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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anordnung
zur Störgeräuschunterdrückung an einer Öffnung,
die einer aerodynamischen Anströmung ausgesetzt ist. Die Öffnung
kann mit einem Verschlusselement und/oder mindestens einem Strömungsleitelement
ausgestattet sein. Die Störgeräuschunterdrückung
wird durch Ansteuerung des Verschlusselements oder des Strömungsleitelements
vorgenommen, wobei die Störgeräusche akustisch
erfasst und ausgewertet werden.
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Bei
Fahrzeugen mit verschließbarer Fahrzeugdachöffnung
wird in der Fahrt mit geöffnetem Dach der Fahrtwind in
den Fahrgastraum geleitet. Es zeigt sich, dass bei bestimmten Geschwindigkeiten
in Bezug zur Größe der Dachöffnung niederfrequente Druckschwankungen
im Fahrgastraum auftreten, die auch als „Wummern" bezeichnet
werden und besonders störend empfunden werden.
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Aus
subjektiven Beobachtungen bei bestimmten Fahrzeugen weiß man,
dass bei einer Fahrt mit geöffnetem Schiebedach bei Geschwindigkeiten von
mehr als 80 km/h die Störgeräusche die Grenze zur
Unerträglichkeit übersteigen. In eigenen Windkanaluntersuchungen
konnten diese Beobachtungen objektiviert werden. Bei einem sonst
strömungstechnisch optimierten Fahrzeug wurde festgestellt,
dass bei höheren Geschwindigkeiten ein offenes Schiebedach
die Lautstärke so beeinflusst wird, dass sie auf mehr als
100 dBA ansteigt. Eine Gefährdung der Gesundheit der Insassen
kann dabei nicht ausgeschlossen werden. Bei solchen Störgeräuschen
müsste von langen, schnellen Fahrten mit geöffnetem
Schiebedach dringend abgeraten werden.
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Es
gibt schon eine Reihe von Vorschlägen zu Unterdrückung
oder Vermeidung der Wummer-Geräusche.
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Im
Zusammenhang mit der vorzulegenden Erfindung ist eine Vorrichtung
zur Unterdrückung von niederfrequenten Störgeräuschen
in Kraftfahrzeugen zu erwähnen (
DE 196 33 188 C1 ), wobei
mit einem Mikrofon Wummer-Geräusche erfasst werden und als
Steuergröße für ein Verkleinern eines
Fensters im Fahrzeug verwendet wird.
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Weiterhin
ist eine Vorrichtung bekannt (
DE 101 60 943 A1 ), um Druckschwankungen im
Fahrgastraum bei der Fahrt mit geöffnetem Dach und mit am
Dach angeordnetem Windabweiser zu reduzieren oder zu vermeiden.
Hierbei werden die Druckschwankungen von einem Drucksensor erfasst,
der mit einer Ansteuerung für einen Motor am Windabweiser
verbunden ist. Aufgrund der Sensorsignale wird die Lage des Windabweisers
ermittelt und dann so eingestellt, bis die Druckschwankungen minimiert sind.
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Der
Nachteil der vorgenannten Vorrichtungen liegt darin, dass die Druckschwankungen
nur global ermittelt werden, was zu ungenauen Messergebnissen und
gegenläufigen Steuereffekten führt. Weiterhin
kann eine Trennung von aerodynamisch bedingten Geräuschen
und anderen Nebengeräuschen nicht vorgenommen werden.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren und eine zugehörige
Anordnung anzugeben, welche gezielt von der aerodynamischen Anströmung
herrührende Schwingungen ermittelt und diese ausnutzt,
die Störung durch die Schwingungen auszuschalten.
