DE19748839C1 - Verfahren zur Geräuschanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geräuschanalyse eines von einer ausgedehnten Schallquelle abgestrahlten Geräusches mittels wenigstens eines Luftschallaufnehmers, vorzugsweise mittels eines Kunstkopfmikrofons.

Aus der DE 195 34 471 A1 geht ein Meßverfahren zur Beurteilung eines Klangbildes von Lautsprechern in einer Stereoanordnung hervor.

Die Beurteilung des Klangbildes von Lautsprechern in der Stereoanordnung erfolgt hierbei durch Erzeugen einer synthetischen oder natürlichen Stereo-Testsignalfolge mit einer Zweikanal-Signalquelle, durch Wiedergabe der Testsignalfolge über zwei mit Abstand voneinander angeordneten Lautsprechern, durch Bestimmen des elektrischen Kohärenzgrades durch Kreuzkorrelation zwi­ schen den beiden Kanälen der Testsignalfolge als Zeitfunktion, durch Messen der emittierten Test­ signalfolge als Zeitfunktion, durch Messen der emittierten Schalldruckamplituden beider Lautsprecher in einem mit Abstand von beiden Lautsprechern angeordneten Kunstkopf mit zwei Meßkanälen als Funktion der Zeit, durch Bestimmen des akustischen Kohärenzgrades durch Kreuzkorrelation zwischen den beiden Meßkanälen des Kunstkopfes als Zeitfunktion, und durch Bilden einer Korrelation zwischen dem Kohärenzverlauf des elektrischen und des akustischen Kohärenzgrades als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung der Testsignal­ folge durch die Lautsprecher.

Dieses Meßverfahren läßt die Analyse von Körper­ schallsignalen von beispielsweise im Schallaus­ breitungsweg angeordneten Gegenständen und dgl. außer acht.

Aus der DE 41 34 130 C2 geht eine Vorrichtung zur Erzeugung von beliebig ausbalancierbaren Schallfeldern mit wenigstens zwei Lautsprechern hervor.

Diese Vorrichtung ist versehen mit einer Schall­ signalquelle, die Basisschallsignale von zwei Kanälen, eines rechten und eines linken Kanals, ausgibt, einer Einrichtung zum Korrigieren wenigstens entweder der Phase oder des Pegels der Basisschallsignale des rechten und des linken Kanals und zum Ausgeben derselben, einer Einrichtung zur rechnerischen Bearbeitung der von der Schallsignalquelle ausgegebenen Basisschallsignale des rechten und des linken Kanals, um effektiv Schallsignale des rechten und des linken Kanals zu erzeugen, und einer Einrichtung zum Korrigieren wenigstens entweder der Phase oder des Pegels der Effektivschallsignale des rechten und des linken Kanals und zum Ausgeben derselben, wobei die Ausgangssignale des rechten und des linken Kanals von der Basisschall-Korrektureinrichtung und die entsprechenden Ausgangssignale des rechten und des linken Kanals von der Effektivschall-Korrektureinrichtung einerseits für den rechten und andererseits für den linken Kanal zueinander addiert werden und das jeweilige Ergebnis der Addition einem gemeinsamen Lautsprecher pro Kanal ausgegeben wird.

Diese Vorrichtung ermöglicht ebenfalls nicht die Aufnahme und Verarbeitung von Körperschallsignalen.

Zur Geräuschanalyse hat sich im Laufe der letzten Jahre insbesondere in der Automobilindustrie die Kunstkopfmeß­ technik als besonders geeignetes Verfahren bewährt. Zusammen mit entsprechenden Analyse- und Darstellungs­ möglichkeiten ermöglicht sie, akustische Zustände sowohl gehörgerecht als auch auswertetechnisch zu bearbeiten.

Um jedoch Aussagen über ein störendes Geräuschereignis zu erhalten, ist es nicht ausreichend, die Schalldruckpegel mit einem Einzelmikrofon zu messen. Selbst bei tiefen Frequenzen zeigen sich zwischen zwei Meßorten in geringem Abstand oft deutliche Pegelunterschiede. Für eine als subjektiv empfundene Lästigkeit ist dabei oftmals nicht nur die Pegelhöhe am jeweiligen Meßort, sondern auch Pegel- und Phasendifferenzen zwischen rechtem und linkem Ohr oder bei Kunstkopfmeßsystemen zwischen rechter und linker Ohrnachbildung ausschlaggebend.

Neben den Luftschallsignalen sind in praktisch allen Fällen die Ursache störender Innengeräusche auch Körper­ schallsignale, die beispielsweise von im Ausbreitungsweg angeordneten Karosseriebauteilen, wie z. B. einer Schott­ wand oder dgl. oder auch durch Körperschalleinleitungen, beispielsweise über die Motorlager und andere Verbin­ dungselemente, hervorgerufen werden.

