DE4446080A1

DE4446080A1 - Schallabsorptionssystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4446080A1
Application number: DE19944446080
Authority: DE
Inventors: Rainer Beer; Raymond Dr Freymann; Helmut Spannheimer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2014-12-23
Also published as: DE4446080B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schallabsorptionssy stem für Kraftfahrzeuge in Form eines eine Schall druckerzeugungsvorrichtung enthaltenden Helmholtz-Resona tors.

Bei Schallabsorptionsverfahren für Kraftfahrzeuge wird ein Helmholtz-Resonator als Schallabsorptionssystem ein gesetzt, das insbesondere im Fahrgastraum auftretenden Stör-Schall im Bereich um die Resonanzfrequenz des Helm s,holtz-Resonators dämpft. Hierzu werden Helmholtz-Resona toren derart ausgelegt, daß deren Resonanzfrequenzen den Frequenzen des zu absorbierenden Schalls entsprechen. Die Resonanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators wird insbe sondere durch das Hohlkörpervolumen des Helmholtz-Resona tors bestimmt.

Aus der DE 42 26 885 A1 ist ein gattungsgemäßes Schallab sorptionssystem in Form eines aktiven Helmholtz-Resona tors bekannt, der einen Lautsprecher als Schall druckerzeugungsvorrichtung in seinem Hohlkörper enthält. Durch diesen Lautsprecher werden Schalldruckwerte im Hohlkörper erzeugt, mittels derer auch abweichend vom re alen Hohlkörpervolumen beliebige gewünschte Hohlkörper volumina simulierbar sind. Das jeweils zu simulierende Hohlkörpervolumen richtet sich nach der Frequenz des zu absorbierenden Schalls.

Ein Schallabsorptionssystem zur Schalldämpfung ist jedoch nicht nur durch die Frequenz des zu absorbierenden Schalls charakterisiert, sondern auch durch seine Band breite und seinen Absorptionsgrad. Durch den Absorp tionsgrad eines Schallabsorptionssystems wird bestimmt, mit welcher Intensität der zu absorbierende Schall ge dämpft wird. Die Bandbreite des Schallabsorptionssystems bestimmt den Frequenzbereich, innerhalb dessen der Schall über die hauptsächlich zu absorbierende Frequenz hinaus ebenfalls gedämpft bzw. absorbiert wird.

Bei dem aus der DE 42 26 885 A1 bekannten Verfahren wird lediglich auf die zu absorbierende Frequenz bzw. die zu absorbierenden Frequenzen eingegangen. Weitere Charakte ristika von Schallabsorptionssystemen werden nicht behan delt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mittels eines Helmholtz-Re sonators auf einfache Weise ein möglichst flexibles Schallabsorptionssystem zu schaffen, dessen Charakteri stika mit möglichst wenig Aufwand an den jeweils zu ab sorbierenden Schall angepaßt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 gelöst. Erfindungsgemäß wird ein eine Schall druckerzeugungsvorrichtung enthaltender Helmholtz-Resona tor derart weitergebildet, daß mittels der Schalldrucker zeugungsvorrichtung der Absorptionsgrad und/oder die Bandbreite des als Schallabsorptionssystem wirkenden Helmholtz-Resonators vorgegeben werden, indem mindestens ein vom Hohlkörpervolumen unabhängiger Parameter des Helmholtz-Resonators, der Auswirkungen auf den Absorp tionsgrad bzw. die Bandbreite des Schallabsorptionssy stems aufweist, simuliert wird.

