AT501649A2 - Verfahren zur quantitativen analyse eines geräusches einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Analyse eines Geräusches einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, wobei ein Signalverlauf über eine vorgegebene Aufzeichnungsdauer ermittelt wird, das ermittelte Signal im Zeitbereich einer Bandpassfilterung unterzogen wird und für das bandpassgefilterte Signal für zumindest ein Frequenzband eine Hüllkurve gebildet wird.
Die Schnelligkeit des Verbrennungsvorganges in Brennkraftmaschinen ist bei niedrigen Motor- und Ansauglufttemperaturen durch einen verzögerten Zündverzug relativ hoch, was zu schnellen Druckanstiegen und damit zu impulshaltigen Motorgeräuschen führt.

   Diese impulshaltigen Geräusche werden vor allem bei Dieselmotoren als "Verbrennungsnageln" bezeichnet und sie treten bevorzugt bei Leerlauf eines kalten Motors und bei Volllastbeschleunigungsvorgängen aus einem niedrigen Last-/Drehzahlbereich auf. Verstärkt werden sie subjektiv unangenehm vor allem bei Dieselmotoren, aber auch bei direkteinspritzenden OttoMotoren empfunden.

   Es ist daher eines der Ziele in der Akustikentwicklung von Brennkraftmaschinen dieses subjektiv unangenehm empfundene Nagelgeräusch zu reduzieren.
Für eine solche Akustikoptimierung ist es ein enormer Vorteil, wenn der subjektiv lästige Eindruck des Nagelgeräusches durch ein objektives Messverfahren ermittelt werden kann, da damit das Ausmass von Ausgangszuständen und Verbesserungsschritten eindeutig definiert werden kann.
Aus der EP 1 462 778 AI ist ein Verfahren zur quantitativen Analyse von Motorgeräuschen bekannt. Ein Zeitverlauf des gemessenen Geräusches wird zunächst in überlappenden Zeitfenstern einer Kurzzeitfrequenzanalyse unterworfen. Die hierbei erhaltenen Kurzzeitfrequenzspektren werden für jede Trägerfrequenz wiederum als ein zeitliches Trägersignal aufgefasst, dessen Modulationsfrequenzspektrum berechnet wird.

   Charakteristische Merkmale für impulsartige Anteile des Motorgeräusches in den Modulationsfrequenzspektren werden durch die Berechnung eines Geräuschindexes quantitativ erfasst. Dadurch soll eine darauf aufbauende Vorhersage der menschlichen Beurteilung von Motorgeräuschen ermöglicht werden. Nachteilig ist, dass Eigenarten der menschlichen Hörwahrnehmung, wie zeitliche oder spektrale Verdeckung nicht berücksichtigt werden.

   Daher ist die Aussagekraft des solcherart ermittelten Geräuschindexes für die menschliche Hörwahrnehmung nicht ausreichend.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die subjektiv empfundene Lästigkeit von impulshaltigen Geräuschen, insbesondere des "Verbrennungsnageins", objektiv gemessen werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies durch folgende Schritte erreicht:
Berücksichtigen der zeitlichen Verdeckung entsprechend der menschlichen Hörwahrnehmung bei der Hüllkurve;
Berechnen des restlichen Modulationsgrades in jedem Frequenzband nach Berücksichtigung der zeitlichen Verdeckung;
Berechnen einer pegelabhängigen Verdeckung für jedes Frequenzband von allen anderen Frequenzbändern;
Berechnen der restlichen hörbaren Modulationsgrade für alle Frequenzbänder;

  
Gewichten der hörbaren Modulationsgrade mit einer frequenzabhängigen Gewichtungsfunktion;
Bilden eines Geräuschindexes auf der Basis des gewichteten Modulationsfrequenzspektrums.
Um den subjektiven Höreindruck objektiv messbar zu machen, werden im Rahmen der Erfindung die Vorgänge und Eigenschaften des menschlichen Hörens im Zeitbereich weitgehend mathematisch und signalanalytisch nachgebildet. Die gesamte Berechnung erfolgt dabei im Zeitbereich und ist weitgehend den Eigenschaften des menschlichen Hörens nachgebildet.
Das impulsartige Geräusch (Signal) wird als Luftschall mittels Mikrofon aufgenommen. Danach erfolgt eine Bandpassfilterung des Signals im Zeitbereich für alle Frequenzbänder mit Filtern, die keine Phasenverschiebung erzeugen ("ZeroPhase"-Filtern), z.B. FFT-Filter, FIR-Filter oder dergleichen.

