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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Merkmalen einer Schallemission von Verbrennungsmotoren, bei dem wenigstens ein Merkmal des von einem Verbrennungsmotor abgestrahlten Audioschalls im Umfeld des Verbrennungsmotors bestimmt wird.
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Verbrennungsmotoren verursachen verfahrensbedingt durch Schwingungsanregung aus der Verbrennung eine Schallemission, welche im Inneren und im Umfeld des Fahrzeugs wahrnehmbar ist. Einerseits ist es Ziel technischer Entwicklungen, die so abgestrahlten Schallemissionen zu vermindern oder in bestimmten Frequenzbereichen zu beeinflussen. Der Klang eines Fahrzeuges im Inneren sowie die nach außen abgestrahlten Schallemissionen werden hierfür gezielt beeinflusst. Für Fahrzeuge erfolgt in deren Entwicklung ein sog. Sounddesign, in dem Aspekte der Schallreduktion oder bestimmter markentypischer Soundmerkmale gezielt gestaltet werden. Ein Großteil der Schallemissionen wird durch die Abgasanlage abgestrahlt. Hier sind passive Systeme, wie Schalldämpfer etc., bekannt, wobei weiterhin auch aktive Systeme zur Erzeugung von Gegenschall oder zur gezielten Frequenzbeeinflussung verwendet werden. So ist es aus der Veröffentlichung der europäischen Patentanmeldung
EP 526111 A2 vorbekannt, eine aktive Schallquelle, beispielsweise einen Lautsprecher, in der Abgasanlage vorzusehen, die auf Basis eines Signals eines Mikrophons am endseitigen Ausgang der Abgasanlage angesteuert wird. Mit Hilfe des Lautsprechers kann gezielt die durch die Abgasanlage abgestrahlte Schallemission verändert werden.
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Weiterhin vorbekannt ist aus der Veröffentlichung der europäischen Patentanmeldung
EP 2110523 A1 die Verwendung einer aktiven Schallreduktion (ANC Active Noise Cancellation). Hier wird ein zum abgestrahlten Schallsignal gleichfrequentes, aber gegenphasiges Schallsignal in die Abgasanlage eingekoppelt, so dass eine Reduktion des abgestrahlten Schallsignals erreicht wird. Die Frequenz des Schallsignals wird in einer Art Vorsteuerung aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine gewonnen. An der Abgasanlage ist ein Mikrophon angeordnet, welches die abgestrahlte Schallemission erfasst. Wird ein über die Vorsteuerung ermitteltes gegenphasiges Signal eingekoppelt, erfasst das Mikrophon nur noch die Residue, wobei eine Korrektur des eingekoppelten Schallsignals erfolgen kann, um die Residue, also den trotz Gegenschall abgestrahlten Schall, zu vermindern. Bei Annäherung des Fahrzeuges an ein Hindernis, insbesondere, wenn beim Einparken die Öffnung der Abgasanlage zu einem Hindernis zeigt, entstehen zusätzlich zum abgestrahlten Schall durch die Reflexionen der Schallemission hervorgerufene Resonanzen, die durch das Mikrophon nicht erfasst werden und durch den Basisalgorithmus nicht ausgeregelt werden. Hier erfolgt die Einbindung des Abstandssignals aus den Parksensoren. Auf Basis des Abstandssignals wird die Ansteuerung des gegenphasig eingekoppelten Schalls verändert. Eine Auswertung des Schallsignals der Parksensoren hinsichtlich aufmodulierter Anteile der von der Abgasanlage hervorgerufenen Schallemission erfolgt nicht. Es wird lediglich das bereits vorhandene Abstandssignal in die Berechnung eingebunden.
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Für aktive Systeme, die im geschlossenen Regelkreis betrieben werden und damit auf aktuell abgestrahlte Schallemissionen nahezu in Echtzeit reagieren müssen, ist die möglichst genaue Erfassung der Schallmerkmale eine notwendige Voraussetzung. Die Messung an oder in der Abgasanlage ist aufgrund der Umgebungsbedingungen sowie des breiten Temperaturbereiches schwierig. Vorbekannt sind hierzu Schwingungsmessungen an der Abgasanlage und Mikrophonanordnungen, deren Messsignal zur Regelung aktiver Systeme verwendet wird. Diese Systeme unterliegen im Umfeld der Abgasanlagen einem erhöhten Verschleiß oder sind nicht in der Lage, direkt am Abstrahlungsort Messwerte aufnehmen zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher Merkmale der von Verbrennungsmotoren abgestrahlten Schallemissionen ermittelt werden, mit denen gezielt lokale Abstrahlquellen bewertet werden können.