Durch diese Erfindung sind die Absorptionscharakteristika Absorptionsgrad und Bandbreite unabhängig von der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators bzw. unabhängig von der Frequenz des zu absorbierenden Schalls beliebig vorgebbar. Hierdurch ist eine einfache Adaption des Schallabsorptionssystems in Form eines einzigen aktiven Helmholtz-Resonators auf die jeweiligen Anforderungen an die Schallabsorption möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind die Ge genstände der Patentansprüche 2, 4 und 5. Nach Anspruch 2 ist der zur Vorgabe des Absorptionsgrades zu simulierende Parameter proportional zur schwingenden Luftmasse im Hals des Helmholtz-Resonators. Dieser Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß ein Helmholtz-Resonator einem mechanischen, gedämpften Masse- Feder-Resonanzsystem entspricht, bei dem die Masse durch die schwingende Luft im Hals bzw. in einer Querschnittsverengung der Öffnung eines Hohlkörpers und die Feder durch das Hohlkörpervolumen gebildet werden. Der zur Luftmasse proportionale zu simulierende Parameter bestimmt maßgeblich den Absorptionsgrad eines Schalls im Bereich um die Resonanzfrequenz. Dieser Parameter ent spricht der Luftmasse im Hals des simulierten Helmholtz- Resonators.

Nach Patentanspruch 4 ist der zur Vorgabe der Bandbreite zu simulierende Parameter proportional zur Dämpfung der schwingenden Luftmasse im Hals des Helmholtz-Resonators. Dieser zur Dämpfung proportionale zu simulierende Parame ter bestimmt maßgeblich die Bandbreite des Schallabsorp tionssystems im Bereich um die Resonanzfrequenz. Dieser Parameter entspricht der Dämpfung des simulierten Helm holtz-Resonators.

Sowohl die schwingende Luftmasse als auch die Dämpfung der schwingenden Luftmasse im Hals des Helmholtz-Resona tors sind Parameter, die vom Hohlkörpervolumen unabhängig sind.

Nach Patentanspruch 5 wird vorzugsweise die Simulation mittels eines elektronischen Reglers vorgenommen, in dem ein Algorithmus enthalten ist, der die zu simulierenden Parameter des Helmholtz-Resonators enthält. Vorzugsweise ist dieser Algorithmus eine Formel, die sämtliche zu si mulierende Parameter unabhängig voneinander aufweist. Eine derartige Formel ist beispielsweise die Formel der Nachgiebigkeit, die durch das Verhältnis der Auslenkung der schwingenden Luftmasse zum Produkt des Schalldrucks am Halseingang und der Querschnittsfläche des Halses de finiert ist. Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung ist beispielsweise eine Adaption des Schallabsorptionssy stems auf neue Anforderungen an die Schallabsorption le diglich durch Umprogrammieren des elektronischen Reglers möglich. Konstruktive Maßnahmen an den realen Abmessungen des Helmholtz-Resonators sind durch die Simulation der von den realen Werten abweichenden Parameter eines Helm holtz-Resonators nicht notwendig.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die einzelnen Charakteristika eines Schall absorptionssystems allgemein,

Fig. 2 eine erste mögliche Ausgestaltung der Erfindung mit der Darstellung des Masse-Feder-Resonanz systems, von der die Erfindung ausgeht, und

Fig. 3 eine zweite mögliche Ausgestaltung der Erfin dung, die insbesondere auch die Einflüsse der Schalldruckerzeugungsvorrichtung berücksich tigt.

In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate der Absorptionsgrad A dargestellt. Die Frequenz f₀ zeigt die gewünschte Resonanzfrequenz des Helmholtz- Resonators, die der Frequenz des zu absorbierenden Schalls entspricht. Die Resonanzfrequenz f₀ wird vorzugs weise durch das Volumen V des Hohlkörpers 2 des Helm holtz-Resonators 1 vorgegeben (Fig. 2, Fig. 3). Eine Si mulierung eines vom realen Volumen V abweichenden Hohl körpervolumens zur Veränderung der gewünschten Resonanz frequenz f₀ gemäß dem aus der DE 42 26 885 A1 bekannten Verfahren wird auch bei vorliegender Erfindung bevorzugt angewendet. Weiterhin ist in Fig. 1 die Bandbreite B des Schallabsorptionssystems dargestellt, die aussagt, wie groß der zu dämpfende Bereich um die Resonanzfrequenz f₀ sein soll. Die erforderliche Bandbreite B richtet sich nach der Art des zu absorbierenden Schalls. Beispiels weise würde eine schmale Bandbreite definiert werden, wenn ein tonaler Störschall absorbiert werden soll. Die Bandbreite B wird vorzugsweise durch Simulation der Dämp fung d (vgl. Fig. 2) eingestellt. Der Absorptionsgrad A in Fig. 1 bestimmt die Intensität der Absorption des Störschalls bei der Resonanzfrequenz f₀ bzw. innerhalb der Bandbreite B um die Resonanzfrequenz f₀.