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Die
Lösung der Aufgabe findet sich in den formulierten nebengeordneten
Ansprüchen, vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den zugehörigen
Unteransprüchen dargestellt.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass Störgeräusche,
insbesondere Resonanzschwingungen an aerodynamisch angeströmten
verschließbaren Öffnungen mittels Sensorik erfasst
werden, dass das Geräuschspektrum zur Ermittlung starker
störender Schwingungen verarbeitet wird und vorzugsweise
starke Grundschwingungen der Störgeräusche zur
Ausgabe eines Ansteuersignals für Verschlusselemente oder
Strömleitelemente herangezogen werden. Der Geräuschpegel
der Störgeräusche wird einer akustischen Spektralanalyse
unterworfen zur Ermittlung starker Resonanz- oder Grundschwingungen,
und bei Auftreten mindestens einer starken Schwingungsfrequenz wird
ein Ansteuersignal für die Betätigung des Verschlusselements
und/oder des Strömungsleitelements ausgegeben. Vorzugsweise soll
die Spektralanalyse mittels Fast-Fourier-Analyse vorgenommen werden.
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Die
Erfindung soll vorzugsweise in einem schmalbandigen Spektralbereich
eingesetzt werden. Insbesondere wird ein niederfrequenter Spektralbereich
(etwa unterhalb 100 Hz) der Geräuschanalyse unterworfen,
weil besonders dort das störende Wummern auftritt und unterdrückt
werden soll.
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Die
aerodynamisch bedingten Störgeräusche werden durch
ein geeignetes Messmikrofon aufgenommen, wobei vorzugsweise die
Aufnahmecharakteristik oder die weitere Signalverarbeitung durch
Bandpassfilterung beschränkt wird. Das vom Messmikrofon
aufgenommene Störgeräusch wird einer Spektralanalyse – vorzugsweise
einer Fast-Fourier-Analyse (FFT) – unterworfen und die
Frequenzen der stärksten Resonanz- oder Grundschwingungen ermittelt.
FFT ist ein Algorithmus zur schnellen Berechnung der Werte einer
diskreten Fourier-Transformation. Die Beschleunigung des Rechenvorgangs gegenüber
der direkten Berechnung beruht auf der Vermeidung mehrfacher Berechnung
sich gegenseitig aufhebender Terme. Der Algorithmus wird James W.
Cooley und John W. Tukey zugeschrieben, die ihn 1965 veröffentlichten.
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Die
elektronische Signalverarbeitung geschieht in einem Signalprozessor,
welcher auch Teil der elektronischen Ausrüstung des Fahrzeugs
sein kann. Von der elektronischen Signalverarbeitung wird ein Ansteuersignal
für elektromotorisch angetriebene Verschlusselemente (Schiebedach,
Fensterheber) oder Strömungsleitelemente (z. B. Windabweiser,
Spoiler) ausgegeben. Hierdurch kann über eine Steuerelektronik
die Größe der Fensteröffnung (Verschlussmechanik
eines Fensterhebers oder Schiebedachs) oder die Position (vorzugsweise
der Anstellwinkel) des Strömungsleitelements verändert werden.
Die Ansteuersignale können unmittelbar direkt oder über
ein elektronisches Bussystem an die elektromotorischen Antriebe übermittelt
werden. Es gibt verschiedene Buskonzepte (z. B. in Fahrzeugen CAN,
MOST, LIN), die dem Fachmann bekannt sind. Die Anbindung der vorgeschlagenen
elektronischen Signalverarbeitung an ein bestimmtes Buskonzept und
die detaillierte Programmierung des Controllers ist daher in der
Regel immer möglich. Einzelheiten hierfür müssen
dazu hier nicht näher dargestellt werden.
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Der
vom Mikrofon eingespeiste Frequenzgang (Störgeräusch)
kann zusätzlich einem akustischen Komprimierverfahren unterworfen
werden, was einer Vereinfachung und/oder Beschleunigung der Signalverarbeitung
entspricht. Als Komprimierverfahren könnte beispielsweise
das MP3-Verfahren eingesetzt werden.
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Neben
der Auswertung und Spektralanalyse der aerodynamisch bedingten Störgeräusche
können auch andere akustische Geräuschquellen
in die Auswertung und Verwertung einbezogen werden. Die aerodynamisch
bedingten Störgeräusche und die Geräusche
anderer akustischer Geräuschquellen sollen dabei einer
Auswerteschaltung zugeführt werden, die eine Trennung der
beiden Geräusche vornimmt, so dass allein aus dem aerodynamisch
bedingten Störgeräusch die Grundschwingungen herausgezogen und
verwendet werden. Dies wird im weiteren noch näher erläutert.
