサスペンション側と車体側の振動速度、およびブッシュに作用する力を考慮しています。この分析を通じて、サスペンション力伝達率に 31Hz で有意なピークが存在することが確認され、観測されたブーミング周波数と完全に一致していました。
リアサスペンションの追加モーダル試験では、RY（Y 軸周りの回転）自由度に 30Hz の剛体モードが発見されました。このモーダル周波数が 31Hz での高い力伝達率の主な原因であることが判明しました。チームの分析によると、モーターのリアマウントとサブフレームのリアブッシュの剛性がこの RY モーダル周波数に大きな影響を与えることが明らかになりました。
車体構造と音響 – 構造連成の役割
サスペンションシステムが振動伝達に重要な役割を果たしていますが、車体の振動に対する応答も同様に重要です。研究者たちは、車体の騒音伝達関数試験を実施し、サスペンションの各取り付け点を加振して車室内の発生騒音を測定しました。
その結果は驚くべきものでした。リアサブフレームの取り付け点は高い騒音伝達関数を示し、特に Z 方向に加振した場合、30-40Hz の範囲で 60dB に達する振幅が観測されました。これは、車体がリアサブフレーム取り付け点での Z 方向振動に過敏であり、車室内の騒音を増幅していることを示唆しています。
バックドアの振動と騒音伝達関数の詳細な分析では、30Hz 付近に明確なピークが確認され、バックドアのモーダル特性がブーミング問題と密接に関連していることが示唆されました。この発見をきっかけに、チームはバックドアと車室内音響空洞との複雑な相互作用（音響 – 構造連成として知られる現象）を探ることにしました。
音響 – 構造連成メカニズムの解明
研究者たちは、バックドアと車室内音響空洞の連成を分析するための理論モデルを開発しました。バックドアを x 方向に振動する剛体として扱い、他の境界を剛体境界と仮定することで、空洞内の音圧分布と粒子速度を支配する方程式を導き出しました。
その発見は重要な洞察を提供しました。31Hz のブーミングは、バックドアの 1 次モーダル周波数と音響空洞のインピーダンスが一致することに起因するものでした。バックドアの振動インピーダンスが空洞の音響インピーダンスと一致すると、共振が発生し、バックドアが剛体境界である場合には存在しない新たな固有振動数が生まれます。これにより、独特のバックドア設計を持つ 2 ボックス型車両がこの種のブーミングを特に起こしやすい理由が説明されます。
このモデルはまた、前後のブーミング知覚の差異を説明するのにも役立ちました。31Hz の場合、車室内の定在波パターンは、前列シートのヘッドレスト付近に音圧の腹が形成され、後列シートのヘッドレスト付近に節が形成されるため、前列でのブーミングが後列よりも明確に感じられるのです。
革新的な解決策：理論から実践へ
ブーミングのメカニズムを完全に理解した上で、研究チームは多面的な最適化戦略を提案しました：
- サスペンション剛体モードの調整：モーターのリアマウントとサブフレームのリアブッシュの剛性を高めることで、チームは RY モーダル周波数を 30Hz から 35Hz 以上に効果的にシフトさせました。この調整により、28-35Hz の範囲におけるサスペンション力伝達率が大幅に低下し、振動伝達の主経路が遮断されました。
- 車体モーダル制御：車体構造に対する的を絞った改良は、リアサブフレーム取り付け点での Z 方向振動に対する感度を低減することを目指しました。これには、車体の固有振動数を変更し、サスペンション起因の振動との共振を回避するための戦略的な補強が含まれています。
- バックドア拘束条件の最適化：チームはバックドアの左右のシールに特殊なホースを装着し、バックドアの緩衝ブロックの干渉量を増加させました。これらの措置により、バックドアの振幅が効果的に低減され、音響空洞の励振におけるバックドアの役割が最小限に抑えられました。
これらの最適化の結果は驚くべきものでした。31Hz のブーミングは 45dB (A) から 35dB (A) まで低減され、路面騒音の総音圧レベルは 65.5dB (A) から 63.7dB (A) まで低下しました。主観的評価では、不快なブーミング感が解消されたことが確認され、乗員の快適性が大幅に向上しました。
電気自動車の NVH 開発に及ぼす広範な影響
この研究成果は、電気自動車の普及率が高まる中、自動車産業に広範な影響を与えるものです。従来の内燃機関車とは異なり、電気自動車はエンジン騒音によるマスキング効果がないため、NVH 問題（特に低周波騒音）が乗員により感知されやすくなります。
この研究は、個々の部品だけでなくそれらの相互作用も考慮する全体的なアプローチが NVH 開発において重要であることを強調しています。サスペンション力伝達率を主要指標として導入することで、自動車メーカーにサスペンションシステムを評価・最適化するための新しいツールが提供されます。同様に、バックドアと音響空洞の連成に関する詳細な分析は、電気自動車市場で人気が高まっている 2 ボックス型車両の設計に貴重な知見を提供しています。
さらに、この研究は、従来エンジン関連のブーミングに焦点を当てていた既存の文献における重要なギャップを埋めています。電気自動車の存在感が高まるにつれ、路面騒音の重要性はますます増していき、この研究は時宜を得た意義深いものとなっています。
実践的意義と今後の発展
チームが提案した解決策は、理論的に基盤があるだけでなく、実装が実行可能であるという点でも自動車メーカーにとって重要です。マウントとブッシュの剛性調整、およびバックドアの拘束条件の最適化は、根本的な設計変更を必要とせず、既存の生産工程に統合することができます。
今後の研究は、これらの結果を基に、他の車種での同様のブーミング問題を調査する可能性があります。特に、モードと連成メカニズムの調整は、電気自動車のニーズに特化した新しい NVH 最適化戦略の開発のモデルとして役立つ可能性があります。
さらに、音響 – 構造連成解析のための有限要素法（FEM）などの高度なシミュレーションツールの統合により、NVH 開発の効率がさらに向上する可能性があります。シミュレーションと実験的検証を組み合わせることで、メーカーは開発の初期段階ですでにブーミング問題を特定して解決することができ、時間とコストを節約することができます。
結論
電気 SUV における 31Hz のブーミングの効果的な低減は、体系的な工学分析と革新的な問題解決の力を示しています。理論的モデリング、実践的な試験、最適化を組み合わせることで、吉利汽車研究院のチームは特定の NVH 問題を解決しただけでなく、自動車工学のより広い分野に貴重な洞察を提供しました。
業界が電気自動車の性能と快適性の限界を押し広げ続ける中、このような研究は、電気自動車が静粛で快適なドライビング体験に関する消費者の期待を満たし、さらに超えることを保証する上で極めて重要な役割を果たすでしょう。
黄応来、趙明斌、単喜楽は、中国浙江省寧波市にある吉利汽車研究院（寧波）