Bei sich änderndem Frequenzspektrum des Störschalls kön nen alle zu simulierenden Parameter einzeln oder gemein sam entsprechend nachgeführt werden. Beispielsweise wer den die zu simulierenden Parameter derart nachgeführt, daß Störgeräusche, die aufgrund bestimmter Motorordnungen bei sich ändernder Brennkraftmaschinendrehzahl entstehen, absorbiert werden.

Zur Erkennung der zu absorbierenden Störgeräusche und zur Abstimmung des Helmholtz-Resonators darauf kann folgendermaßen vorgegangen werden:
Beispielsweise ist es möglich, das Schallabsorptionssy stem in Form des aktiven bzw. zu simulierenden Helmholtz- Resonators auf zeitabhängige, störende Frequenzkomponen ten abzustimmen. Durch einfache Reglerübertragungsfunk tionen können die Charakteristika des Schall absorptionssystems (Resonanzfrequenz, Dämpfung, Luft masse) variabel in Echtzeit auf die Frequenz des jeweils zu absorbierenden Störschalls (z. B. Motorordnung im Kraftfahrzeug) oder des momentan störendsten Innenge räusches abgestimmt werden, wobei auch mehrere Frequenzen gleichzeitig absorbiert werden können.

Zur Ermittlung der zeitabhängigen, störenden Frequenzkom ponenten in einem Kraftfahrzeug wird beispielsweise fol gendermaßen vorgegangen:
Mit einem Schalldrucksensor (Mikrofon) wird der Schall druck im Empfangsraum (Fahrzeuginnenraum) und/oder an ei nem Ort, an dem die Anregung des Störschalls nennenswer ten Schalldruck erzeugt (z. B. in/an Schalldämpferanlagen, Abgasanlagen, Ansaugstutzen oder Lüftungsschächten; im Motorraum; zwischen Verkleidung und Karosserieblechen, im Teppich), erfaßt. Alternativ oder zusätzlich wird mit ei nem Vibrationssensor, z. B. einem Beschleunigungs-, Schnelle- oder Wegaufnehmer, an einer Stelle, die von der störenden Anregung nennenswert zum Schwingen angeregt wird (z. B. Motor, Getriebe, Abgasanlage, Fahrwerk, Karos serie, Blechflächen, Scheiben, Innenraumverkleidungen, Gelenkwellenlager) die Beschleunigung, die Schnelle oder der Weg erfaßt.

Die erfaßten Signale werden ggf. mit einem den Gehörei genschaften nachgebildeten Filter, um aus dem physikali schen Zeitsignal die subjektiv störenden Frequenzkompo nenten ermitteln zu können, und/oder mit einem Hochpaß, Bandpaß oder Tiefpaß gefiltert.

Entspricht die Anregung einer Motorordnung, dann ist es auch möglich, die Drehzahl und daraus die Anregungsfre quenz als digitalen Zahlenwert von der elektronischen Brennkraftmaschinensteuerung zu erhalten. Für geschwin digkeitsabhängige Anregungen (z. B. Gelenkwellenordnungen) kann man zur Ermittlung der Anregungsfrequenz einen di gitalen Wert von der Motor- und/oder Getriebeelektronik über die Geschwindigkeit und/oder den gewählten Gang aus werten.

