Arabada Tek Cam Açılınca Kulakları Döven Uğultu Nereden Geliyor?

1964'te Detroit'teki SAE kongresinde Ford Motor Company'den iki mühendis, W. K. Bodger ile C. M. Jones, otomobil yolcularını rahatsız eden bir basıncı makaleye döktü.¹ En az bir camı açık giden otomobilde yolcu, kulağına binen zonklayan bir basınç hissediyordu. Bu basınç birçok hızda vardı ama belirli bir hızda keskin bir tepe yapıyordu. İkili otomobili hem hesapla hem deneyle inceledi ve kabinin bir Helmholtz rezonatörü gibi davrandığını, onu da açıklığın kenarında doğan bir "kenar tonu"nun beslediğini gösterdi.

Aradan altmış iki yıl geçti, ses yerinde duruyor. Ford Avustralya'nın aerodinamik ekibi 2023'te Ranger ve Everest modellerinde aynı uğultuyla uğraştığını anlattı ve frekansını yaklaşık 20 hertz olarak verdi.²

Dev bir şişe

Hermann von Helmholtz 1863'te yayımladığı Die Lehre von den Tonempfindungen (Ton Duyumları Öğretisi) kitabında, karmaşık bir sesin içindeki tek tek tonları ayırmak için içi boş küreler kullandı.³ İlk denemelerde elinin altındaki küresel cam kaplara bir cam boru takıp boruyu kulağına yerleştirmişti. Sonra Paris'teki çalgı yapımcısı Rudolph Koenig ona perdeleri ayarlanmış bir takım hazırladı. Her kürenin tek bir perdesi vardı. O ton odada çaldığında kürenin içindeki hava güçlü biçimde titreşiyor, kulağa bütün sesin içinden yalnızca o nota yükseliyordu. Kitabın ekindeki formüle göre perdeyi açıklığın genişliği ve kürenin hacmi belirliyor; hacim büyüdükçe ton pesleşiyor.³

Bir şişenin ağzına üflediğinde olan da bu. Boyundaki hava küçük bir piston gibi içeri dışarı gidip geliyor, içerideki hava ise bir yay gibi sıkışıp gevşiyor. Ford Avustralya'nın aerodinamik sorumlusu Neil Lewington'a göre otomobil çok büyük bir şişe, büyük şişenin tonu da çok kalın çıkıyor.² Yaklaşık 20 hertz, insan kulağının alt sınırına denk geliyor ve Lewington'ın deyişiyle bu sesi insan duymaktan çok hissediyor.

Kulağın alt sınırında 117 desibel

Uluslararası standart ISO 226'ya göre genç ve sağlıklı bir kulağın 20 hertzlik bir tonu fark edebilmesi için sesin en az 78,5 desibel olması gerekiyor.⁵ Kabinde ölçülen değerler bunun çok üstünde. Valensiya Politeknik Üniversitesi'nden Dunai ve ekibi bir BMW 530d'yi trafiksiz bir otoyolda saatte 60 ile 120 kilometre arasında sürdü. Sol arka cam tamamen açıkken, saatte 110 kilometrede, 20 hertz bandında 117,3 desibel kaydettiler.⁴ Bu, eşiğin 39 desibel üstü. Desibel ölçeği logaritmik olduğundan aradaki fark basınç cinsinden yaklaşık 87 kat ediyor.

Aynı otomobilde sağ ön cam tamamen açıldığında ise 0 ile 25 hertz arasında kayda değer bir dalgalanma çıkmadı.⁴

Şişeye üfleyen hava

Şişeyi öttüren üfleyen nefestir; otomobilde bu işi camın önünden akan hava görüyor. Hızla geçen dış hava ile kabinin durgun havası arasında ince bir kayma katmanı oluşuyor ve bu katman kararsız. Camın ön kenarında küçük girdaplar kopuyor, açıklığı boydan boya geçip arka kenara çarpıyor. Her çarpışma kabine bir basınç darbesi gönderiyor, darbe ön kenara dönüp bir sonraki girdabı tetikliyor. Bodger ile Jones'un kenar tonu dediği döngü bu.¹

Girdapların sıklığı hızla birlikte artıyor. Jilin Üniversitesi'nden Wang Qiliang ve ekibinin bir SUV üzerindeki simülasyonunda arka cam açıkken uğultu saatte 60 kilometrede 12 hertz, 100 kilometrede 14 hertz çıktı.⁶ Girdapların ritmi kabinin kendi perdesine yaklaştığında ikisi birbirine kilitleniyor ve uğultu en sert hâline ulaşıyor; o SUV'de bu nokta saatte 80 kilometreydi. 1964 makalesindeki tek hızda keskin tepe buradan geliyor. Aynı çalışmada ön camın uğultusu arka camınkinden 25 desibele kadar zayıf kaldı. Araştırmacılar bunu yan aynanın ve ön direğin ardında bıraktığı karışık havaya bağlıyor.⁶

Yeni otomobiller bu sese daha yatkın. Ford'un gürültü ve titreşim mühendisi Mark Thompson'a göre bugünün araçları hem daha sıkı yalıtılıyor hem de hava gövdeye daha yakın akıyor ve ikisi de uğultuyu kolaylaştırıyor.² Ford, Ranger'ın yan ayna kapağını simülasyon ve rüzgâr tünelinde yüzlerce saat süren denemelerle biçimlendirdiğini, açılır tavandaki küçük file rüzgârlığı da yalnızca bu sesi bastırmak için koyduğunu söylüyor. Camın üst kenarına takılan yağmur rüzgârlığı da benzer bir iş görüyor. Zhendong Yang ve ekibinin 2022 tarihli simülasyonunda rüzgârlık, ön direkten kopan girdapların yolunu değiştirdi ve sürücünün sol kulağındaki tepe değeri 118 desibelden 112 desibele indirdi.⁷

İkinci cam hangi köşeden?

Lewington'ın açıklaması kısa: ikinci açıklık, sıkışan havaya bir kaçış yolu veriyor ve kabin şişe gibi çalışmayı bırakıyor.² Bodger ile Jones da 1964'te üç çare saymıştı: kabinin doğal frekansını değiştirmek, girdapları azaltmak ya da titreşimi sönümlemek.¹

Hangi camın açıldığı sonucu değiştiriyor. Wang ve ekibi sol arka cam açıkken öteki camları sırayla açtı. Çapraz köşedeki sağ ön cam tepe uğultuyu 19,4 desibel düşürdü, aynı taraftaki sol ön cam 11,7 desibel. Sağ arka camın katkısı 1,1 desibelde kaldı.⁶

Bu sayılar tek bir SUV'nin bilgisayar modelinden geliyor, başka bir gövdede sıralama değişebilir. Ford'un tavsiyesi ise model ayırmıyor: şehir içi hızların üstünde ya iki cam birden açılacak ya da camlar kapatılıp klima çalıştırılacak.² Tek cam açmak gerekiyorsa aralığı küçük tutmak da işe yarıyor. Wang'ın ekibinin hesabında camı yüzde 25'ten yüzde 50'ye indirmek tepe uğultuyu 22,2 desibel artırdı, yarıdan sonuna kadar indirmek ise yalnızca 0,7 desibel ekledi.⁶

kafa1milyon

Meraklı bir kafa. Bilimsel makaleleri, arşiv belgelerini ve saha notlarını okuyup gündelik dile çeviriyor; bilinmeyeni bilinmiyor diye yazmaktan çekinmiyor.