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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät zur Klangsynthese nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuergerät.
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In der Fahrzeugtechnik werden Fahrzeuge, die zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben werden und nicht an Schienen gebunden sind, allgemein als Elektrokraftfahrzeuge bezeichnet. Die für unterschiedliche Gattungen von Elektrokraftfahrzeugen in Fachkreisen verwendeten Bezeichnungen sind umfangreich, zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch wenig systematisiert und nicht eindeutig. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff „Elektrokraftfahrzeug” daher in einem umfassenden Wortsinn verwendet, der sogenannte Hybridelektrokraftfahrzeuge, welche ein zusätzliches, nichtelektrisches Antriebssystem – etwa eine Verbrennungskraftmaschine – ausdrücklich einschließt.
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Die Geräuschentwicklung zum Antrieb gattungsgemäßer Elektrokraftfahrzeuge üblicherweise verwendeter Elektromotoren ist zumeist vergleichsweise gering, da Letztere – besonders im Gegensatz zu konventionellen Verbrennungsmotoren – keine explosionsartigen Verbrennungen zur mechanischen Energieerzeugung benötigen. Wahrnehmbar ist neben denjenigen üblicher Aggregate entsprechenden Reifen-Fahrbahn-Geräuschen typischerweise lediglich ein leises und mittel – bis hochfrequentes Geräuschbild, welches drehzahlabhängig vom eingesetzten Elektromotor und Getriebe selbst erzeugt wird.
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Problematisch ist in diesem Zusammenhang die intuitive Erkennung des aktuellen Betriebszustands des Elektrokraftfahrzeugs durch den Fahrzeugführer, der durch die Nutzung herkömmlicher Kraftfahrzeuge an die akustische Rückmeldung gewöhnt ist, welche der Verbrennungsvorgang innerhalb eines konventionellen Motors zwingend bedingt.
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DE 10 2010 053 351 A1 offenbart im Hinblick auf diesen Umstand eine Vorrichtung zur akustischen Information eines Fahrzeugführers in einem Fahrzeug, welches eine akustische Ausgabevorrichtung und eine erste Steuereinheit zur Steuerung und/oder Regelung von Fahrzeugbetriebsparametern und/oder Fahrzeugzustandsgrößen umfasst. Gemäß
DE 10 2010 053 351 A1 ist dabei eine zweite Steuereinheit mit der ersten Steuereinheit und der akustischen Ausgabevorrichtung gekoppelt, wobei die zweite Steuereinheit anhand der Fahrzeugbetriebsparameter und/oder der Fahrzeugzustandsgrößen ein Ansteuersignal für die akustische Ausgabevorrichtung erzeugt, wodurch mittels der akustischen Ausgabevorrichtung ein stetiges synthetisches Geräusch in einem Fahrzeuginnenraum erzeugbar oder zumindest in einen Fahrzeuginnenraum einleitbar ist. Eine entsprechend angepasste Vorrichtung ließe sich auch zur Erzeugung eines Außengeräuschs verwenden.
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Dagegen betrifft
DE 10 2011 112 179 A1 ein Verfahren zur Erzeugung eines synthetischen Antriebsgeräuschs in einem Kraftfahrzeug. Auch dieses Antriebsgeräusch wird nach dem in
DE 10 2011 112 179 A1 vorgeschlagenen Ansatz insbesondere hinsichtlich seiner Lautstärke anhand einer klassifizierten Fahrsituation gesteuert und/oder geregelt.
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Ein Nachteil der genannten Ansätze liegt indes in ihrem Unvermögen, eine Mehrzahl unterschiedlicher Betriebsparameter in einem einzigen, komplexen Klanggebilde zu vermitteln.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zum Einsatz in einem Elektrokraftfahrzeug geeignetes Steuergerät bereitzustellen, welches ein durch den Fahrer instinktiv/intuitiv zu deutendes Klangbild synthetisiert, das den gegenwärtigen Betriebszustand des Fahrzeugs sowie etwaige dynamische Lastanforderungen an selbiges Fahrzeug in gleicher Weise widerspiegelt. Die Erfindung stellt sich ferner der Aufgabe, ein gattungsgemäßes Elektrokraftfahrzeug um die genannte Fähigkeit zu ergänzen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Elektrokraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, mittels eines in das Elektrokraftfahrzeugs eingebetteten Steuergeräts eine Vielzahl unabhängiger Klangebenen zu schaffen, die jeweils einen Betriebsparameter des Elektrokraftfahrzeugs repräsentieren. Durch eine Überlagerung sämtlicher Klangebenen im Wege der Klangsynthese gelingt es sodann, künstlich einen Klangkomplex zu erzeugen, welcher durch seine hohe Informationsdichte dem Fahrzeugführer ein einfach zu interpretierendes Gesamtbild des Betriebszustands vermittelt.