Die reinen Luftschallanregungswege können daher erst nach Untersuchung der Körperschallübertragung erfolgver­ sprechend untersucht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzu­ bilden, daß nicht nur die Luftschallanregungswege, sondern auch die Körperschallanregungswege untersucht werden können, und daß diese insbesondere in Zusammenhang zueinander gebracht werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Geräusch­ analyse eines von einer ausgedehnten Schallquelle abgestrahlten Geräusches der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß man für vorgebbare Frequenzbereiche eines Schallereignisses zusätzlich zu den von dem wenigstens einen Luftschallaufnehmer erfaßten, von der Schallquelle abgestrahlten Luftschallsignalen zusätzlich durch wenigstens einen Körperschallaufnehmer die von der Schallquelle abgestrahlten Körperschallsignale erfaßt und eine Kreuzkorrelation zwischen den Luftschallsignalen und den Körperschallsignalen durchführt.

Durch die zusätzliche Erfassung der von der Schallquelle abgestrahlten Körperschallsignale und durch Kreuzkorrela­ tion oder Vergleich der Luftschallsignale mit den Körperschallsignalen können insbesondere störende Schallsignale auf besonders vorteilhafte Weise lokali­ siert werden.

Vorzugsweise wird dabei die Kreuzkorrelation in einem vorgebbaren Frequenzbereich durchgeführt.

Dabei können die unterschiedlichsten Körperschallaufneh­ mer verwendet werden.

Eine Ausführungsform sieht dabei vor, daß als Körper­ schallaufnehmer eine Vielzahl von über die ausgedehnte Schallquelle verteilten Beschleunigungssensoren verwendet wird.

Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß als Körperschallaufnehmer ein Laser-Vi­ brometer verwendet wird. Dies hat den besonders großen Vorteil, daß die Körperschallaufnahme berührungslos erfolgt und insbesondere keine Belegung der ausgedehnten Schallquelle erforderlich ist, welche zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen kann.

Vorzugsweise wird dabei das von dem Laser-Vibrometer erfaßte Signal entstört.

Die Entstörung erfolgt vorteilhafterweise durch einen Bandpaß.

Darüber hinaus ist es auch möglich, daß das von dem Laser-Vibrometer erfaßte Signal zeitabhängig entstört wird.

Hinsichtlich der Verarbeitung der von dem Luftschal­ laufnehmer und dem Körperschallaufnehmer erfaßten Schallsignale wurden bislang noch keine näheren Angaben gemacht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß sowohl das von dem Schallaufnehmer als auch das von Laser-Vibrometer erfaßte Signal so verarbeitet werden, daß sie akustisch wiedergebbar sind. Hierdurch kann beispielsweise beim Auftreten eines störenden Geräusches durch einen Wechsel zwischen akustischer und schwingungstechnischer Darstellung auf das momentane Schwingungsverhalten der Struktur und die möglichen Übertragungswege geschlossen werden.

Dabei lassen sich z. B. eventuelle Dämmungseinbrüche sowohl durch Darstellung der Pegel vor und nach der Übertragungsstrecke als auch durch "Hineinhören" in den Körperschall beurteilen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nach­ stehend anhand eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a ein Zeitsignal,

Fig. 1b eine Einhüllende der Terz um 200 Hz,

Fig. 1c das Spektrum und

Fig. 1d das Modulationsspektrum eines durch einen Luftschallaufnehmer aufgenommenes Luftschall­ signal im Innern eines Kraftfahrzeugs und

Fig. 2a die abgetastete Fläche,

Fig. 2b die Schnelle-Verteilung bei 220 Hz,

Fig. 2c das Spektrogramm über dem Weg und

Fig. 2d das Spektrum entlang des in Fig. 2c darge­ stellten Cursorschnitts eines mittels eines Körperschallaufnehmers aufgenommenen Körper­ schallsignals, welches simultan zu dem in Fig. 1 dargestellten Luftschallsignal an einem Fahrzeug auftrat und dessen Verarbeitung.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Geräuschanalyse anhand eines in einem Kraftfahrzeug auftretenden Geräuschs dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß das Verfahren nicht auf den Kraftfahrzeug-Bereich beschränkt ist, sondern vielmehr bei jeglicher Art von Luft- und Körper-Schall­ signale ausstrahlenden ausgedehnten Schallwellen, beispielsweise auch Haushaltsgeräten und dgl. angewendet werden kann.

Im folgenden wird anhand einer Innengeräuschuntersuchung die Verknüpfung eines zweidimensionalen Laser-Vibrometers mit einer Kunstkopf-Analyse unter Einbeziehung der Signalanalyse durch das menschliche Gehör dargestellt.