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Die
Erfindung kann in Fahrzeugen (zu Land, zu Wasser oder in der Luft)
oder in stationären Räumlichkeiten, die einer
starken und störenden aerodynamischen Wind- oder Strömungsbelastung
ausgesetzt sind, eingesetzt werden. Im folgenden soll die Erfindung
speziell für den Einsatz in Fahrzeugen (vorzugsweise in
Automobilen) dargestellt werden, was nicht heißt, dass
durch die speziell auf Fahrzeuge abgehobene Beschreibung eine Beschränkung
der schutzrechtlichen Ansprüche auf Fahrzeuge vorgenommen
wird. Dem Fachmann dürfte es nicht schwerfallen, die anderen
vorgenannten Einsatzgebiete immer mitzubetrachten und die Erfindung
entsprechend auch auf nicht fahrzeuggebundene Gebiete zu übertragen.
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Im
folgenden soll daher die Erfindung nur beim Einsatz in Automobilen
beschrieben werden.
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Wie
zuvor erwähnt, entsteht bei einem Automobil mit offenem
Schiebedach ab einer gewissen Fahrgeschwindigkeit (meistens oberhalb
von 40 km/h) das typische und störende Wummern. In eigenen
Untersu chungen von Automobilen im Windkanal konnte ermittelt werden,
dass es sich um stabile Resonanzerscheinungen der am Schiebedach
erzeugten Wirbel handelt. Die auftretenden Störungen sind als
Resonanzschwingungen zu verstehen, die in dem hinter der Anströmöffnung
liegenden Innenraum (bei einem Fahrzeug, in der Fahrzeugkabine)
erzeugt werden. Der hohle Innenraum wirkt wie ein Helmholtz-Resonator,
in dem eine starke Resonanzschwingung (Grundschwingung) und mehr
oder weniger starke Oberschwingungen angeregt werden. Bei Unterdrückung
der Grundschwingung, verschwinden die Oberschwingungen ebenso.
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Die
störenden Resonanzen haben in Abhängigkeit von
der Fahrgeschwindigkeit eine nahezu frequenzfeste Schwingung bei
Frequenzen im Bereich unterhalb von 50 Hz, bei bestimmten Fahrzeugen
im Bereich von 15 bis 30 Hz. Bei verschiedenen Fahrzeugtypen wird
beobachtet, dass die Grundschwingung, zumindest in einem relativ
großen Fahrgeschwindigkeitsbereich nahezu geschwindigkeitsunabhängig
ist. Allenfalls kann eine leichte Zunahme mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit
festgestellt werden. Weiterhin treten störende Schwingungen
im höheren Frequenzbereich (Pfeifgeräusche) auf,
die von nur mit Schlitzweite geöffneten Fenstern herrühren.
Die Erstreckung der Spektralanalyse auf höhere Frequenzen
erlaubt die Erfassung auch solcher Geräusche.
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In
den Windkanaluntersuchungen konnte bestätigt werden, dass
ein Zufahren des Schiebedaches um einige wenige Prozent der Öffnungsweite (etwa
ca. 1 bis 3 cm) schon ausreicht, um die entstehenden Luftwirbel
unschädlich zu machen.
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Ein
Drucksensor (Mikrofon) zur Erfassung des Geräuschspegels
kann im Innenraum oder in der Nähe der Öffnung
auch außerhalb des Innenraums angeordnet sein, wobei nur
darauf zu achten ist, dass die typischen Wummer-Geräusche
vom Drucksensor ausreichend genau erfasst werden. Die Pegel der Grundschwingungen
sind an den Orten nicht unbedingt identisch mit denen im Fahrgastraum,
doch ist dies für das Verfahren nicht entscheidend, da
es im wesentlichen auf eine Reduzierung der Grundschwingung ankommt
und nicht auf den Pegel des Störgeräuschs.