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Ein erfindungsgemäßes Steuergerät ist zum Erfassen der aktuellen Parameterwerte dabei mit einer Mehrzahl von Parametereingängen versehen, die ihrerseits mit einem vom Steuergerät umfassten Klangsynthesizer verbunden sind. Ein solcher Parametereingang kann dabei etwa zur Erfassung einer Motordrehzahl oder Fahrzeuggeschwindigkeit des Elektrokraftfahrzeugs dienen, welche der Klangsynthesizer einer ersten Klangebene zugrunde legt. Das dem Fahrzeugführer vertraute, naturgemäß drehzahlabhängige Motorgeräusch eines konventionellen Kraftfahrzeugs lässt sich auf diese Weise mit vergleichsweise geringem Aufwand symbolisch nachstellen.
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Ein zweiter, mit einem Geschwindigkeitsmesser verbundener Parametereingang mag dem Klangsynthesizer indes die Erzeugung einer von der Fahrgeschwindigkeit abhängigen zweiten Klangebene erlauben. Das ansonsten lediglich optisch wahrgenommene Bewegungstempo des Fahrzeugs, welches gerade im öffentlichen Straßenverkehr als essenzieller Betriebsparameter strengen Regulierungen unterliegt und seine Fahrsicherheit maßgeblich beeinflusst, wird somit einem weiteren Wahrnehmungssinn des Fahrers und weiterer Verkehrsteilnehmer zugänglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine dritte Klangebene dagegen von der Stellung des durch den Fahrzeugführer betätigten Gashebels oder -pedals abhängig und vermittelt so eine unmittelbare Rückmeldung über die an das Elektrokraftfahrzeug gestellte Lastanforderung des Fahrers oder im Derating Fall die vom Fahrzeug tatsächlich erbrachte Leistung. Sowohl dieser als auch der außenstehende Passant erlebt das akustische Feedback als potenziell hilfreiche Ergänzung zum Druckwiderstand des Gaspedals und der empfundenen Haptik der Beschleunigung und somit als willkommene Unterstützung bei der ausgewogenen Regulierung von Beschleunigung und Antwortverhalten.
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Moderne Elektrokraftfahrzeuge weisen über das bloße Gaspedal hinaus typischerweise einen an dessen Anschlag vorgesehenen Kickdown-Schalter auf. Eine Betätigung dieses Schalters veranlasst das Getriebe zum Wechsel in eine Fahrstufe, die dem Elektrokraftfahrzeug die derzeit maximal mögliche Beschleunigung ermöglicht. Die Berücksichtigung dieses Betätigungsvorgangs durch den Synthesizer mittels eines vierten, mit dem Kickdown-Schalter verbundenen Parametereingangs mag dem geneigten Fahrer ein befriedigendes „Turbinenrauschen” des Elektromotors suggerieren und überdies die Souveränität vermitteln, über den vollen Umfang der Motorleistung – etwa beim Ansetzen zu einem Überholvorgang unter Nutzung der Gegenfahrbahn – nach eigenem Ermessen zu verfügen.
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Eine fünfte Klangebene kann dagegen Eingang in den synthetisierten Klang finden, sobald der Fahrer – beispielsweise über ein hierzu vorgesehenes Lenkrad-Schaltpaddle des Elektrokraftfahrzeugs – durch den Einsatz einer sogenannten Nutz- oder Rekuperationsbremse die Fahrt verzögert, um aus der Bewegungsenergie oder Lageenergie der bewegten Massen des Elektrokraftfahrzeugs elektrische Energie zurückzugewinnen. Ist das erfindungsgemäße Steuergerät nun über einen fünften Parametereingang in geeigneter Weise mit dem Bremssystem verbunden, so eröffnet sich die Möglichkeit, die – durch die mechanische Leistungsaufnahme des regulär als Antriebs-Elektromotors genutzten Generators ermöglichte – Rekuperation mittels der zusätzlichen Klangebene zu untermalen. Die Verwendung eines angenehmen, als motivierend empfundenen Geräuschs kann dem Fahrzeugführer in diesem Anwendungsszenario einen zusätzlichen Anreiz zugunsten einer ökologisch nachhaltigen Fahrweise bieten und ihn zur weiteren Energieeinsparung ermuntern.
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Schließlich empfiehlt es sich, das Steuergerät mit einem sechsten Parametereingang zu versehen, welcher die durch den Fahrer per Wählhebel selektierte Schaltstufe einer Gangschaltung des Elektrokraftfahrzeugs erfasst. In Abhängigkeit vom durch die Schaltstellung des Hebels gewählten Fahrprogramm kann der Klangsynthesizer so etwa eine Klangebene bei der Überlagerung zum Gesamtklangbild unberücksichtigt lassen und somit gleichsam „stumm schalten”. Durch die veränderte Klanggestalt in der Fahrgastzelle verhindert diese Vorkehrung jegliches Missverständnis seitens des Fahrzeugführers über die eingestellte Fahrtrichtung des Elektrokraftfahrzeugs und führt somit zur Verminderung von Unfällen, welche durch den andernfalls eintretenden Orientierungsverlust drohen könnten.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 den prinzipiellen Aufbau eines Steuergeräts gemäß einer Ausführungsform und
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2 die Zusammensetzung des durch das Steuergerät der 1 synthetisierten Klangs aus unterschiedlichen Klangebenen in Abhängigkeit von der Motordrehzahlentwicklung, der Last und daran gekoppelte Funktionen, eines erfindungsgemäßen Elektrokraftfahrzeuges.