Eine Kombination von gleichzeitig frequenzkonstanter und frequenzvariabler Absorption bei gleicher oder unter schiedlicher Bandbreite ist ebenfalls möglich. Beispiels weise werden Abrollgeräusche frequenzkonstant breitbandig und gleichzeitig Motorordnungen bzw. Gelenkwellen ordnungen frequenzvariabel tonal absorbiert.

In Fig. 2 ist ein Helmholtz-Resonator 1 dargestellt, mit einem realen Volumen V des Hohlkörpers 2. Der Helmholtz- Resonator 1 weist eine Öffnung in Form eines Halses 3 am Hohlkörper 2 auf. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel weist der Hals 3 eine Länge L und eine Querschnittsfläche a auf. Innerhalb des Halses 3 schwingt eine Luftmasse m mit einer Auslenkung x. Wird der Helmholtz-Resonator als Resonanzsystem vom Typ Masse-Feder betrachtet, wird die Federsteifigkeit durch die Steifigkeit der Luft im Volu men V bestimmt. Durch die Reibung zwischen der Luftmasse m und der Innenwand des Halses 3 tritt eine Dämpfung d auf, die ebenfalls die Auslenkung x der schwingenden Luftmasse m beeinflußt.

Im Hohlkörper 2 des Helmholtz-Resonators 1 ist ein Laut sprecher 4 als Schalldruckerzeugungsvorrichtung angeord net. Der Lautsprecher 4 dient vorzugsweise als Innenwand teil des Hohlkörpers 2. Bei ruhender Membran des Laut sprechers 4 liegt ein passiver Helmholtz-Resonator 1 mit realen Parameterwerten, insbesondere für das Hohlkörper volumen V, die Luftmasse m und die Dämpfung d, vor. Durch Ansteuerung des Lautsprechers 4 sind diese realen Parame ter des Helmholtz-Resonators veränderbar. Es werden die Parameterwerte simuliert, durch die die gewünschten Cha rakteristika des Schallabsorptionssystems erreicht wer den.

Hierzu wird der Lautsprecher 4 über einen Regler 6 mit einem entsprechenden Spannungssignal U als Ansteuersignal beaufschlagt. Der Regler 6 erhält als Eingangssignal das Signal eines Schalldrucksensors 5, z. B. in Form eines Mikrofons, der die Schalldruckwerte p_a an einem gewünsch ten Ort im Fahrgastinnenraum erfaßt. Im Regler 6 sind die gewünschten Charakteristika des Schallabsorptionssystems, nämlich die hauptsächlich zu absorbierende Frequenz f₀, die Bandbreite B und der Absorptionsgrad A, abgelegt. Der elektronische Regler 6 weist einen Algorithmus 7 auf, der alle zur Einstellung der gewünschten Charakteristika zu simulierenden Parameter, nämlich das Hohlkörpervolumen v, die Dämpfung d und die Luftmasse m sowie ggf. auch Cha rakteristika des Lautsprechers 4, enthält. Vorzugsweise ist der Algorithmus 7 folgende Formel für die Nach giebigkeit des Helmholtz-Resonators:

Die zu absorbierende Frequenz wird als gewünschte Reso nanzfrequenz f₀ vorgegeben, die z. B. durch die Simulie rung eines entsprechenden Hohlkörpervolumens V einge stellt werden kann. Der gewünschten Bandbreite B und dem gewünschten Absorptionsgrad A werden eine entsprechende Dämpfung d und eine entsprechende Masse m zugeordnet. Die Luftmasse m und die Dämpfung d werden bei vorgegebener Resonanzfrequenz f₀ derart bestimmt, daß sich beispiels weise eine gewünschte Nachgiebigkeit ergibt. Die ge wünschten zu simulierenden Parameterwerte werden im Reg ler 6 derart weiterverarbeitet, daß zu deren Erzeugung ein geeignetes Spannungssignal U zur Ansteuerung des Lautsprechers 4 gebildet wird. Durch die Messung der daraufhin entstehenden Druckwerte p_a im Fahrgastinnenraum mittels des Mikrofons 5 können im Regler die Soll- und Ist-Werte des zu absorbierenden Schalls verglichen und nachgeregelt werden. Der Regler 6 weist vorzugsweise ein PD_iT_k-Übertragungsverhalten auf.

