DE19910329C2 - Verfahren zur Bestimmung der Außengeräuschzusammensetzung von Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Außengeräuschzusammensetzung von Fahrzeugen.

Bei einer Fahrzeugentwicklung muß sichergestellt werden, daß der vom Gesetzge­ ber vorgeschriebene Außengeräuschgrenzwert eingehalten wird. Dabei muß das Außengeräusch eines Fahrzeugs nach der Meßvorschrift ISO 362 bei einer be­ schleunigten Vorbeifahrt bestimmt werden. Der Vorbeifahrtpegel eines Fahrzeugs setzt sich aus der Abstrahlung von Einzelgeräuschquellen zusammen. Wichtige Einzelgeräuschquellen sind beispielsweise der Motor, die Ansauganlage, das Getriebe, die Schalldämpfermündung und die Schalldämpferoberfläche. Abhängig vom Fahrzeug und Gang ergibt sich eine unterschiedliche Gewichtung der Einzelgeräuschquellen bei der beschleunigten Vorbeifahrt. Für die Außengeräuschentwicklung ist eben diese Gewichtung ein entscheidender Parameter.

Herkömmlicherweise wird der Anteil der einzelnen Komponenten eines Vorbeifahrt­ pegels in einem speziell dafür ausgebildeten Prüfstand bestimmt. In der Regel wird das Schallfeld des Fahrzeugs bei einer beschleunigt imitierten Vorbeifahrt durch eine Reihe von entsprechend positionierten Mikrophonen bestimmt. Der Einfluß einer Einzelquelle auf das Gesamt-Vorbeifahrtgeräusch wird dabei durch eine Sub­ traktion von Geräuschpegeln mit und ohne Kapselung einer bestimmten Einzel­ quelle erreicht.

Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig. Beispielsweise muß eine Prüfstand­ kapsel über den gesamten Fahrzeugvorderbau errichtet werden. Dadurch wird zum Teil die freie Abstrahlung der zu vermessenden, nicht gekapselten Schallquellen beeinträchtigt. Zudem werden Randbedingungen am Fahrzeug geändert. Beispiels­ weise kann eine höhere Motorraumtemperatur durch den Einsatz der Prüfstands­ kapsel oder ein höherer Abgasgegendruck durch eine Totalschalldämpfung der Schalldämpfermündung bedingt sein. Auch lassen sich nicht immer alle Einzel­ schallquellen vollständig akustisch trennen. So sind die Einzelschallquellen Motor /Ansauganlage oder Motor/Getriebe gekoppelt. Die Größenordnung der damit verursachten Fehler kann nur schwer abgeschätzt werden.

Darüber hinaus ist es mit dem oben genannten Verfahren nur unzureichend mög­ lich, die Auswirkungen von Komponentenmodifikationen auf die Außengeräuschzu­ sammensetzung vorauszusagen. Eine typische Frage könnte dabei sein, welche Außengeräuschzusammensetzung sich ergibt, falls eine Schalldämpferanlage (Komponente A) durch eine modifizierte Schalldämpferanlage (Komponente B) ersetzt wird. Bei dem momentan verwendeten Verfahren muß das gesamte Fahrzeug mit der neuen Schalldämpferanlage (Komponente B) aufgebaut und erneut vermessen werden.

Aus der DE 197 10 414 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Luftschallanteils eines im Fahrbetrieb entstehenden Schallfeldes im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs bekannt.

Des Weiteren ist in Schulthes, Michael; "Ein System zur normgerechten Messung und detailgenauen Analyse des Außengeräusches"; ATZ, Band 99 (4), S. 228-231 ein System beschrieben, mittels welchem eine Detailoptimierung der akustischen Eigenschaften eines Fahrzeugs realisiert werden soll. Hierbei werden genauere Informationen über das Geräuschprofil, das Geschwindigkeitsprofil und weitere Meßgrößen ermittelt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches eine exakte Bestimmung des Anteils einzelner Einzelgeräuschquellen am Vorbeifahrtgeräusch ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird in einem ersten Schritt ein Schallfeld mittels Nahfeld- und Fern­ feldmikrophonen erfaßt, welches von der Gesamtheit von Einzelgeräuschquellen des Fahrzeugs beim Fahrbetrieb verursacht wird. In einem zweiten Schritt wird ein Schallfeld ermittelt, welches von Lautsprechern hervorgerufen wird, die in der Nähe oder an der Position der Einzelgeräuschquellen angeordnet sind. Zusätzlich wird zumindest eine den jeweiligen Lautsprecherbetrieb charakterisierende Größe erfaßt. Damit weiß man, welche Lautsprecherbetriebsgrößen bei einem bestimmten Lautsprecher vorliegen müssen, damit eine bestimmte Lautsprecherwirkung erzielt wird. Die Messung erfolgt dann derart, daß die Lautsprecher nacheinander in Betrieb genommen werden.