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1 illustriert den Signalfluss innerhalb eines Steuergeräts 1, welches in ein gattungsgemäßes Elektrokraftfahrzeug 2 eingebettet ist. Das Steuergerät 1 ist dabei über einschlägige Systembusse wie LIN, MOST, FlexRay oder Ethernet, vorzugsweise aber über ein in der Fahrzeugelektronik als Controller Area Network (CAN) bekanntes asynchrones serielles Bussystem, mit einer Vielzahl anderer Feldgeräte vernetzt. Zu denken ist dabei neben weiteren Steuergeräten insbesondere an unterschiedlichste Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) des Elektrokraftfahrzeugs 2. Die Geräte tauschen über das als Steuer- und Leitsystem fungierende Controller Area Network systemweit aktuelle Betriebsparameter und Steuerbefehle des Elektrokraftfahrzeugs 2 aus.
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Unter anderem verbindet das Controller Area Network das Steuergerät 1 dabei über einen digitalen Audioausgang mit dem entsprechenden Eingang eines in 1 nicht dargestellten Audiosystems, welches das an seinem Eingang anliegende Audiosignal – etwa mittels eines geeigneten Lautsprechersystems in der Fahrgastzelle und oder einen nach außen schallenden Lautsprecher des Elektrokraftfahrzeugs 2 – auszugeben vermag. Das Steuergerät 1, das Audiosystem sowie weitere elektrisch aktive Feldgeräte werden dabei vorzugsweise von einer leistungsfähigen Hochvoltbatterie mit elektrischer Energie gespeist, die zugleich als primäre Energiequelle eines elektrischen Antriebsmotors des Elektrokraftfahrzeugs 2 dient.
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Um das Leistungs- und Drehmomentangebot des Elektrokraftfahrzeugs 2 auch akustisch erlebbar zu machen, verfügt das Steuergerät 1 über umfassende Fähigkeiten der Klangsynthese, die durch einen in das Steuergerät 1 integrierten digitalen Signalprozessor (DSP) realisiert werden, welcher eine Vielzahl an unterschiedlichen Parametereingängen des Steuergeräts 1 anliegender digitaler Eingangssignale mittels mehrerer auf häufig benötigte mathematische Operationen hin geschwindigkeitsoptimierter Rechenwerke kontinuierlich in Echtzeit verarbeitet. Der Begriff des „digitalen” Signalprozessors ist in diesem Kontext in seinem der Rechnerarchitektur entliehenen weiten Wortsinn zu deuten und schließt die Ausstattung des Prozessors mit einem an den Parametereingängen vorgesehenen Analog-Digital-Umsetzer oder einem am Audioausgang vorgesehenen Digital-Analog-Umsetzer nicht aus.
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Der genannte digitale Signalprozessor verleiht dem Steuergerät 1 insbesondere die Eignung, in der Funktion eines Klangsynthesizers eine Vielzahl authentischer, aber entfremdeter Realgeräusche zu imitieren, wie sie herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu eigen sein können. Die vom Synthesizer erzeugten Klangebenen 33–37 sind dabei so optimiert, dass der Fahrzeugführer sie bewusst oder unbewusst mit den Fähigkeiten eines leistungsstarken Kolbenmotors assoziiert. Auf diese Weise kann das Steuergerät 1 in Verbindung mit dem Audiosystem im Ergebnis eine positive emotionale und intuitiv interpretierbare Reaktion hervorrufen.
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Die durch das Antriebsaggregat des Elektrokraftfahrzeugs 2 selbst verursachten akustischen Schwingungen mag das Steuergerät 1 in geeigneter Weise bei der Klangsynthese berücksichtigen. So können einerseits die teils drehzahlabhängigen Frequenzanteile des Betriebsgeräuschs der eingesetzten Elektromotoren, welche das von ihnen erzeugte Drehmoment über ein entsprechend angeordnetes Getriebe des Elektrokraftfahrzeugs 2 selektiv auf eines der vier Fahrzeugräder übertragen, in harmonischer Weise in die vom Steuergerät 1 generierten Klangebenen 33–37 integriert werden. Andererseits lassen sich unerwünschte Störgeräusche, die im Stand- oder Fahrbetrieb des Elektrokraftfahrzeugs 2 unvermeidlich sind, im Wege sogenannten Soundcleanings mittels psychoakustischer und physikalischer Effekte maskieren. Als Maskierung oder Verdeckung wird dabei im vorliegenden Zusammenhang jegliche akustische Maßnahme verstanden, welche mechanische Eigenschaften des im menschlichen Innenohr schwingenden Basilarmembran ausnutzt, um die Empfindlichkeit des Fahrzeugführers für bestimmte Frequenzanteile der genannten Störgeräusche zu senken. Derartige Maßnahmen können gleichermaßen die Reduzierung dieser Frequenzanteile selbst als auch deren Überlagerung mit weiteren, als weniger störend empfundenen Frequenzanteilen umfassen.