Der Regler 6 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, daß durch das Ansteuersignal U die Sollwerte der zu simu lierenden Parameter des Helmholtz-Resonators 1 in Form einer Differenz zu den realen Ist-Werten der Parameter V, m, d des passiven Helmholtz-Resonators 1 erzeugt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Initialisierungsroutine im Regler 6 vorgesehen, durch die mittels Vorgabe eines de finierten Ansteuersignals U und mittels der Messung der dadurch entstehenden Druckwerte p_a im Fahrgastinnenraum die Ist-Werte der Parameter V, m, d des passiven Helm holtz-Resonators 1 ermittelt werden. Hierdurch ist eine automatische Adaption des Reglers 6 auf konstruktive Än derungen, wie z. B. Änderungen der realen Parameter des Helmholtz-Resonators, möglich.

Anhand von Fig. 3 wird dargestellt, daß der Hals 3 des Helmholtz-Resonators 1 funktionell als beliebige Quer schnittsverengung in der Öffnung des Hohlkörpers 2 eines Helmholtz-Resonators 1 verstanden wird. In Fig. 3 ist der Hals 3 des Helmholtz-Resonators 1 als großflächige sieb artige Abdeckung des Hohlkörpers 2 ausgestaltet. Eine derartige siebartige Abdeckung kann beispielsweise eine übliche Lautsprecherabdeckung in Kraftfahrzeugen sein. Hierdurch ist es möglich, daß das erfindungsgemäße Schallabsorptionssystem mit üblichen Lautsprecherboxen als passive Helmholtz-Resonatoren realisiert werden kann. Weiterhin ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt, auf wel che Weise das Schallabsorptionssystem derart weitergebil det werden kann, daß Störeinflüsse des Schallabsorptions systems durch die Charakteristika des Lautsprechers 4, insbesondere durch dessen Frequenzgang, kompensiert wer den können. Beispielsweise kann hierzu im Regler 6 eine Erweiterung vorgesehen sein, die zur Bildung des Ansteu ersignals U ein Signal berücksichtigt, das durch einen Sensor 8 zur Erfassung der Membranbewegung des Lautspre chers 4 gebildet und als zweites Eingangssignal dem Reg ler 6 zugeführt wird. In Abhängigkeit von dem Signal des Sensors 8 kann im Regler 6 dem Ansteuersignal U ein Si gnal überlagert werden, das zur Linearisierung des Über tragungsverhaltens des Lautsprechers 4 führt.

Alternativ zu einem Sensor 8 an der Membran des Lautspre chers 4 kann auch über einen Sensor 10 der Schalldruck im Volumen 9 hinter dem Lautsprecher 4 erfaßt werden, der ebenfalls proportional zur Membranbewegung des Lautspre chers 4 ist. In Fig. 3 ist weiterhin dargestellt, daß die Kompensation des Lautsprechereinflusses entweder in einem eigenständigen Regler 11 unabhängig vom Regler 6 durchge führt werden kann, daß aber auch die Kompensation des Lautsprechereinflusses in den Regler 6 mit der Ansteue rung des Lautsprechers 4 zur gewünschten Schallabsorption kombiniert werden kann.