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Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Merkmalen einer Schallemission wenigstens einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger auf, so dass ein Ultraschallsignal vom Sender zum Empfänger abgestrahlt werden kann. Die Übertragungsstrecke ist dabei so gestaltet, dass ein von der zu bewertenden Emissionsquelle stammendes Audiosignal den Übertragungsweg vom Sender zum Empfänger kreuzt. Treten Schallemissionen auf, erfolgt eine Beeinflussung der sowohl den Ultraschall, als auch den Audioschall von der Emissionsquelle transportierenden Luftmoleküle, so dass das Ultraschallsignal mit dem von der Emissionsquelle abgestrahlten Audioschall moduliert wird. Im Empfängersignal bildet sich somit das Audiosignal ab und ist hinsichtlich der Frequenz und/oder Phasenlage und/oder Amplitude bewertbar. Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt so eine berührungslose Messung, die eine lange Lebensdauer der Messvorrichtung erlaubt. Weiterhin kann das durch die Emissionsquelle abgestrahlte Schallsignal gemessen werden, ohne Sensoren direkt am Abstrahlort anzubringen. So kann beispielsweise direkt vor der endseitigen Öffnung der Abgasanlage eine Messung erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Weiterbildung nutzt eine schallreflektierende Fläche, so dass das vom Ultraschallsender abgestrahlte Schallsignal von einem Ultraschallempfänger nach Reflexion wieder empfangen wird. Dies erlaubt einen größeren Freiraum bei der Anordnung der Sensoren, da diese nicht mehr in direkter Sichtverbindung zueinander angeordnet werden müssen. In erfindungsgemäßer Weiterbildung können so Ultraschallsender und Empfänger nebeneinander angeordnet werden, wobei wenigstens eine fahrzeugeigene oder eine im Umfeld des Fahrzeugs befindliche schallreflektierende Fläche das Signal des Schallsenders zum Empfänger reflektiert. Beispielsweise kann eine zusätzliche Reflexionsfläche im Bereich der Abgasanlage angeordnet sein oder es wird eine Umgebungsfläche, beispielsweise die Fahrbahn als Reflexionsfläche genutzt. Erfolgt eine direkte Reflexion vom Sender zu diesem zurück, ist es auch möglich, Sender und Empfänger in einem Ultraschallwandler zu vereinen. Durch den wechselseitigen Betrieb als Sender und nachfolgend als Empfänger kann der abgestrahlte Schall vom selben Ultraschallwandler wieder empfangen werden. Ein Vergleich des ausgesendeten und des empfangenen Signals hinsichtlich der Modulation durch den Audioschall der Emissionsquelle ist somit mit einem Ultraschallwandler möglich. Gleichfalls können in einer alternativen Ausgestaltung Sender und Empfänger in einem Gehäuse untergebracht werden. Zur Kompensation von vibrationsbedingten Einflüssen ist es möglich, parallel eine zusätzliche Entfernungsmessung des Signalweges vom Sender zum Empfänger, z. B. eine Laserabstandsmessung, vorzusehen.
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In einer möglichen Ausgestaltung sind Ultraschallsender und Ultraschallempfänger im hinteren Stoßfänger eines Fahrzeuges angeordnet. Hier kann beispielsweise die Fahrbahnoberfläche oder eine weitere fahrzeugeigene Reflexionsfläche genutzt werden, um das Ultraschallsendersignal zum Ultraschallempfänger zu reflektieren. Die Anordnung im Stoßfänger erlaubt es, Ultraschallsender und Ultraschallempfänger nahe an der endseitigen Öffnung der Abgasanlage zu positionieren. Weiterhin ist es möglich, bei geeigneter Ausgestaltung der Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik die Ultraschallsensoren zu verwenden, die zur Überwachung des Freiraumes im Heckbereich, z. B. für die „Park Distance Control”, vorhanden sind.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung sind Schallsender und Ultraschallempfänger innerhalb der Abgasanlage angeordnet.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft wird ein Verfahren zur Bestimmung von Merkmalen einer Schallemission von Verbrennungsmotoren geschaffen, bei dem ein Ultraschallsignal von einem Ultraschallsender zu einem Ultraschallempfänger abgestrahlt wird. Ein den Übertragungsweg zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger kreuzendes Audioschallsignal moduliert dabei das Ultraschallsignal vor seinem Auftreffen auf den Ultraschallempfänger, so dass sich das von der zu bewertenden Schallemissionsquelle stammende Audioschallsignal im empfangenen Ultraschallsignal abbildet. Durch Auswertung der durch das Audiosignal hervorgerufenen Modulation sind Merkmale des Audioschallsignals berechenbar, da die Modulation mit Amplitude und Frequenz des Audioschallsignals erfolgt.