Bei den in den Figuren dargestellten Schallsignalen trat ein unverwünschtes Geräusch in Form einer zu stark ausgeprägten Motorrauhigkeit beim Beschleunigungsvorgang unter Teillast eines mit einer Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs auf. Diese Geräuschart wird häufig mit "Kollern" bezeichnet, im englischsprachigen Raum findet sich häufig der Begriff "rumbling".

Diese Art der Motorrauhigkeit kann in gewissen Grenzen durchaus als akustisches Gestaltungsmittel zur Erzeugung eines sportlichen Motorsounds zur Anwendung gelangen. Bei Fahrzeugen, bei denen ein großer Wert auf den Fahrkomfort gelegt wird, beispielsweise Limousinen, führt allerdings dieses Geräuschverhalten eher zu einer Beanstandung.

Zur Untersuchung des Geräusches wurde mit Hilfe einer Kunstkopfaufnahme eine gehörrichtige Aufnahme im Innen­ raum eines Kraftfahrzeugs der gehobenen Klasse mit einer 12-zylindrigen Brennkraftmaschine durchgeführt, wobei neben den beiden Luftschallsignalen auch die Motor­ drehzahl aufgezeichnet wurde. Die Geräuschbeanstandung war am stärksten, wenn im Drehzahlbereich um 2000 U/min leicht beschleunigt wurde. Da das Gesamtgeräusch bei diesem Fahrzeug sehr niedrig hinsichtlich des an sich bekannten A-bewerteten Schalldruckpegels ist, fallen subjektiv die Überhöhungen in einzelnen Spektralbereichen verursacht von bestimmten Motorordnungen besonders schnell auf.

Fig. 1 zeigt die Ergebnisse einer solchen Aufnahme eines mit "Kollern" bezeichneten Geräusches, wobei in Fig. 1a das Zeitsignal dargestellt ist, in Fig. 1b das FFT-Be­ tragsspektrum des relevanten Frequenzbereichs, in Fig. 1c die Einhüllende dieses Spektralbereichs um 200 Hz und in Fig. 1d das Modulationsspektrogramm.

Die in Fig. 1 gezeigten Ergebnisse sind typisch hinsicht­ lich ihrer Ausprägung bei der Geräuschart "Kollern", bei der eine Modulation im Spektralbereich um 200 Hz mit der Modulationsfrequenz entsprechend einer halben Motorord­ nung entsteht. Bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min entspricht die 6. Motorordnung einer Frequenz von 200 Hz, eine halbe Motorordnung bedeutet 16,7 Hz, so daß das Modulationsspektrum Linien im Abstand von 16,7 Hz aufweist (vgl. Fig. 1b).

Die Ursachen für diese Art der Modulation sind von unterschiedlicher Natur, sie können vom Motor selbst (z. B. der Nockenwelle oder dem Anlasserritzel) oder durch Interferenzen mit der Ansaug- oder Abgasseite erzeugt werden.

Die an sich bekannte Mehrkanalmeßtechnik einer Kunstkopf­ aufnahme erlaubt, Zusammenhänge zwischen der gehörten Geräuschbeanstandung und den verschiedenen Geräuschquellen und deren Übertragungswegen zu analysieren. Dazu werden den Übertragungswegen (Ankopplung Ansaug- und Ab­ gasseite, Motorlager und dgl.) Beschleunigungsaufnehmer und an den Luftschallquellen Nahfeldmikrofone montiert, um so eine Korrelation zwischen dem beanstandeten Geräuschmuster und den mehrkanalig aufgenommenen Signalen ermöglichen.

Der Umstand, der zu einer Geräuschbeanstandung führt, kann aber nicht nur in dem Geräuschverhalten einer Schallquelle oder deren Resonanzen im Übertragungsweg liegen, sondern auch in einem ungünstigen Abstrahl­ verhalten von einzelnen Flächen, die - durch die Struktur angeregt - sich für einzelnen Frequenzen wie ein Laut­ sprecher verhalten. Zur Untersuchung dieser Effekte eignet sich im besonderen Maße der Einsatz eines zweidi­ mensionalen Laser-Vibrometers, da hierdurch schnell und insbesondere masselos das Schwingungsverhalten größerer Flächen erfaßt werden kann.

In Fig. 2 ist das Ergebnis einer derartigen Untersuchung dargestellt. Die Anregung des Innenraums des Kraftfahr­ zeugs erfolgt dabei entweder breitbandig mit einem Lautsprecher (Luftschallanregung) oder mit einem Shaker der Karosserie (Strukturanregung) oder auch direkt mittels des Antriebsstrangs des Fahrzeugs (hier Teillast bei ca. 2200 U/min). Die jeweiligen zu untersuchenden Flächen wurden wie in Fig. 2a am Beispiel der hinteren Tür eines Kraftfahrzeugs gezeigt, mit Hilfe eines zweidimensionalen Laser-Vibrometers abgescannt.

In Fig. 2b ist eine typische Darstellung der Schnellever­ teilung bei einer Frequenz (220 Hz) wiedergegeben.