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Der in seiner Lautstärke geschwindigkeitsabhängige (VNC) Entertainmentsound mit einem ersten Equalizing kann dabei parallel zum synthetisch erzeugten, weitestgehend geschwindigkeitsunabhängigen Fahrzeugsound mit einem zweiten Equalizing eingespielt werden. Dabei wird für den Fahrzeugsound – im Gegensatz zu dem Entertainmentsound – die Surround-Funktion des Fahrzeugs verwendet, um den Klang räumlicher und assoziativer zum Fahrzeug gehörend wirken zu lassen. Die Center Funktion verhält sich hierzu invers. Der Entertainmentsound wird also tendenziell eher als zentral, der Fahrzeugsound als raumfüllend empfunden. Somit erhält der Entertainmentsound in seiner Klangausprägung einen „Staging”-Effekt, der Fahrzeugsound hingegen eine „Steric”-Ausprägung.
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Um dabei die Fahrdynamik des Elektrokraftfahrzeugs 2 in angemessener Weise akustisch abzubilden, verfährt das Steuergerät 1 grundsätzlich unter Berücksichtigung der das Fahrprogramm bestimmenden Schaltstufe D, R der Gangschaltung. Die Grundlage des Fahrgeräuschs wird ungeachtet der gewählten Schaltstufe D, R per Granularsynthese aus einem Basis-Grain 3, also einem in der Regel unter 50 Millisekunden andauernden digitalen Klangfragment erzeugt, welches mit Hilfe des digitalen Signalprozessors in solcher Weise periodisch wiederholt wird, dass sich seitens des Fahrzeugführers der subjektive Eindruck eines kontinuierlichen Klangs einstellen kann.
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Dieses Basis-Grain 3 wird gemäß der Funktionslogik des Steuergeräts 1 einem ersten Equalizer 4 zugeführt, dessen Verhalten nunmehr von der gewählten Schaltstufe D, R abhängt. So unterzieht der erste Equalizer 4 in einer dem Rückwärtsgang des Elektrokraftfahrzeugs 2 entsprechenden Schaltstufe R das Basis-Grain 3 einem zweifachen Bearbeitungsprozess. Dabei modifiziert der Equalizer 4 einerseits die dem Basis-Grain 3 eigenen Formanten, also die Konzentration akustischer Energie in bestimmten Frequenzbereichen seines Eingangssignals. Zugleich gestaltet der erste Equalizer 4 das Frequenzspektrum im Wege einer dem Fachmann geläufigen sogenannten Hochpass-Filterung. Eine gattungsgemäß auch als Tiefensperre, Bassfilter, Low Cut, Bass Cut oder Rumpelfilter bezeichnete Filterschaltung lässt Frequenzen oberhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren und dämpft tiefere Frequenzen in einer Weise, die andeutungsweise an das Rückfahrgeräusch eines konventionellen Fahrzeugs erinnern lässt. Das derart gestaltete Tonsignal wird vom ersten Equalizer 4 über eine Leiterbahn in Form eines internen Datenbusses 5 des Steuergeräts 1 zur weiteren Verarbeitung durch entsprechend nachgeordnete Knoten bereitgestellt.
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Befindet sich das Fahrzeug in R (Reverse) Stellung, ertönt auf diese Weise ein – gegenüber eingelegter Fahrstufe D (Drive) – klanglich veränderter Sound. Die Realisierung des Reverse-Klangs besteht aus der Klangfärbung der drehzahlabhängigen ersten Klangebene, welcher mit Filtern (Formanten und Hochpass) belegt wird. Hierzu werden drei drehzahlabhängige schmalbandige Glockenfilter auf das Drive-Geräusch gelegt, welche dieses spektral anheben. Je schneller das Fahrzeug rückwärtsfährt, desto hochfrequenter sind die angehobenen drei Frequenzen. Die Fahrprogrammwahl C, S, S+ hat dabei im Wesentlichen keinen Einfluss auf das R-Klangbild. Der lastabhängige synthetische Sound wird nicht entfremdet und ist bei Fahrstufe R aktiv.
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In einer anderen, der Vorwärtsfahrt des Elektrokraftfahrzeugs 1 entsprechenden Schaltstufe D der Gangschaltung führt der erste Equalizer 4 das Tonsignal dagegen einem Modulator 6 zu, welcher bei im Wesentlichen gleichbleibender Fahrgeschwindigkeit dem Tonsignal ein um ein Intervall von näherungsweise 15 Millisekunden – der sogenannten Predelay oder Anfangszeitlücke (ITDG) – zeitversetztes Duplikat zumischt. Durch periodische Tonhöhenabsenkung des duplizierten Signals erzeugt der Modulator 6 dabei eine geringfügige, gleichwohl erwünschte Verstimmung gegenüber dem Originalsignal und erzeugt einen in der Tonbearbeitung als Chorus bezeichneten Effekt, der beim Fahrer des Elektrokraftfahrzeugs 1 den Eindruck erweckt, als würde ein zweiter, ähnlicher Ton mitklingen und sich auf unbestimmte Weise innerhalb der Fahrgastzelle bewegen.