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Erfindungsgemäß erfolgt für mehrere Ultraschallempfänger und Sender eine kombinierte Auswertung aller Signale. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass sich die Modulation des Ultraschallsignals zwischen Sender und Empfänger nacheinander als Modulation der Ultraschallsignale entlang der Abgasanlage abbildet. Zum einen lässt sich damit die Signalentwicklung feststellen und durch Mehrfachmessung eine Steigerung der Genauigkeit erzielen. Zum Anderen ist durch Auswertung der Laufzeit zwischen den einzelnen Empfängern aus der Schallgeschwindigkeit die Temperatur ermittelbar. Temperaturabhängige Einflüsse können somit berücksichtigt bzw. kompensiert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den nachfolgend beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispielen und werden gemeinsam mit deren vorteilhaften Wirkungen erläutert.
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Hierbei zeigen:
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1: ein Ausführungsbeispiel mit Reflexion des Signals an der Fahrbahnoberfläche,
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2: ein Ausführungsbeispiel mit Reflexion des Signals an einem Teil der Abgasanlage,
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3: ein Ausführungsbeispiel mit innerhalb der Abgasanlage angeordneten Sensoren,
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4: ein Ausführungsbeispiel mit mehreren in der Abgasanlage angeordneten Ultraschallsensoren.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Bestimmung von Merkmalen einer Schallemission eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Im Endrohr einer Abgasanlage 1 ist ein zur Beeinflussung von deren Schallemissionsverhalten genutzter Aktor 2 angeordnet. Dieser kann beispielsweise als mechanischer Schwingungsgeber ausgeführt sein. Der Aktor 2 wird von einem Steuergerät 3 angesteuert, dem die Signale einer in einem Stoßfänger 4 angeordneten Ultraschall Sender-/Empfängereinheit 5 anliegen. In der dargestellten Ausführung symbolisieren die Pfeile die von der Sender-/Empfängereinheit 5 ausgesendete Ultraschallwelle, welche an der Fahrbahnoberfläche 8 reflektiert wird. Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird die zur Fahrbahnoberfläche 8 gesendete und die von dieser rücklaufende Welle durch die aus der Öffnung 6 des Endrohrs der Abgasanlage 1 austretenden Abgase bzw. deren Schallemission beeinflusst. Obwohl sich die Sender-/Empfängereinheit 5 entfernt von der Öffnung 6 befindet, kann durch Auswertung der Modulation des Ultraschallsignals eine Messung der Schallemission an der Quelle an der symbolisch strichliert dargestellten virtuellen Schallaufnahmeposition 7 erfolgen. Das Messverfahren ist dabei besonders günstig mit stark fokussiertem Ultraschall konstanter Frequenz einsetzbar. Dieser wird durch den Raum und ggf. reflektiert zum Empfänger gesendet und von diesem aufgenommen. Von der Emissionsquelle wird ein Audioschallfeld überlagert, das sich durch Auswertung des aufgenommenen Ultraschallsignals in einer im Empfängersignal messbaren Modulation widerspiegelt. Unabhängig vom Trägersignal, welches durch die Frequenz des abgestrahlten Ultraschalls bestimmt ist, sind getrennte Frequenzbänder mit der Frequenz des eingestrahlten Audioschallfeldes ermittelbar. Es führen zwei sich überlagernde Prinzipien zur Modulation des Ultraschallsignals. Sowohl das Trägersignal – die Ultraschallwelle – als auch das durch die Emissionsquelle dieser überlagerte Audioschallsignal werden von denselben Gasmolekülen transportiert, wobei der Audioschall zu einer Modulation der Phasenlage führt, die auch als Änderung der örtlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit beschrieben werden kann. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls ist weiterhin vom Gaszustand, z. B. dessen Dichte, abhängig. Der Gaszustand verändert sich in Abhängigkeit vom eingestrahlten Audiosignal und bewirkt ebenfalls eine Modulation der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls. Beide Effekte wirken gleichzeitig und können über die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls beschrieben und somit überlagert werden. Eine mögliche Auswertung des aufmodulierten Signals ist damit über eine Beschreibung von dessen Einfluss als Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit an jeder Stelle des Ausbreitungsweges möglich. Die resultierende Phasenverschiebung am Empfänger ist damit über eine Integration über die Variation der Schallgeschwindigkeit entlang des Ausbreitungsweges möglich.