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Das
Verfahren der Geräuschpegelerfassung, der signaltechnischen
Verarbeitung und der Ansteuerung der elektromotorischen Antriebe
kann automatisch über die Bordelektronik und/oder einen
Automotive-Bus ablaufen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann als Regelkreis
ausgelegt sein, wobei als Regelgröße die Weite
der Fensteröffnung und/oder die Stellung des Windabweisers
und als Störgröße der Pegel der Resonanzschwingung
eingesetzt werden. Das bedeutet, dass bei Abnahme der störenden
akustischen Grundschwingung, was in der Regel durch Verringerung
der Anströmgeschwindigkeit passiert, die Fensteröffnung
automatisch wie der vergrößert und/oder der Windabweiser
wieder zurückgestellt wird. Durch diese direkte Verknüpfung
der Lage des Windabweisers und/oder der Öffnungsweite des
Schiebdachs mit den Druckverhältnissen im Fahrgastraum
lässt sich stets eine optimale Lage von Windabweiser und/oder
Schiebdach ermitteln und einstellen.
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Zur
Vermeidung von Störeinflüssen von bordseitig vorhandenen
und tönenden Schallquellen wird das elektronische – nicht
das akustische – Ausgangssignal einer Schallquelle (z.
B. von im Fahrzeug vorhandene Lautsprecher) erfasst und an einen zweiten,
parallelen Eingang des Operationsverstärkers aufgeschaltet.
Die an den beiden Eingängen vorliegenden akustischen Signale
werden elektronisch subtrahiert und das Ergebnis wie vorbeschrieben
der Spektralanalyse unterworfen. Das Verfahren stellt sicher, dass
tiefe Frequenzen der bordseitigen Schallquelle(n) nicht in die Ermittlung
des niederfrequenten Spektrums eingehen.
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Zusätzlich
kann die Überwachung der Anströmgeschwindigkeit
in das Verfahren mit eingebunden werden. Für die Anwendung
der Erfindung bei stationären Räumlichkeiten muss
dazu ein Windmesser hinzugenommen werden. Für den Einsatz
in Fahrzeugen kann die Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Tachosignal
abgeleitet werden.
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Im
Fahrzeugbetrieb bleibt es nicht aus, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit
in kleinem Maßstab variiert. Um zu vermeiden, dass bei
auftretenden Resonanzen und bei gering variierenden Anströmgeschwindigkeiten
Fensterheber oder Windabweiser stetig auf- und zufahren, kann die
digitale Signalverarbeitung derart eingestellt und programmiert
werden, dass innerhalb eines gewissen Geschwindigkeitsintervalls
(beispielsweise +/– 5 oder 10 km/h) nach Unterdrückung
der störenden Schwingung eine Änderung der Fensteröffnung
nicht erfolgt.
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Das
Ansteuersignal kann vorzugsweise auch in eine Anzeige (z. B. optisch,
als Leuchtdiode) umgesetzt werden, wodurch dem Fahrzeugführer
das Vorhandensein eines Störgeräuschpegels signalisiert
wird. Dies kann dann nützlich sein, wenn das erfindungsgemäße
Verfahren vorher bewusst ausgeschaltet wurde, so dass die optische
Anzeige an die Wiederinbetriebnahme erinnert.
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Vorzugsweise
kann die Einstellung einer Klima- oder Heizanlage in das erfindungsgemäße
Verfahren einbezogen werden. Aus dem Zusammenspiel von Fensteröffnung
und Klimatisierung bestimmt sich die Zufuhr von Luft in den Fahrgastraum und
die Höhe der herrschenden Temperatur. Die akustische Eigenschaft
des schwingungsfähigen Innenraums wird von diesen Parameter
bestimmt. Um zu vermeiden, dass zwar das Störgeräusch
(Wummern oder Pfeifen) unterbunden wird, sich aber gleichzeitig
Verhältnisse einstellen, die für den Fahrer unangenehm
sind, z. B. eine zu hohe Luftzufuhr oder eine zu starke Abkühlung
der Luft im Fahrgastraum, können dem Regelkreis zur Minimierung
der störenden Druckschwankungen weitere Regel kreise zur
Optimierung des Luftdurchsatzes und/oder der Innenraumtemperatur überlagert
sein.