Als einen Lautsprecherbetrieb charakterisierende Größe kann beispielsweise seine Membranbeschleunigung erfaßt werden. Alternativ ist es auch möglich, den durch den jeweiligen Lautsprecher fließenden Strom oder die daran anliegende Spannung zu messen.

Aus den ermittelten Schallfeldern lassen sich Gleichungen, insbesondere Transfermatritzen aufstellen, mittels derer die Membranbeschleunigung der Laut­ sprecher bestimmt werden kann, welche bei simultaner Anregung zur Erzeugung des Fahrgeräusches, wie sie im ersten Schritt aufgetreten sind, erfolgen. Aufgrund der Berechnungen lassen sich dann auch die Schalldruckpegel, welche von den Einzelschallquellen erzeugt werden, an jedem Mikrophonpunkt im Fernfeld berech­ nen. Insgesamt kann mit dem vorgestellten Verfahren somit eine exakte Be­ stimmung des Anteils der Einzelgeräusche am Vorbeifahrtgeräusch ermittelt wer­ den. Zudem kann über dieses Verfahren jede Einzelgeräuschquelle aus dem Ge­ samtvorbeifahrtgeräusch eliminiert oder hinzugefügt werden.

Auch ist es möglich, die Auswirkung einer Komponentenmodifikation zu bestimmen, ohne daß ein Fahrzeug vollständig neu aufgebaut und vermessen werden muß. Zu diesem Zweck braucht man lediglich die jeweiligen den jeweiligen Lautsprecherbetrieb charakterisierende Größe (z. B. Membranbeschleunigung) für die Schalleistung von Einzelquellen zu ermitteln. Sodann muß die Schalleistung einer zu modifizierenden Einzelquelle meßtechnisch bestimmt werden. Durch einfache Ersetzung der zu modifizierenden Einzelgeräuschquelle kann man dann leicht und kostengünstig das Gesamt-Vorbeifahrtgeräusch eines entsprechend modifizierten Fahrzeugs mit großer Genauigkeit bestimmen. Die zur Erfassung des Nahfeldes verwendeten Mikrophone sollten natürlich möglichst nah an den einzelnen Einzelgeräuschquellen angeordnet sein. Zu diesem Zweck wird ein Meßgerüst verwendet, welches an das zu vermessende Fahrzeug angepaßt wird.

Vorzugsweise wird dazu eine Vielkanal-Mikrophonanlage zur Erfassung des Nahfeldes verwendet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die gemessenen Übertragungsfrequenzgänge in einer Matrix festgehalten, die zur Berechnung des durch eine Einzelschallquelle erzeugten Schalldruckpegels an einem Mikrophonpunkt im Fernfeld nach dem Verfahren der Pseudoinversen invertiert wird.

Um die Korrektheit des Vermessungsergebnisses zu überprüfen, kann man die gemessenen Schalldrücke der einzelnen Schallquellen aufsummieren. Diese müssen dann wieder den Gesamt-Vorbeifahrtpegel ergeben. Ist dies nicht der Fall, so liegt ein systematischer Fehler vor.

Insgesamt läßt sich mit dem vorgestellten Verfahren der Anteil der Einzelschall­ quellen am Vorbeifahrtpegel bestimmen, ohne daß aufwendige und das Ergebnis eventuell beeinträchtigende oder verfälschende Kapselmaßnahmen am Fahrzeug durchgeführt werden müssen.

Weiterhin ermöglicht das neue Verfahren die rechnerische Abschätzung der akusti­ schen Auswirkungen von Modifikationen an akustisch relevanten Komponenten. Durch die Anwendung des beschriebenen Verfahrens können gezielte Prognosen über die Außengeräuschzusammensetzung im Falle modifizierter Fahrzeugkonfigu­ rationen gegeben werden.

Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfol­ gend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Anordnung zur Ermittlung des Vorbeifahrtgeräusches im Fahrbe­ trieb mittels Nahfeld- und Fernfeld-Mikrophonen und

Fig. 2 eine Anordnung zur Ermittlung eines Schallfeldes, welches über Laut­ sprecher hervorgerufen wird.