Für eine Betrachtung hinsichtlich der Geräuschqualität ist jedoch eine solche Form der Analyse noch nicht hinreichend. Die Geräuschbeanstandung "Kollern" läßt sich nicht aus dem Verhalten einer einzelnen Frequenz betrach­ ten, sondern erst das Zusammenwirken von mehreren Frequenzen in bestimmten Amplituden- und Frequenzverhält­ nissen führt zu diesem akustischen Effekt. Von daher ist es erforderlich, für jeden Meßpunkt eine breitbandige Analyse (z. B. wie in Fig. 2d dargestellt) oder noch besser eine Spektrogrammanalyse als Funktion der Meßpunk­ te durchzuführen.

In Fig. 2c ist für eine bestimmte horizontale Position (hier in der Türmitte) das Spektrum von 80 Hz bis 300 Hz oberen Meßpunkt bis zum unteren Meßpunkt aufgetragen. Die Meßpunkte sind in Fig. 2a durch kleine Quadrate dargestellt. Dabei erfolgte eine Umrechnung in einen Lautstärkepegel mit einer an sich bekannten A-Bewertung, um zu erkennen, welche Spektralbereiche gehörmäßig besonders relevant sind. Die Spektrogrammdarstellung zeigt nun, wie sich die spektrale Zusammensetzung in Abhängigkeit des Ortes verändert. Selbstverständlich kann die Spektrogrammdarstellung auch für einen vertikalen Punkt in horizontaler Richtung erfolgen, da für jeden Meßpunkt das Original-Zeitsignal gespeichert bleibt. Die Speicherung des Zeitsignals für jeden Meßpunkt (minde­ sten- 2 Sekunden pro Meßpunkt) beinhaltet folgende Vorteile:

• - nachträgliche Analyse in beliebiger Reihenfolge der Meßpunkte, horizontal, vertikal, diagonal und dgl.;
• - nachträgliche Auswahl von unterschiedlichen Analyse­ verfahren, z. B. könnte in diesem Fall die spezifi­ sche Rauhigkeit zur Anwendung kommen;
• - akustische Darbietung der Signale zur Einbeziehung des menschlichen Gehörs zur Mustererkennung.

Insbesondere der letzte Punkt bedeutet für die praktische Anwendung häufig einen großen Zeitvorteil, da in der Regel Geräuschbeanstandungen vom absoluten Pegel eher unauffällig sind, jedoch durch eine bestimmte Zeit­ struktur und/oder spektrale Verteilung gehörmäßig unangenehm auffallen können. Das menschliche Gehör ist daher bestens geeignet, bestimmte Muster, die es zunächst aus der Kunstkopfaufnahme herausselektiert hat, mit den gehörmäßig beurteilten Signalen aus der Mehrkanalmeßtech­ nik - hier den einzelnen Meßpunkten - zu korrelieren.

Fig. 2c in Kombination mit Fig. 2b verdeutlichen die starke Präsenz des Spektralbereichs um 220 Hz über einen großen Teil der Fläche, wobei jedoch der für das "Kol­ lern" kritische Bereich im wesentlichen ca. 16 cm von der oberen Türkante entsteht, wo neben der Frequenz von 220 Hz noch weitere Frequenzen in ca. 20 Hz Abständen auftreten und so eine unerwünschte Modulation hervor­ rufen. Eine Modifikation des Türbleches z. B. durch Versteifung, um die Lautsprecherwirkung für dieses Geräusch zu reduzieren, ist daher nur an dieser Stelle erforderlich.

Claims (7)

1. Verfahren zur Geräuschbestimmung eines von einer ausgedehnten Schallquelle abgestrahlen Geräusches mittels wenigstens eines Luftschallaufnehmers, vorzugsweise mittels eines Kunstkopfmikrofons, dadurch gekennzeichnet, daß man für vorgebbare Frequenzbereiche eines Schallereignisses zusätzlich den von dem wenigstens einen Luftschallaufnehmer erfaßten von der Schallquelle abgestrahlten Luft­ schallsignalen durch wenigstens einen Körperschal­ laufnehmer die von der Schallquelle abgestrahlten Körperschallsignale erfaßt und eine Kreuzkorrelation zwischen den Luftschallsignalen und den Körper­ schallsignalen durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Körperschallaufnehmer eine Vielzahl von über die ausgedehnte Schallquelle verteilten Beschleuni­ gungssensoren verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Körperschallaufnehmer ein Laser-Vibrometer verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Laser-Vibrometer erfaßte Signal entstört wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entstörung durch ein Bandpaß erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entstörung zeitabhängig erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das von dem Luftschall­ aufnehmer als auch das von dem Körperschallaufnehmer erfaßte Signal so verarbeitet werden, daß sie akustisch wiedergebbar sind.