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Um
die elektronische Signalverarbeitung zu beschleunigen oder zu vereinfachen,
kann vorgesehen werden, Stellungen des Windabweisers oder des Schiebedachs
in Bezug auf die Parameter, die den Fahrzeugzustand beschreiben,
abzuspeichern und die so gewonnenen Datensätze als Bibliothek
zur Verfügung zu stellen. Die Werte müssen lediglich
aus dem Speicher ausgelesen werden, wenn im Fahrbetrieb dieselben
akustischen und/oder klimatischen Parameter festgestellt werden,
da optimale Werte für die Einstellung des Schiebedachs
und/oder des Windabweisers in der Bibliothek abgelegt sind. Das erfindungsgemäße
System kann somit vorzugsweise auch selbstlernend ausgestaltet sein.
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Bei
serienmäßig in großer Stückzahl
hergestellten Fahrzeugen bietet es sich an, die Akustik des Fahrzeuginnenraums,
beispielsweise im Windkanal auszumessen und die Akustik in Beziehung
zur Fahrzeug- oder Anströmgeschwindigkeit und zur Öffnungsweite
der Dach- und Fensteröffnungen zu setzen. Hierdurch kann
ein akustisches, elektronisch speicherbares Fahrzeugparametermodell
hergestellt werden, welches in der Bordelektronik digital abgelegt
wird. Mit einer solchen Maßnahme erübrigt sich die
online-Erfassung des Geräuschspegels, weil mit dem hinterlegten
akustischen Fahrzeugmodell Windabweiser und/oder Fensterheber in
Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit derart angesteuert
werden können, dass Störsituationen durch Wummern
oder Pfeifen gar nicht erst auftreten.
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Es
wird mindestens eine Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens
vorgeschlagen, deren Einzelheiten kurz beschrieben werden. Die Merkmale
der Anordnung können einzeln oder in Kombination miteinander
verwirklicht sein.
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Zur
Erfassung der durch die Anströmung ausgelösten
Schwingungen ist ein Drucksensor (Mikrofon) vorhanden, dessen Ausgangssignal
einer elektronischen Verarbeitungskette zugeführt wird. Der
Frequenzgang der von der Anströmung ausgelösten
Schwingungen wird elektronisch einer Spektralanalyse, vorzugsweise
nach dem Fast-Fourier-Transformationsverfahren (FFT) unterworfen.
Es wird ein Ansteuersignal für die Betätigung
mindestens eines Verschlusselements und/oder mindestens eines Strömungsleitelements
gebildet, wenn mindestens eine über einer vorgebbaren Schwelle
liegende Spektrallinie (Wummerresonanzlinie) ermittelt ist.
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Die
Verarbeitung des Frequenzgangs kann zur Beschleunigung der Verarbeitung
vor der Fast-Fourier-Transformation einer schmalbandigen Trackinganalyse
unterworfen werden.
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Das
Ansteuersignal soll über einen elektronischen Bus ausgebar
sein.
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Der
Eingang der elektronischen Verarbeitungskette kann als Addierer
ausgebildet sein, auf dessen ersten Eingang das Ausgangssignal des Drucksensors
und auf dessen zweiten Eingang ein elektronisches Ausgangssignal
einer im Fahrgastraum vorhandenen Schallquelle (Lautsprecher eines Entertainmentsystems)
geführt ist und das elektronische Ausgangssignal der internen
Schallquelle vom Ausgangssignal des Drucksensors subtrahiert wird.
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Es
kann eine, vorzugsweise optische Anzeige vorhanden sein, die vom
Ansteuersignal beaufschlagt wird.
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Um
die Fahrzeugakustik möglichst vollständig zu erfassen,
kann weiterhin und ergänzend der Öffnungszustand
des Schiebedaches, die Fahrgeschwindigkeit, der Öffnungsgrad
von weiteren Fenstern oder Türen im Fahrzeug ermittelt,
sowie die Einstellung der Klimaanlage berücksichtigt und
in die motorische Ansteuerung eingebracht werden. Außerdem
können Fahrereingaben berücksichtigt werden, die
die Wünsche hinsichtlich der Luftbewegung im Fahrgastraum
und die dort herrschende Temperatur betreffen.