Darüber hinaus wird ergänzend angemerkt, daß jedoch das erfindungsgemäße Schallabsorptionssystem für beliebig viele Frequenzen anwendbar ist und durch geeignete Programmierung des Reglers 6 auch mit nur einem Helm holtz-Resonator 1 realisierbar ist. Beispielsweise würde im Algorithmus 7 im Fall mehrerer zu absorbierender Fre quenzen die Summe aller Nachgiebigkeiten für jede zu ab sorbierende Frequenz enthalten sein. Somit ist es erfin dungsgemäß auch möglich, sowohl zeitlich aufeinanderfol gend als auch gleichzeitig verschiedene Nachgiebigkeiten mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen f₀, Steifigkei ten des Hohlkörpervolumens V, Massen m und Dämpfungen d nachzubilden. Insbesondere die Formel für die Nachgiebig keit spiegelt das Übertragungsverhalten eines Helmholtz- Resonators 1 wieder, wobei das Hohlkörpervolumen V, die Masse m und die Dämpfung d beliebige, auch von den realen Parameterwerten abweichende Werte annehmen können.

Der Schalldrucksensor 5 zur Regelung der zu simulierenden Parameter V, m, d des erfindungsgemäßen Schallabsorpti onssystems kann je nach Anforderung z. B. in der Nähe des Halses 3 des Helmholtz-Resonators 1 oder nahe am Ort des Empfängers angebracht sein.

Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß die zu simulie rende Nachgiebigkeit auch unabhängig vom verwendeten Re sonator-Hals einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, eine Hals-Anordnung mit nur geringer realer Dämpfung zu verwenden. Dadurch eignet sich der Lautsprecher im akti ven Helmholtz-Resonator auch zur Wiedergabe von anderen Nutzsignalen, wie z. B. der Radioanlage, des Telefons, ei ner Warnanlage oder eines Sound-engineering-Systems. Das durch die Regelung veränderte Übertragungsverhalten des Lautsprechers erfordert hierbei eventuell eine geeignete Vorfilterung des Nutzsignals. Das Nutzsignal wird dem Re gelungssignal an geeigneter Stelle im Regelkreis aufad diert.

Durch die Erfindung wird ein einfaches Schallabsorptions system mit allen wesentlichen Absorptionscharakteristika geschaffen, das als virtueller simulierter Helmholtz- Resonator wirkt und dessen Grundlage lediglich ein belie big ausgestalteter Helmholtz-Resonator ist, in dem zur Erzeugung der virtuellen Helmholtz-Resonatoren eine Schalldruckerzeugungsvorrichtung enthalten ist.

Claims

1. Schallabsorptionssystem für Kraftfahrzeuge in Form eines eine Schalldruckerzeugungsvorrichtung ent haltenden Helmholtzresonators, dadurch gekenn zeichnet, daß mittels der Schalldruckerzeugungs vorrichtung (4) der Absorptionsgrad (A) des Schallabsorptionssystems durch die Simulation ei nes vom Hohlkörpervolumen (V) unabhängigen Parame ters des Helmholtzresonators (1) vorgegeben wird.

2. Schallabsorptionssystem nach Patentanspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der zur Vorgabe des Ab sorptionsgrades (A) zu simulierende Parameter pro portional zur schwingenden Luftmasse (m) im Hals (3) des Helmholtzresonators (1) ist.

3. Schallabsorptionssystem für Kraftfahrzeuge in Form eines eine Schalldruckerzeugungsvorrichtung ent haltenden Helmholtzresonators, dadurch gekenn zeichnet, daß mittels der Schalldruckerzeugungs vorrichtung (4) die Bandbreite (B) des Schallab sorptionssystems durch die Simulation eines vom Hohlkörpervolumen (V) unabhängigen Parameters des Helmholtzresonators (1) vorgegeben wird.

4. Schallabsorptionssystem nach Patentanspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß der zur Vorgabe der Bandbreite (B) zu simulierende Parameter propor tional zur Dämpfung (d) der schwingenden Luftmasse (m) im Hals (3) des Helmholtzresonators (1) ist.

5. Schallabsorptionssystem nach einem der Pa tentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulation mittels eines elektronischen Reg lers (6, 10) vorgenommen wird, der einen Algo rithmus (7) aufweist, der die zu simulierenden Pa rameter (V, m, d) des Helmholtzresonators (1) ent hält.