In den Fig. 1 und 2 ist in schematischer Form ein Rollen-Prüfstand dargestellt, in dem ein Fahrzeug 10 positioniert ist. Gemäß Fig. 1 sind in dem Fahrzeug eine Reihe von Einzelgeräuschquellen wie der Motor, die Ansauganlage, das Getriebe, die Schalldämpfermündung und die Schalldämpferoberfläche enthalten. Diese Ein­ zelgeräuschquellen sind alle mit dem gleichen Bezugszeichen 12 beziffert und verursachen eine vom Fahrzeug und Gang sowie Fahrbetrieb abhängige Geräuschemission. Durch die Gesamtheit der Einzelgeräuschquellen wird beim Betrieb des Fahrzeugs ein Vorbeifahrtgeräusch erzeugt. Dieses Vorbeifahrtgeräusch wird von umliegend angeordneten Mikrophonen aufgenommen. Eine erste Gattung von Mikrophonen, nämlich Nahfeldmikrophone 14 sind an einem an das Fahrzeug angepaßten Meßgerüst 15 angeordnet und bilden ein Vielkanal-Mikrophonarray. In größerem Abstand und parallel zur Längsachse des Fahrzeugs sind - z. B. in einer Entfernung entsprechend der ISO 362 - eine Vielzahl von Fernfeldmikrophonen 16 angeordnet (nur ein Teil der Mikrophone ist mit den Bezugszeichen versehen).

In einem ersten Schritt des Verfahrens wird nun das Schallfeld beim Fahrbetrieb auf den Prüfstandsrollen in dem Akustikraum mittels der Nahfeld- und Fernfeldmikro­ phone vermessen. Dabei wird der Betrag und die Phase des Schalls ermittelt, was ein komplexes Schalldruckspektrum an jedem Nahfeldmikrophon p_k ^nah,OP ergibt. Dabei bezeichnet k das k-te Mikrophon und OP den Fahrzeugbetrieb. Die Fernfeldmikrophone zeichnen das komplexe Schalldruckspektrum p_j ^fern,OP auf, wobei j das j-te Fernfeldmikrophon bezeichnet.

Der zweite Schritt wird anhand von Fig. 2 erläutert. Dabei sind an den Positionen oder in der Nähe der Position der Einzelschallquellen Lautsprecher 13 angeordnet. Diese Lautsprecher 13 werden mit Rauschanregung betrieben, so daß ein Schallfeld bei ruhendem Fahrzeug erzeugt wird. Dieses Schallfeld wird wiederum über die Nahfeld- und Fernfeldmikrophone 14 bzw. 16 erfaßt. Zudem wird die Membranbeschleunigung der Lautsprecher bestimmt. Alternativ kann jede andere den Lautsprecherbetrieb charakterisierende Größe anstatt der Membranbe­ schleunigung verwendet werden.

Insgesamt erhält man für jede Lautsprecheranregung jeweils einen Satz von Über­ tragungsfrequenzgängen von der Lautsprechermembranbeschleunigung auf die dadurch erzeugten Schalldrücke an den Mikrophonpositionen im Nah- und Fernfeld. Dabei kann man eine Transfermatrix T_j,l ^fern,LS und T_k,l ^nah,LS wie folgt angeben:

wobei a_l ^LS die komplexe Lautsprechermembranbeschleunigung beim Betrieb des Lautsprechers l, p_k,l ^nah,LS das komplexe Schalldruckspektrum beim Betrieb des Laut­ sprechers l am Nahfeldmikrophon k und p_j,l ^fern,LS das komplexe Schalldruckspektrum beim Betrieb des Lautsprechers l am Fernfeldmikrophon j bedeutet.

In einem dritten Schritt werden nun rechnerisch diejenigen Membranbeschleunigun­ gen a_l ^OP ermittelt, welche nötig wären, um bei simultaner Anregung das Fahrgeräusch aus dem ersten Schritt zu reproduzieren. Dazu wird die Matrix der oben bestimmten Übertragungsfrequenzgänge nach dem Verfahren der Pseudoinversen invertiert. Durch die Transformation lauten die Gleichungen (1) und (2) für den Fahrbetrieb nunmehr

wobei a_l ^OP die komplexe Lautsprechermembranbeschleunigung bei dem Fahrbe­ trieb, p_k,l ^nah,OP das komplexe Schalldruckspektrum am Nahfeldmikrophon k beim Fahrbetrieb des Lautsprechers l und P_j,l ^fern,OP das komplexe Schalldruckspektrum am Fernfeldmikrophon j beim Fahrbetrieb des Lautsprechers l bedeuten.