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Die mit der Absenkung durch den Modulator 6 verbundene Laufzeitverzögerung durch ein in den digitalen Signalprozessor integriertes Hallgerät 7 führt dabei zu einem künstlichen Nachhall des nunmehr stereofonischen Tonsignals, welcher seitens des Fahrzeugführers die Wirkung räumlicher Tiefe erzeugt und somit in seiner Ambienz dem „natürlich” nachhallenden Motorgeräusch eines die gesamte Fahrzeugkarosserie in Vibration versetzenden Verbrennungsmotors entspricht. Das Hallgerät 7 führt das resultierende Stereosignal einem nachgeordneten Grain-Bus 8 zu, wo es im Wege der additiven Klangsynthese um eine lastabhängige, später beschriebene dritte Klangebene 35 ergänzt wird.
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Das periodisch wiederholte Basis-Grain 3 wird indes nicht nur dem Modulator 6, Hallgerät 7 und Grain-Bus 8, sondern daneben einem ersten elektronischen Verzerrer 9 verfügbar gemacht, welcher dem Frequenzspektrum des Basis-Grains 3 in diesem ursprünglich nicht vorhandene Spektralanteile in nichtlinearer Weise hinzufügt. Erfindungsgemäß ist das in der Elektroakustik als Differenztonfaktor bezeichnete Maß für die vorgenommene Verzerrung dabei von einer dynamischen Querbeschleunigung abhängig, welcher das Elektrokraftfahrzeug 2 im Fahrbetrieb, beispielsweise während einer Kurvenfahrt, unterliegt.
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Um auch hinsichtlich dieses Klanganteils ein dem Ausgabesignal des Grain-Busses 8 entsprechendes stereofones Klangbild, das sogenannte Panorama, beim Fahrer des Elektrokraftfahrzeugs 2 zu erzeugen, führt der erste Verzerrer 9 das querbeschleunigungsabhängig bearbeitete Signal einem Panoramaregler 10 zu. Diese in den digitalen Signalprozessor integrierte Schaltung, welche in der Tonbearbeitung auch als Panoramapotentiometer (Panpot) bezeichnet wird, verteilt ihr vom ersten Verzerrer 9 zugeführtes monofones Eingangssignal – abermals in Abhängigkeit von der aktuell ermittelten Querbeschleunigung des Elektrokraftfahrzeugs 2 – auf zwei unterschiedliche Ausgangskanäle. Die exakte Lautstärkeverteilung folgt dabei erfindungsgemäß aus der Position des kurvenäußeren Rades, welche das Steuergerät 1 unmittelbar aus der Lenkradstellung des Elektrokraftfahrzeugs 2 ableiten oder aus Sensordaten errechnen kann.
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Die Realisierung der akustischen Querbeschleunigungsrückmeldung erfolgt somit durch eine Anhebung des geschwindigkeitsabhängigen Basis-Sounds auf der kurvenäußeren Seite. Diese Sound-Komponente wird dem eigentlichem Basis-Klang zugemischt und zusätzlich durch einen speziellen digitalen Verzerrer gegenüber dem Basis-Klang verfremdet. Die Lautstärke sowie der Zumischungsanteil des zugemischten Signals erhöht sich mit zunehmender Querbeschleunigung. Das Y-GeForce-Signal läuft funktionslogisch durch die beschriebene C/S/S+-Verzerrung. Die Y-GeForce-Funktion könnte auch in Abhängigkeit von Lenkwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit ausgedrückt werden. Um beim sogenannten „Drift”-Manöver keine irritierenden Frequenzsprünge zu erhalten, wird der Funktion die Maximaldrehzahl sämtlicher angetriebener Räder zu Grunde gelegt.
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Ein sowohl mit dem Grain-Bus 8 als auch mit dem Panorama-Regler 10 verbundener weiterer interner Bus 11 führt die von Grain-Bus 8 und Panorama-Regler 10 gelieferten Stereosignale sodann im Wege einer additiven Klangsynthese zusammen und gibt sie an einen zweiten Verzerrer 12 weiter, der sie seinerseits einer weiteren fahrprogrammabhängigen Klanggestaltung unterzieht. Nach einer finalen, nur im Falle einzelner Fahrprogramme angewandten Frequenzbearbeitung durch einen zweiten Equalizer 13 wird die resultierende Klangebene einem die Klangsynthese abschließenden additiven Tonmischer 14 zur Verfügung gestellt, der sie mit weiteren, nachfolgend erläuterten Klangebenen zu einem in der Tontechnik als „stem” bekannten Summensignal vereint.
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Das beschriebene Wirkprinzip der Granularsynthese wird durch das Steuergerät 1 indes nicht nur auf das – im Wesentlichen lastunabhängige – Basis-Grain 3, sondern ferner in Bezug auf ein dem Basis-Grain 3 in der Funktionslogik gemäß 1 nebengeordnetes Last-Grain 15 angewandt. Dieses Last-Grain 15 wird dabei nicht dem ersten Verzerrer 9, sondern einem zweiten Verzerrer 16 zugeführt, der es nunmehr einer Klanggestaltung unterzieht, die – anstelle der die Funktion des ersten Verzerrers 9 bestimmenden Querbeschleunigung – den aktuellen Betätigungswinkel eines Gaspedals oder -hebels des Elektrokraftfahrzeugs 2 als Grundlage des angewandten Differenztonfaktors heranzieht. Der zweite Verzerrer 16 gibt sein monofones Ausgangssignal sodann an den auch beim Einlegen des Rückwärtsgangs R genutzten ersten Equalizer 4 weiter, welcher das Signal in einem von der Motordrehzahl des Elektrokraftfahrzeugs 2 abhängigen Maße „glättet”, indem er als besonders aggressiv empfundene Spektralanteile an seinem Ausgang unterdrückt, bevor er die auf diese Weise erzeugte Klangebene 33 zwecks Überlagerung mit dem wie oben beschrieben gestalteten Basis-Grain 3 dem Grain-Bus 8 zuführt.