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2 zeigt einen zur 1 ähnlichen Aufbau, wobei abweichend zu dieser die von der Sender-/Empfängereinheit 5 ausgesendete Ultraschallwelle an einem Teil der Abgasanlage 1 bzw. einer an dieser angeordneten Reflexionsfläche 9 reflektiert wird.
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3 zeigt wiederum einen abweichenden Reflexionsort im Inneren der Abgasanlage 1, bei welcher die Sender-/Empfängereinheit 5 im Inneren des Endrohrs der Abgasanlage 1 angeordnet ist. Deren Position kann dabei variieren, wobei bevorzugt eine motornahe Position gewählt werden kann, um die Entstehungsorte der Schallemission bewerten zu können. In der 3 ist ein offener Aufbau gezeigt, in welchem eine Erweiterung in der Abgasanlage 1 genutzt wird. Es besteht alternativ die Möglichkeit, eine strichliert dargestellte Membran 10 zu nutzen, um den Schallraum von der Abgasanlage 1 zu kapseln. Die Membran 10 ist dabei schwingungsfähig ausgeführt und wird von den Schallpulsationen in der Abgasanlage 1 angeregt.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mehreren innerhalb der Abgasanlage 1 angeordneten Ultraschallsendern und Empfängern. Die Sender-/Empfängereinheiten 5 sind nacheinander entlang des Strömungsweges des Abgases in der Abgasanlage 1 angeordnet. Es ist beispielhaft eine Ausführung mit drei Sender-/Empfängereinheiten 5 dargestellt, wobei weitere Sender-/Empfängereinheiten 5 vorgesehen sein können. Für eine beabsichtige Laufzeitbestimmung sind mindestens zwei beabstandete Sender-/Empfängereinheiten 5 vorzusehen. Auf Basis der Auswertung der Empfängersignale ist eine Temperaturbestimmung und Kompensation temperaturbedingter Messeffekte möglich. Das auf das Ultraschallsignal aufmodulierte Audioschallsignal bildet sich entlang der Abgasanlage 1 in jedem Signal der Ultraschallempfänger in ähnlicher Weise, nur in seiner Laufzeit verschoben ab. Durch Korrelationsbetrachtungen ist es möglich, die Laufzeit des Signals zwischen den einzelnen Empfängern aus dem Empfängersignal zu bestimmen. Hierfür erfolgt eine gemeinsame Auswertung der Empfängersignale. Aus der Laufzeit und der bekannten Entfernung der Empfänger zueinander ist die Schallgeschwindigkeit bestimmbar. Die Schallgeschwindigkeit ist für bekannte Medien eine bekannte Größe und wird insbesondere durch die Temperatur beeinflusst. Bereinigt um die Mitführeffekte des strömenden Gases ist somit über die Laufzeit und damit die Schallgeschwindigkeit eine indirekte Temperaturbestimmung möglich. Weiterhin erlaubt eine Mehrfachanordnung der Sensoren entlang der Abgasanlage die Beurteilung des Signals hinsichtlich seiner Entwicklung über die Laufzeit. Es ist somit möglich, in Richtung der motornahen Entstehung des Schallsignals zu extrapolieren und aus dem Verlauf des Schallsignals adaptive Eingriffe zum Sounddesign besonders wirkungsvoll abzustimmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasanlage
- 2
- Aktor
- 3
- Steuergerät
- 4
- Stoßfänger
- 5
- Sender-/Empfängereinheit
- 6
- Öffnung
- 7
- virtuelle Schallaufnahmeposition
- 8
- Fahrbahnoberfläche
- 9
- Reflexionsfläche an der Abgasanlage
- 10
- Membran
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 526111 A2 [0002]
- EP 2110523 A1 [0003]