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Aus
dem Öffnungszustand des Schiebedaches, der Fensterheber
und/oder der Position des Windabweisers und der Fahrgeschwindigkeit
kann unter Berücksichtigung eines Fahrzeugmodells die Position
des Strömungsleitelements (Anstellwinkel) und/oder die
Weite der Fensteröffnung ermittelt werden. Dabei werden
ggf. noch weitere Messgrößen, wie Temperaturen
und Luftdurchsatz im Fahrgastraum, einbezogen. Eine Korrektur der
Position des Strömungsleitelements oder der Weite der Fensteröffnung
erfolgt über die zusätzlichen Fahrzeugzustandsdaten.
Des weiteren ist vorgesehen, dass der Fahrer auch unmittelbar Einfluss
nehmen kann auf die Strömungsverhältnisse am Schiebdach,
um eine als nicht optimal empfundene Einstellung im eigenen Sinn
zu beeinflussen. In letzteren Fall ist es angezeigt, das erfindungsgemäße
Verfahren, bzw. die Anordnung von automatischem Betrieb auf manuellen Betrieb
umschaltbar zu gestalten.
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In
Neufahrzeugen ist eine Implementierung der erfindungsgemäßen
Technologie einfach zu realisieren. Die Zusatzkosten fallen relativ
gering aus.
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Das
hier erarbeitete Konzept kann in bereits bestehenden Fahrzeugen
nachgerüstet werden, wobei vorausgesetzt wird, dass elektromotorisch
angetriebene Schiebedächer oder Fensterheber vorhanden
sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren stellt eine erhebliche
Verminderung des Geräuschpegels in Fahrzeugen dar. Zusätzlich
wird ein positiver Effekt auf die Fahrsicherheit erreicht.
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Wie
schon erwähnt, kann die Erfindung bei aerodynamisch angeströmten Öffnungen
(Fenstern, Schiebedächer, Seitenfenstern) von Land-, Luft-
oder Wasserfahrzeugen oder in Gebäuden in windanfälligen
Regionen eingesetzt werden.
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Um
die Erfindung weiter zu erläutern, wird ein Ausführungsbeispiel
in den Figuren dargestellt. Diese zeigen im Einzelnen:
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1:
Lautstärke in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit,
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2:
Frequenz einer aus Spektralanalyse ermittelten starken Schwingung,
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3:
allgemeines Schema der Signalverarbeitung und
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4:
eine Analysemodul.
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Die
in den 1 und 2 dargestellten Diagramme stammen
aus Messreihen mit einem PKW im Windkanal. Es handelt sich um typische
Messergebnisse, die ähnlich und vergleichbar auch bei anderen
PKWs gewonnen werden konnten.
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Die 1 zeigt
die gemessene Lautstärke L in der Fahrzeugkabine eines
PKWs mit offenem Schiebedach in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit.
Die Anströmgeschwindigkeit muss nicht notwendig die Fahrtgeschwindigkeit
eines Fahrzeuges bedeuten, da äußere Windeinflüsse
(Gegenwind, Rückenwind) auftreten können. Die
in der Kurve vorhandenen Signaleinbrüche sind messtechnischer
Natur und sind darauf zurückzuführen, dass in gewissen
kleinen Geschwindigkeitsabschnitten keine akustisches Signale erfasst
wurden. Die Lautstärke steigt mit zunehmender Geschwindigkeit
an, wobei auffällt, dass im Geschwindigkeitsbereich zwischen 45
und 70 km/h eine besondere Zunahme W der Lautstärke L gemessen
wird, die oberhalb des (etwa) exponentiellen Verlaufs liegt. Diese
Zunahme W an Lautstärke beruht auf Wummern bei offenem
Schiebedach. Bei Messungen mit geschlossenem Schiebedach ist eine
solche Erhöhung der Lautstärke nicht feststellbar.
Die Lautstärke-Erhöhung W ist abhängig von
der Weite der Schiebedach-Öffnung, so dass die beobachtbare
Lautstärkezunahme bei anderer Öffnungsweite in
anderen Geschwindigkeitsbereichen liegt.
