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Die Erfindung bezieht sich auf ein Soundsystem für eine Kfz-Abgasanlage zur Abgabe von nachgebildeten Motorgeräuschen mit mindestens einem Lautsprecher und mit mindestens einem mindestens einen Lautsprecher aufnehmenden Gehäuse, wobei das Gehäuse in Bezug auf die Abgasführung eines Abgasstroms von einer Abgasanlage abgekoppelt zu montieren ist, wobei an dem Gehäuse mindestens ein Schallleitrohr mit einer Mündungszone angeordnet ist.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Kfz mit einem Soundsystem mit einem Kfz-Motor und mit einer an den Kfz-Motor anschließenden mindestens ein Abgasendrohr aufweisenden Abgasanlage, wobei das Gehäuse mit Bezug zur Abgasführung im Bereich eines Endes E der Abgasanlage angeordnet ist.
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Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen von nachgebildeten Motorgeräuschen, bei dem mindestens ein Lautsprecher mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, wobei auf Basis zumindest der Motorbetriebsparameter Drehzahl und/oder Last und/oder Gangstufe und/oder Motortemperatur und/oder weitere Parameter wie Status des Regenerationsbetriebs des Dieselfilters ein Soundprofil generiert wird. Die Berechnung erfolgt direkt auf Basis und in Abhängigkeit des jeweils geänderten mindestens einen Motorbetriebsparameters. Für die Berechnung selbst werden einige Millisekunden Rechenzeit benötigt, so dass das errechnete Soundprofil mit entsprechender Verzögerung generiert wird.
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Es ist bereits ein aktiver Schalldämpfer für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine aus der
DE 10 2008 018 085 A1 bekannt. Diese beschreibt einen aktiven Schalldämpfer für eine Abgasanlage in einem mehrschaligen Gehäuse, das eine topfförmige Oberschale und eine topfförmige Unterschale aufweist. Ferner ist ein Anschlussstutzen vorgesehen, der durch die Unterschale hindurch aus dem Gehäuse herausgeführt wird. Der Anschlussstutzen dient zum Anschluss des Schalldämpfers an eine abgasführende Leitung der Abgasanlage.
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Aus der
US 6,959,094 B1 ist ein Geräuschgenerierungssystem bekannt, welches auf Basis eines realen Fahrzeugmodells mehrere Komponenten des Fahrzeuggeräuschs unabhängig voneinander erstellt bzw. synthetisiert, um diese dann zum endgültigen Geräusch zu verbinden bzw. zu kombinieren. Das jeweilige individuelle Geräusch wird dabei anhand charakteristischer Betriebsparameter des Fahrzeugs generiert, wobei die finale Kombination der verschiedenen Geräusche über einen Mixer bzw. Equalizer zusammengeführt werden. Mit dem vorgestellten System ist es nicht notwendig, Fahrzeuggeräusche aufzunehmen und diese über einen Speicher bereitzustellen.
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Aus der
US 6,005,957 A ist ein AND-System (Active-Noise-Design) bekannt, das einen vom Abgasstrom abgekoppelten Lautsprecher sowie ein Mikrofon aufweist. Über das Mikrofon wird eine Ist-Größe des abgegebenen Schalls des Lautsprechers und der Abgasanlage erfasst. Auf Grundlage dieser Ist-Größe wird über einen Regelkreis mit Ist-SOLL-Vergleich eine Sollgröße für das Lautsprechersignal ermittelt und an den Lautsprecher abgegeben.
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Als Stand der Technik zum Emergenzniveau ist zu nennen eine Veröffentlichung im Rahmen des
16. International Congress an Sound and Vibration, Krakow, 5–9 July 2009; "3 CYLINDERS PETROL ENGINES TAILPIPE SOUND QUALITY PROCESSED THROUGH AN ORIGINAL HEARING MODEL". Diese beschreibt unter Ziff. 3, dass durch die Maskierungseffekte, entweder durch Hintergrundgeräusche oder durch das Zusammenspiel mehrerer Töne, ein Ton mitunter gar nicht oder nur teilweise hörbar wird. Definiert ist hierzu ein Emergence Level, dessen Größe ein Maß für die Hörbarkeit eines Tones ist. Ist er kleiner oder gleich Null, dann wird der Ton maskiert und ist subjektiv nicht hörbar. Ist er größer als Null, dann gibt das ”Emergenzniveau” an, mit welchem Pegel bzw. welcher Lautstärke der Ton subjektiv wahrgenommen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Soundsystem für ein Kfz derart auszubilden und anzuordnen, dass ein verbesserter Klangeindruck, verringerte Kosten und ein variablerer Einsatz gewährleistet werden.
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Die Ankopplung des Soundsystems an die Abgasanlage, wie es nach dem Stand der Technik bisher üblich war, führt zu einer unmittelbaren Überlagerung der realen Motorgeräusche, also der abgasbasierten Motorgeräusche und der vom Soundsystem nachgebildeten Motorgeräusche innerhalb des Abgasstroms, was für den Klangeindruck, zumindest die Schallquelle betreffend, vorteilhaft ist. Dass mit der Ankopplung des Soundsystems an die Abgasanlage weitere Einflüsse zu berücksichtigen sind, die mit dem direkten Kontakt mit dem Abgas einhergehen, insbesondere die Kondensatbildung, die Abgastemperatur und der Abgasdruck, ist allgemein bekannt und sei an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber erwähnt.