   Für dieses bandpassgefilterte Signal wird für jedes Frequenzband eine einhüllende Kurve (Envelope) gebildet. Da schnell hintereinanderfolgende impulshaltige Geräusche ab einer gewissen Impulsfrequenz vom menschlichen Ohr in Folge zeitlicher Verdeckung nicht mehr einzeln aufgelöst werden können, werden die Hüllkurven der zeitlichen Verdeckung des menschlichen Hörens unterworfen. Diese zeitliche Verdeckung kann bei schnell hintereinanderfolgenden impulshaltigen Geräuschen nachfolgende Impulse in ihrer subjektiv empfundenen Amplitude reduzieren. Daher wird in diesem Schritt der durch das menschliche Hören empfundene restliche Modulationsgrad in jedem Frequenzband nach Berücksichtigung der zeitlichen Verdeckung berechnet.

   Der menschliche Hörvorgang ist auch durch eine frequenzabhängige Verdeckung beschränkt, daher werden die Ergebnisse der unterschiedlichen Frequenzbänder mittels Frequenzmaskierungs-Kurven des menschlichen Hörens bewertet. Für das impulshaltige Geräusch in jedem Frequenzband ergibt sich ein unterschiedlich subjektives Empfinden der Lästigkeit, abhängig vom Frequenzbereich des jeweiligen impulshaltigen Signals.

   Basierend auf subjektiven Beurteilungen von Testpersonen wird eine frequenzabhängige Gewichtungsfunktion gebildet, welche abschliessend als frequenzabhängige Gewichtung des Signals für jedes Frequenzband verwendet wird.
Die Summe der verbleibenden Signalamplituden aus dem Analyse- und Berechnungsschritten für jedes Frequenzband ergibt als Endergebnis ein objektives Mass für die Lästigkeit von impulshaltigen Geräuschen, im Speziellen von Nagelgeräuschen einer Brennkraftmaschine.

   Dieses objektive Mass der Lästigkeit von impulshaltigen Geräuschen korreliert damit besonders gut mit dem subjektiv empfundenen Gesamteindruck dieser Geräusche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig.l ein bandpassgefiltertes Zeitsignal eines Geräusches, Fig. 2 das Zeitsignal samt einer Hüllkurve, Fig. 3 das Zeitsignal mit einer Envelope der zeitlichen Verdeckung des menschlichen Hörens, Fig. 3a die Abklingzeit des menschlichen Gehörs, Fig. 4 eine frequenzabhängige Verdeckung des menschlichen Hörens, Fig. 5 eine frequenzabhängige Gewichtungsfunktion des subjektiv empfundenen Lästigkeitseindruckes von impulshaltigen Geräuschen und Fig. 6 eine Korrelation des subjektiven Lästigkeitseindruckes mit dem errechneten Geräuschindex.
In Fig.

   1 ist die Amplitude A über der Zeit t für ein bandpassgefiltertes Zeitsignal eines Geräusches aufgetragen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird für dieses bandpassgefilterte Zeitsignal für jedes Frequenzband eine einhüllende Kurve 1 gebildet. In einem weiteren Schritt wird die Envelope der zeitlichen Verdeckung des menschlichen Hörens der Hüllkurve 1 eingebildet (Fig. 3). Diese zeitliche Verdeckung kann bei schnell hintereinander folgenden impulshaltigen Geräuschen nachfolgende Impulse in ihrer subjektiv empfundenen Amplitude A reduzieren. Daher wird der durch das menschliche Hören empfundene restliche Modulationsgrad in jedem Frequenzband nach Berücksichtigung der zeitlichen Verdeckung 2 berechnet.