Durch Auflösung der Matritzengleichung (4) erhält man die gesuchte Membranbe­ schleunigung a_l ^OP wie folgt:

Setzt man voraus, daß

p_kl ^nah,OP = p_k ^nah,OP (6)

ist, so folgt:

Durch Einsetzen der Gleichung (7) in die Gleichung (3) erhält man durch die im Nahfeld gemessenen Schalldruckpegel die durch eine Einzelschallwelle erzeugten Pegel an jedem Fernfeldmikrophon j.

Insgesamt ist damit der Anteil einer jeden einzelnen Schallquelle am Vorbeifahrtpe­ gel bestimmbar.

Überdies läßt sich eine Überprüfung durchführen, nämlich durch Aufsummierung der errechneten Schalldrücke aller Einzelschallquellen. Diese gebildete Summe muß mit den Schalldrücken beim Fahrbetrieb vergleichbar sein. Damit ergibt sich:

Als typische Werte für die Anzahl der Nahfeld- und Fernfeldmikrophone können 48 bzw. 26 Stück verwendet werden. Die Größe l für die Anzahl der Lautsprecher liegt vorliegend im Bereich von 10.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Auswirkung von Modifikationen an Einzelschallquellen. So kann beispielsweise eine Komponente A durch eine modifizierte Komponente B ersetzt werden. Durch Messungen in Komponentenprüfstellen ist die durch die Komponente A bzw. B ab­ gestrahlte Schalleistung L_A bzw. L_B bekannt. ist nun die Komponente A mit einer Schalleistung L_A durch a_l ^AOP gekennzeichnet, so kann die Komponente B mit der Schalleistung L_B durch a_l ^BOP dargestellt werden. Über die Gleichungen

erhält man somit

wobei P_j,l ^B,fern,OP den gesuchten Schalldruck bezeichnet, der aufgrund der Schallab­ strahlung der Komponente B anstatt der Komponente A am Fernfeldmikrophon gemessen wird. Natürlich ist es ebenso möglich, eine oder mehrere Schallquellen rechnerisch zu eliminieren oder hinzufügen und die Auswirkung auf den Außenge­ räuschgesamtpegel in dessen Zusammensetzung zu prognostizieren.

Insgesamt ist das Verfahren somit für beliebige stationäre und instationäre Ar­ beitspunkte bzw. Fahrzyklen eines Fahrzeugs oder für unterschiedlichste Kon­ struktionen beim Maschinenbau anwendbar.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung der Außengeräuschzusammensetzung von Fahrzeugen, mit den Schritten:

• - Ermitteln eines von der Gesamtheit von Einzelgeräuschquellen des Fahr­ zeugs hervorgerufenen Schallfeldes beim Fahrbetrieb mittels Nahfeld- und Fernfeld-Mikrophonen,
• - Ermitteln eines von Lautsprechern hervorgerufenen Schallfeldes bei ru­ hendem Fahrzeug, wobei die Lautsprecher an Positionen oder in der Nähe der Positionen der Einzelgeräuschquellen des Fahrzeugs angeordnet sind, zumindest eine den jeweiligen Lautsprecherbetrieb charakterisierende Grö­ ße erfaßt und die Lautsprecher nacheinander in Betrieb genommen werden,
• - Berechnung der den Lautsprecherbetrieb charakterisierenden Größen, welche bei simultaner Anregung zur Erzeugung des Fahrgeräusches aus dem ersten Schritt notwendig sind und
• - Berechnung eines durch eine Einzelschallquelle erzeugten Schalldruckpe­ gels an einem bestimmten Mikrophonpunkt im Fernfeld.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Nahfeldes ein an das Fahrzeug anpaßbares Meßge­ rüst verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Nahfeldes ein Vielkanal-Mikrophonarray verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrix der gemessenen Übertragungsfrequenzgänge erstellt und nach dem Verfahren der Pseudoinversen invertiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Aufsummierung der berechneten Schalldrücke aller Einzel­ schallquellen, die mit den im ersten Schritt gemessenen Schalldrücken bei Fahrbetrieb zu vergleichen sind, eine Plausibilitäts-Prüfung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der einen Lautsprecherbetrieb charakterisierenden Größe auf die Schalleistung von Einzelquellen geschlossen wird, die Schalleistung einer modifizierten Einzelquelle meßtechnisch bestimmt wird und die Auswirkung einer Komponentenmodifikation berechnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Außengeräuschgesamtpegel rechnerisch eine Einzelschall­ quelle eliminiert und/oder hinzugefügt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als eine einen Lautsprecherbetrieb charakterisierende Größe die Mem­ branbeschleunigung des Lautsprechers und/oder die Spannung am Laut­ sprecher und/oder der Strom durch den Lautsprecher verwendet wird.