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Die 2 zeigt
eine starke akustische Spektrallinie P bei 16,1 Hz aus der Spektralanalyse
des Geräuschspegels bei der zu 1 gehörenden
Anströmgeschwindigkeit G mit 50 km/h. Hier ist also messtechnisch
das Wummern als Resonanzerscheinung im niederfrequenten Spektralbereich
dokumentiert. Die Spektrallinie bei 16,1 Hz ist stark verbreitert, weil
die messtechnische Auflösung (im vorliegenden Fall) klein
ist. Mit Erhöhung der Auflösung würde
man schmälere Spektrallinien erhalten. Die Lautstärke
der Schwingung P bei 16,1 Hz ist extrem groß, wie es nach
der Lautstärke-Erhöhung W aus 1 zu
erwarten ist. Für das erfindungsgemäße
Verfahren und seine technische Umsetzung ist die Stärke,
jedoch nicht die Breite der Spektrallinie von Bedeutung. Die Schwingungsfrequenz
bei 16,1 Hz wurde über schnelle Fast-Fourier-Transformation
(FFT) ermittelt.
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3 zeigt
ein allgemeines Schema der Signalverarbeitungskette des Geräuschspegels
M. Das Geräusch M wird von einem – nicht gezeichneten – Mikrofon
laufend erfasst und den elektronischen Modulen SP1 bis SP4 zugeführt.
Die Signalverarbeitungsmodule SP1 und SP2 stehen stellvertretend
für entsprechende elektronische Einheiten, wo SP1 beispielsweise
ein Eingangsverstärker sein kann. Das Geräusch
M wird im Modul SP2 bandpassgefiltert und im folgenden Modul SP3
der Fast-Fourier-Transformation (FFT) unterworden. Zur Ermittlung
des Ausgangssignals S, welches auf einen elektromotorischen Antrieb
eines Schiebedaches oder Fensterhebers gegeben wird, werden aus
den Spektrallinien nur solche Linien herausgefiltert, die eine Lautstärke haben,
die über einer vorgebbaren Schwelle liegen, beispielsweise
stärker als –40 dBV sind. In der Regel findet
man dann nur eine einzige starke akustische Schwingung, die durch
die Anströmung angeregt ist.
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Bei
Auftreten der starken Schwingungsfrequenz, die auf Wummern zurückzuführen
ist, wird über die Fahrzeugelektronik SP4 (oder über
einen Automotive-Bus B) ein Elektromotor angesteuert, der die Größe
der Fensteröffnung (Schiebedach) verkleinert und/oder die
Veränderung der Position (vorzugsweise den Anstellwinkel)
des Strömungsleitelements (Windabweiser) vornimmt. Weiterhin
eingezeichnet ist ein Signal TS, welches in die Verarbeitungskette eingeführt
wird (beispielsweise in eins der Module SP3 oder SP4). Eine solche – auch
mit Tachosignal bezeichnete – Größe TS
kann ein weiterer Regelparameter sein, beispielsweise die Innenraumtemperatur
oder die Fahr- oder Anströmgeschwindigkeit. Das Signal
TS bildet – wie schon erwähnt – die Korrelation zu
anderen akustischen oder klimatischen Größen. Das
Signal TS kann auch aus einem Windgeschwindigkeitsmesser herrühren
und bei raumfestem (stationärem) Einsatz der Erfindung
verwendet werden.
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Unter
Einbeziehung des Geschwindigkeitssignals TS wird im Zusammenhang
mit dem eingekoppelten Wummersignalanteil eine Hysterese von ± 5 oder
10 km/h um die gemessene Geschwindigkeit mit der Logik erfasst.
Liegt das Eingangssignal im Bereich der Hysterese, so wird über
die Kommunikationsschnittstelle z. B. dem Schiebedach signalisiert, die
vorhandene Ausgangsposition um einige Prozentanteile in Schließrichtung
zu verändern, bis keine Resonanz-Frequenz mehr messbar
ist.