   Die Abklingzeit t des menschlichen Gehörs bei impulsartigen Geräuschen, die bei der Berechnung verwendet wird, ist im Fig. 3a dargestellt, wobei mit LH die Lautheit bezeichnet ist. Wie Fig. 4 zeigt, wird auch eine frequenzabhängige Verdeckung berücksichtigt. Die frequenzabhängige Verdeckung ist in Fig. 4 durch die Kurven 3 angedeutet. Dadurch wird berücksichtigt, dass ein Signal von höher frequentigen Signalen verdeckt werden kann.
Für die frequenzabhängige Verdeckung werden folgenden Flankensteilheiten verwendet.
Für höhere Frequenzen als die Mittenfrequenz des zu untersuchenden Frequenzbandes:
Verdeckung-Iinks = Level-27 * (b - bm)
Level .... Pegel in dB der zur Verdeckung führt b... Frequenz in Bark beim Level der zur Verdeckung führt. bm...

   Frequenz in Bark die verdeckt wird
Für niedrigere Frequenzen als die Mittenfrequenz des zu untersuchenden Frequenzbandes:
Flankensteilheit-rechts = Level + (-24 -0.23 / (fm/1000) + 0.2 * Level) * (bm-b)
fm... Frequenz in Hz die verdeckt wird
Abhängig vom Frequenzbereich des jeweiligen impulshaltigen Signals ergibt sich für das impulshaltige Geräusch in jedem Frequenzband ein unterschiedlich subjektives Empfinden der Lästigkeit.
Der Modulationsgrad in jedem Frequenzband berechnet sich nach folgender Formel:
MG = LMax ¯ maxilT<)>Um(LMin/ Lverdeckung-Zelt/ Lverdeckung-Frequenz)
MG...

   Modulationsgrad in jedem Frequenzband
LMax.. maximaler Pegel der Einhüllenden
LMin-- minimaler Pegel der Einhüllenden
Lverdeckung-zeit.- Pegel aus zeitlicher Verdeckung
Lverdeckung-Frequenz-  Summe aller Pegel aus Frequenz-Verdeckung
Das subjektive Empfinden der Impulshaltigkeit wird aufgrund von subjektiven Beurteilungen von Testpersonen in einer in Fig. 5 dargestellten frequenzabhängi gen Gewichtungsfunktion W berücksichtigt. Mittels der frequenzabhängigen Gewichtungsfunktion W werden die Modulationsgrade für jedes Frequenzband f einer frequenzabhängigen Gewichtung unterzogen.
Die Summe der verbleibenden Signalamplituden aus dem Analyse- und Berechnungsschritten für jedes Frequenzband ergibt als Endergebnis ein objektives Mass für die Lästigkeit von impulshaltigen Geräuschen, im Speziellen von Nagelgeräuschen einer Brennkraftmaschine.

   Dieses objektive Mass der Lästigkeit von impulshaltigen Geräuschen - der Geräuschindex CKI (Combustion Knocking Index) - korreliert damit sehr gut mit dem subjektiv empfundenen Gesamteindruck dieser Geräusche. In Fig. 6 ist die Korrelation zwischen dem Geräuschindex CKI und der subjektiv empfundenen Lästigkeit L von Nagelgeräuschen aufgetragen. Es ergibt sich eine hohe Korrelation von beispielsweise 0,991.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur quantitativen Analyse eines Geräusches einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, wobei ein Signalverlauf über eine vorgegebene Aufzeichnungsdauer ermittelt wird, das ermittelte Signal im Zeitbereich einer Bandpassfilterung unterzogen wird und für das bandpassgefilterte Signal für zumindest ein Frequenzband eine Hüllkurve gebildet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Berücksichtigen der zeitlichen Verdeckung entsprechend der menschlichen Hörwahrnehmung bei der Hüllkurve;

- Berechnen des restlichen Modulationsgrades in jedem Frequenzband nach Berücksichtigung der zeitlichen Verdeckung;

- Berechnen einer pegelabhängigen Verdeckung für jedes Frequenzband von allen anderen Frequenzbändern;

- Berechnen der restlichen hörbaren Modulationsgrade für alle Frequenzbänder;

- Gewichten der hörbaren Modulationsgrade mit einer frequenzabhängigen Gewichtungsfunktion;

- Bilden eines Geräuschindexes auf der Basis des gewichteten Modulationsfrequenzspektrums.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brandpassfilterung vorzugsweise mit Filtern, die keine Phasenverschiebung zulassen für alle Frequenzbänder durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Frequenzband eine Hüllkurve der gefilterten Zeitsignale berechnet wird.

2006 05 26 <EMI ID=6.1> <FU/SC>Dipl.-Ing.

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