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Für die akustische Rückmeldung des Batterieladezustands wird der lastabhängige Klang der Soundsynthese durch zwei Glockenfilter, deren Verstärkungsfaktor mit dem Ladezustand variiert und die auf den Last-Layer wirken, verändert. Ein erhöhter Ladezustand entspricht dabei einer ausgeprägteren Filter-Anhebung. Ebenso ändert sich das Frequenzverhältnis der Filter von Dur, bei voller Batterie, zu Moll, bei leerer Batterie. Zusätzlich wird die „Fade In Time” des lastabhängigen Klangs und somit das akustische Fahrzeugansprechverhalten auf Lastanforderung mit abnehmendem Batterieladezustand erhöht.
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Unterschiedliche Fahrmodi (C/S/S+) werden dabei differenziert behandelt. In den Modi S und S+ etwa wird eine klangliche Entfremdung des Grundsetups der Soundsynthese des Fahrmodus C verwendet. Die Unterscheidung zwischen den Fahrmodi wird ausschließlich in D vorgenommen. Die Änderung der Klangfarbe, welche auch das Standgeräusch (Stellung P/N) vom Fahrgeräusch (Stellung R/D) unterscheidet, wird realisiert durch einen digitalen Verzerrungsalgorithmus, der auf die „Comfort”-Soundsynthese wirkt. Zudem wird der verzerrte Sound einer Tiefpass-Filterung unterzogen und dem Comfort-Sound wieder beigemischt. Diese Beimischung ist in ihrem Verhältnis geschwindigkeitsabhängig. Die Lautstärkeregelung von S und S+ wird separat ermöglicht. Die Verzerrung wirkt sich auf die Soundsynthese der Geschwindigkeitsabhängigkeit aus. Zusätzliche Klangimpulse beim Umschalten zwischen den Fahrstufen und Fahrmodi bestätigen den vom Fahrzeugführer angeforderten Wechsel.
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Um neben Schaltstufe D, R, Motordrehzahl, Pedal- und Lenkradstellung noch zusätzliche durch das Steuergerät 1 erfasste Betriebsparameter des Elektrokraftfahrzeugs 2 im Summensignal zu berücksichtigen, fügt der Tonmischer 14 diesem situationsabhängig weitere Klangebenen hinzu. So umfasst das Steuergerät 1 eine Oszillatorschaltung 17 zur Erzeugung eines drehzahlabhängig als ansteigend oder abfallend empfundenen stereofonen Dauertons, der sich aus acht von der Oszillatorschaltung 17 generierten, im Wesentlichen sinusförmigen, zyklisch untereinander ausgetauschten Einzeltönen zusammensetzt, deren Frequenz unter Berücksichtigung der Drehzahlentwicklung jeweils zu- oder abnimmt, die sich in ihrer Überlagerung jedoch stets im für das menschliche Ohr hörbaren Bereich bewegen. Eine solche im Falle der Oszillatorschaltung 17 erwünschte akustische Wahrnehmungstäuschung ist in Fachkreisen als Shepard-Risset-Glissando bekannt und bildet die Grundlage einer ersten Klangebene 33 des erzeugten Summensignals.
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Eine weitere monofone Klangebene 35 indes wird vom Tonmischer 14 nur im Falle einer mittels der Kickdown-Funktion des Elektrokraftfahrzeugs 2 ausgelösten Übergas-Anforderung durch den Fahrzeugführer hinzugemischt. Eine der Klangebene 35 zugrunde zu legende Wellenform ist in Gestalt einer Wellenformtabelle 18 in einem entsprechend strukturierten Wellenformspeicher des Steuergeräts 1 hinterlegt und wird von diesem im Wege der sogenannten Wavetable-Synthese im Bedarfsfall dem Tonmischer 14 zugeführt. Es wird somit im Steuergerät, auf Basis eines Berechnungsalgorithmus, ein synthetischer Klang generiert, welcher in seiner Ausprägung in Lautstärke und Tonhöhe geschwindigkeitsabhängig wiedergegeben wird und auf die Fahrzeugfunktion des Kickdown reagiert. Der Kickdown-Sound basiert auf dem Wave-Table-Funktionsprinzip, wobei das zugrundeliegende Sample seinerseits im Wege der Granularsynthese generiert wird, um die Harmonie zu den weiteren Klangebenen zu erhöhen. Der Kickdown-Layer steigt, analog zur lastabhängigen Klangebene, oberhalb von 180 km/h überproportional in Frequenz- und Pegel an. Der drehzahlabhängige Pegel des Kickdown-Sounds ist zudem abhängig von der im gegenwärtigen Betriebszustand maximal verfügbaren Leistung.