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Bei
einer Rückführung einer Stellgröße
S für das Stromleitelement und/oder das Schiebedach in die
Signalverarbeitung kann auch ein Regelkreis gebildet werden (hier
in der Figur nicht dargestellt). Hierbei wird aus dem Fahrzeugzustand
und dem akustischen Messwert, repräsentieren durch die
störende Grundschwingung, ein Stellparameter für
das Stromleitelement und/oder das Schiebedach zur Ansteuerung der
elektromotorischen Antriebe errechnet. Der Stellparameter wird durch
einen Vergleich von Ist- und Sollwerten in einem elektronischen
Vergleicher dabei so lange verändert, bis die stärkste Resonanzschwingung
verschwunden oder unter eine vorgebbare Schwelle gesunken ist. Das
Schiebedach öffnet somit wieder, wenn das Wum mern nicht mehr
messbar ist.
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In 4 ist
ausführlicher ein Analysemodul dargestellt, bei dem am
Eingang der Verarbeitungskette neben dem Geräuschsignal
M1 auch das elektronische Ausgangssignal M2 einer Schallquelle (z. B.
von im Fahrzeug vorhandene Lautsprecher) erfasst wird. Das erste
Signal wird auf den nicht-invertierenden Eingang, das zweite Signal
auf den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers
(im einfachsten Fall mit Verstärkung 1:1) geschaltet. Mit der
Unterdrückung fremder akustischer Signale ist sichergestellt,
dass starke Frequenzen von bordseitigen Schallquelle(n) nicht in
die Ermittlung der störenden Resonanzschwingung eingehen.
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Am
Ausgang des Operationsverstärkers liegt der charakteristische
Frequenzgang des Fahrgeräusches vor. Der Frequenzgang wird
durch einen nachgeschalteten analogen Bandpass reduziert, um die nachfolgende
Frequenzanalyse zu beschleunigen. Die Breite des Bandpasses ist
abgestimmt auf eine Analysebandbreite, die von der erwarteten Bandbreite
der Wummereffekte abhängt. Vorzugsweise wird die Bandbreite
der Wummereffekte bei einem Fahrzeug einmal ausgemessen und fest
in der Verarbeitungskette programmiert. So kann beispielsweise die Analysebandbreite
im Tiefpassbereich auf Frequenzen kleiner 100 Hz, bei bestimmten
Fahrzeugen sogar auf Frequenzen kleiner 50 Hz fest eingestellt werden,
so dass die Spektralanalyse nur für diese Frequenzen vorgenommen
wird. Soll bei Fahrzeugen vermieden werden, dass Pfeifgeräusche
durch nur schmal geöffnete Fenster auftreten, kann die
Analysebandbreite auch auf ein zweites im höheren Frequenzbereich
(beispielsweise zwischen 1000 und 1600 Hz) liegendes Band eingestellt
sein.
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Im
allgemeinen Fall, bei dem bestimmte schmalbandige Frequenzbereiche
nicht von vornherein festgelegt sind, wird der analoge Bandpass
mit vorbestimmter Breite über den gesamten akustischen
Lautstärkebereich durchgestimmt (sogenanntes Tracking-Verfahren).
Der Lautstärkebereich kann nach oben bei einigen 1000 Hz
begrenzt sein, weil hohe und höchste Stör-Frequenzen
bei Räumen in der Größe von Fahrzeugkabinen
durch äußere Anströmung nicht auftreten
oder extrem selten sind. Wie erwähnt, ist eine Fahrzeugkabine
physikalisch als Helmholtz-Resonator zu betrachten, bei dem sich – mit
der Größe zunehmend – die Resonanzfrequenz zu
niederfrequenter Störung (Wummern) verschiebt.
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Die
aus der Spektralanalyse gewonnenen Signale (Resonanz- oder Wummer-Frequenzen)
mit einer ausreichenden Signalamplitude werden – wie schon
zu 3 beschrieben – weiterverarbeitet.
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- B
- Automotive-Bus
- f
- Frequenz
- FFT
- Fast-Fourier-Transformation
- G
- Fahr-
oder Anströmgeschwindigkeit
- M
- Geräusch-Signal(Frequenzgang)
- M1
- Geräusch-Signal
(akustisch)
- M2
- Musiksignal
(elektrisch)
- L
- Lautstärke
- S
- Ansteuerung
Windabweiser/Schiebedach
- SP1
... SP4
- Signal-Prozessoren
- TS
- Tachosignal
- W
- „Wummern"
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19633188
C1 [0005]
- - DE 10160943 A1 [0006]