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Das im Falle des Kickdowns eingesetzte Verfahren der Wavetable-Synthese kommt ferner während des Leerlaufs sowie der Rekuperation des Elektrokraftfahrzeugs 2 zur Anwendung. Im letzteren Fall erfolgt eine Fahrerinformation bzgl. Der Nichtfahrfähigkeit des Fahrzeugs durch CAN-Interpretation in zwei Stufen. Erstens wird die reguläre fahrzustandsabhängige Soundsynthese ausgeblendet und Zweitens wird zusätzlich ein speziell designter Fehlerklang eingespielt. Der Fehlerklang basiert auf drei in der Tonhöhe und Lautstärke abfallenden Tönen und ist assoziativ als Fahrzeugfehler für den Fahrzeugführer interpretierbar. Das Frequenzverhältnis der Tonfolge lässt sich in pseudo-mathematischer Notation als „Grundton >> Grundton – Quarte >> Grundton – Quarte – Quinte (Grundton – Oktave)” beschreiben. Entsprechende weitere Wellenformtabellen 19–21, die fallweise monofon oder stereofon ausgelegt sein können, werden ebenfalls vom Klangsynthesizer bei Bedarf aus dem genannten Wellenformspeicher des Steuergeräts 1 abgerufen.
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Das dynamische Zusammenwirken der vom Steuergerät 1 gemäß 1 erzeugten Klangebenen 33–37 im Fahrbetrieb des Elektrokraftfahrzeugs 2 ist der schematischen Darstellung der 2 zu entnehmen, welche zum Zwecke der Illustration die Dauer 22 einer Fahrt unter Andeutung der Motordrehzahl 23 und resultierenden Geschwindigkeit des Fahrzeugs in unterschiedliche Phasen 24–31 aufteilt. Der zeitliche Ablauf gemäß 2 beginnt dabei mit einer Aktivierungsphase 24 des Elektrokraftfahrzeugs 2, in welcher das Steuergerät 1 lediglich ein charakteristisches Startgeräusch synthetisiert, das sich auch einem ersten Klangimpuls für die durch Drücken des Start-Knopfs oder Drehen des Schlüssels artikulierte Fahranforderung, einem längeren Klang für Initialisierung und Systemcheck und einem weiteren, die Fahrbereitschaft signalisierenden Tonimpuls bei Einnahme der P-Getriebestellung zusammensetzt, nach welchem sich eine erste neutrale Phase 26 anschließt. Die Sounds sind dabei so gestaltet, dass der Fahrerrückschluss bzgl. der akustischen, synthetisch eingespielten Fahrzeugrückmeldung vollkommen intuitiv erfolgen kann.
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Nach der im Wesentlichen von einer statischen Klangkulisse geprägten ersten neutralen Phase 25 geht das Fahrzeug in die erste Standphase 26 über. In dieser Standphase setzen erstmals die erste, zweite, dritte und vierte Klangebene 33–36 ein, die während der sich anschließenden Beschleunigungsphase 27 abhängig von Motordrehzahl 23, Fahrgeschwindigkeit, Pedal- und Kickdown-Schalterstellung des Elektrokraftfahrzeugs 2 gemäß der anhand von 1 beschriebenen dynamischen Klangsynthese gestaltet werden. Die in der „Stand”-Getriebestellung (P/N) wiedergegebene Soundsynthese wird auch während der Fahrt des Elektrokraftfahrzeugs 2 und bei neutraler Schaltstellung wiedergegeben. Die Lautstärke des Klangs steigt mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Sound des Standgeräuschs wird in einem definierten Anteil dem Fahrgeräusch (geschwindigkeits- und lastabhängige Klänge) bis zu einer definierten Geschwindigkeit hinzugemischt und dann ausgeblendet.
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Eine Beibehaltung der tiefen Frequenzen erfolgt indes auch bei höheren Drehzahlen, da diese im Allgemeinen als Kraft des Fahrzeugs interpretiert werden und somit wichtig für die Rückmeldung des Elektrokraftfahrzeugs 2 an den Fahrer sind, um die Kraft analog der Motorkennlinie akustisch darzustellen. Zudem ermöglicht das parallele Abspielen des drehzahlbezogenen Basis-Layers die direkte Rückmeldung an den Fahrer des Elektrokraftfahrzeugs 2 über die Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Bei minimalen Zug-Schub-Unterschieden wird der synthetische geschwindigkeitsabhängige Basissound des E-Fahrzeugs mittels dreier Glockenfilter angehoben. Die Einsatzfrequenz der Glockenfilter ist von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig und bewegt sich in einem definierten Frequenzband mit definierten Ober- und Untergrenzen. Je schneller das Fahrzeug, desto höher sind sowohl die Frequenzen der Filter als auch invers hierzu die Pegelanhebung der Filter.
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Es folgt eine kürzere konstante Phase 28 im Wesentlichen gleichbleibender Fahrgeschwindigkeit und Motordrehzahl 23, in welcher der Lautstärkepegel der nun noch aktiven ersten Klangebene 33 und zweiten Klangebene 34 graduell abnimmt. Für die akustische Entlastung des Führers des Elektrokraftfahrzeugs 2 bei konstanten Geschwindigkeiten wird der geschwindigkeitsabhängige synthetisch eingespielte Klang in seinem Pegel abgesenkt, wobei Einsetzen und Höhe der Pegelabsenkung fahrprogramm- und geschwindigkeitsabhängig sind. Zusätzlich wird das abgesenkte Signal sowohl mit einem Chorus moduliert (Signalverzögerung Modulation mittels LFO) als auch mit einem zugemischten Delay (Echo) des Ursprungssignals ergänzt. Hierdurch wird während einer Konstantfahrt ein schwebender und räumlich klingenderer Sound erzeugt. Die Konstantfahrt endet bei positiven und negativen Lastanforderungen oberhalb des definierten Niveaus in einem Ausblendeffekt.
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Bei Geschwindigkeiten ab 180 km/h wird die synthetische Klangerzeugung in ihren einzelnen Funktionen reduziert und variiert. Ab 180 km/h werden die geschwindigkeitsabhängigen Klangebenen (Basis und Shepard) ausgeblendet. Der Rekuperationssound sowie dessen Überschwinger werden ebenfalls ausgeblendet. Sowohl der lastabhängige als auch der Kickdown-Sound wird beibehalten. Diese erfahren ab 180 km/h eine progressive Frequenzanhebung im Vergleich zu 0 bis 180 km/h (doppelt so schnell in ihrer Frequenzzunahme steigend). Ebenfalls ist der Pegel der zwei Klänge geschwindigkeitsabhängig ausgelegt und steigt mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Daraufhin tritt das Elektrokraftfahrzeug 2 in eine Verzögerungsphase 29 ein, in der eine die genannten Klangebenen 33, 34 ergänzende fünfte Klangebene 36 den Fahrzeugführer über die eintretende Rekuperation des Energiespeichers informiert. Der Rekuperationsfunktion des Fahrzeugs wird dabei ein synthetischer Sound zugeordnet welcher in seiner Lautstärke, Tonhöhe (Pitch), Modulationstiefe und Modulationsfrequenz (LFO) geschwindigkeitsabhängig im Steuergerät 1 errechnet und im Elektrokraftfahrzeug 2 wiedergegeben wird. Die Lautstärke ist ebenfalls abhängig von der tatsächlich zurückgewonnen Energie. Die Modulationsfrequenz steigt mit abnehmender Geschwindigkeit. Der Rekuperations-Sound wird bei Konstantfahrt analog zum geschwindigkeitsabhängigen Klang mit abgesenkt. Bei der Wahl der Rekuperationsstufen (Stufe 1–4) wird der Sound, der bei einer tatsächlichen Rekuperation ausgegeben würde, kurz überhöht eingespielt (Überschwinger) um dem Fahrer den Wechsel der Rekuperationsstufe zu signalisieren.
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Bei Verzögerung des Fahrzeugs, sei es durch Bremsen, Rekuperieren oder Ausrollen gegen den Wind- und Rollwiderstand, wird der geschwindigkeitsabhängige synthetisch generierte und eingespielte Klang des Elektrokraftfahrzeugs 2 (Basis) in drei Bändern gefiltert. Band 1 wird einem drehzahlabhängigen Hochpass-Filter zugeführt, der bei Segeln aktiv ist, mit sinkender Geschwindigkeit in der Frequenz jedoch abnimmt. Band 2 unterliegt einem geschwindigkeitsabhängigen Glockenfilter, der bei Segeln aktiv eine Frequenz drehzahlabhängig einblendet. Band 3 schließlich durchläuft einen Tiefpassfilter, der bei Segeln aktiv analog dem Band-1-Filter die Grenzfrequenz absenkt und somit den synthetischen Klang dumpfer erscheinen lässt.
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Nach einer zweiten Standphase 30 sowie einer zweiten neutralen Phase 31, in welchen lediglich die ersten und zweiten Klangebenen 33, 34 das Geräuschbild bestimmen, bestätigt ein abschließendes Tonsignal dem Bediener die Deaktivierung 32 des Elektrokraftfahrzeugs 2. Ein sich anschließender Ladevorgang der Batterie wird mittels synthetischen Klangs in 5 Impulsen signalisiert. Innerhalb dieser wird der Pegel der Impulse mit zunehmender Anzahl reduziert. Parallel dazu steigt die Tonhöhe der Impulse. Ebenfalls sinkt die Zeit zwischen den Impulsen mit zunehmender Anzahl (1 bis 5). Die Wiedergabe des Sounds erfolgt über die Fahrzeuglautsprecher bei erfolgreichem Batterieladebeginn nach manuellem Stecken des Ladesteckers in die Ladebuchse des Fahrzeugs, einmalig und ermöglicht somit dem Betätigendem die akustische Rückmeldung über den Status der erfolgreichen Initialisierung der Batterieladung des Elektrokraftfahrzeugs 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010053351 A1 [0005, 0005]
- DE 102011112179 A1 [0006, 0006]