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Die Fachwelt war jedoch weitläufig der Meinung, ein Abkoppeln des Soundsystems, z. B. zwecks Umgehung der vorstehend genannten Einflüsse, führe zu einem schlechteren Klangeindruck.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Soundsystem mikrofonfrei ausgebildet ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, durch die auf Basis zumindest der Motorbetriebsparameter Drehzahl und/oder Last und/oder Gangstufe und/oder Motortemperatur und/oder weiterer Parameter wie der Status des Regenerationsbetriebs des Dieselfilters ein Soundprofil errechenbar ist, wobei der Lautsprecher über die Steuereinheit mit einem dem Soundprofil entsprechenden Steuersignal beaufschlagbar ist.
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Im Rahmen der Entwicklung des Erfindungsgedankens wurde festgestellt, dass diese unmittelbare Überlagerung von abgasbasierten Motorgeräuschen und nachgebildeten Motorgeräuschen eine optimale Abstimmung der verschiedenen Geräuschsequenzen bzw. Geräuschfrequenzen relativ aufwendig macht. Auch die Anwendung einer Regelstrecke, die den tatsächlichen Sound über ein Mikrofon als Korrekturgröße berücksichtigt, begründet einen nicht unerheblichen Aufwand, der auch über die verfügbare Rechenleistung abgebildet werden muss. Diese Nachteile werden durch eine rein gesteuerte Variante ohne Mikrofon überwunden. Sowohl das Soundprofil als auch das Soundmuster des Motors werden rein rechnerisch abgebildet. Die dabei entstehenden Nachteile sind weit weniger groß als zu erwarten war.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch, dass das Gehäuse mit Bezug zur Abgasführung im Bereich eines Endes E der Abgasanlage angeordnet ist, und die Mündungszonen des Soundsystems mit Bezug zu einer Längsachse des Kfz eine Längserstreckung A1 mit A1 <= A oder A1 >= A aufweisen. Die Mündungszone des Soundsystems ist entweder weiter hinten als das Abgasendrohr oder weiter vorne als das Abgasendrohr angeordnet oder die Mündungszone des Soundsystems ist auf gleicher Höhe wie das Abgasendrohr angeordnet. Dabei können verschiedene Mündungszonen des Soundsystems in Bezug auf verschiedene Abgasendrohre eine längere oder kürzere Längserstreckung A1 aufweisen. Abgasendrohrblenden, die an dem jeweiligen Ende des Abgasendrohres befestigt sind, sind im Sinne der Erfindung als Abgasendrohr zu betrachten. Demnach kommt es bei der Ermittlung der Längserstreckung A darauf, ob es sich um eine Abgasendrohrblende oder um ein Abgasendrohr handelt, nicht an. Gleiches gilt für die Ermittlung der Längserstreckung A1 der Mündungszonen des Soundsystems.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch, dass
- – auf Basis der Motorbetriebsparameter ein vom Motor zu erwartendes Soundmuster erstellt wird;
- – das von der Steuereinheit errechnete Soundprofil und das Soundmuster rechnerisch zu einem Soundbild überlagert oder zumindest verglichen werden;
- – das Soundbild danach rechnerisch untersucht wird, ob Frequenzanteile des gewünschten Motorgeräuschs durch eine Einhüllende M maskiert sind, mithin ein Emergenzniveau En aufweisen mit En <= 0;
- – im Falle einer Maskierung einer oder mehrerer dieser Frequenzanteile eine Anpassung des Soundprofils durch Verstärkung dieser Frequenzanteile erfolgt, so dass diese Frequenzanteile demaskiert sind und ein Emergenzniveau En aufweisen mit En > 0.
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Durch die Maskierungseffekte, entweder durch Hintergrundgeräusche oder durch das Zusammenspiel mehrerer Töne bzw. Schallwellen, wird ein Ton mitunter gar nicht oder nur teilweise hörbar. Definiert wird dies durch den ”emergence level” oder auch das ”Emergenzniveau”. Ist es kleiner oder gleich Null, dann wird der Ton maskiert und ist nicht hörbar. Ist es größer als Null, dann gibt das ”Emergenzniveau” an, mit welchem Pegel bzw. welcher Lautstärke der Ton subjektiv wahrgenommen wird. Wichtig ist, dass das erzielte ”Emergenzniveau” deutlich über Null liegt. Wie hoch es insgesamt ist, hängt vom gewünschten Klangbild ab.
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Die für das Klangbild gewünschten Frequenzanteile sind die harmonischen Frequenzen mit einer Ordnung zwischen 2 und 50. Diese werden bevorzugt nachgebildet und so laut wiedergegeben, dass das gewünschte Emergenzniveau En erreicht wird.
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Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Mündungszone des Schallleitrohrs einem Abgasendrohr nachgebildet ist.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine Steuereinheit vorgesehen ist, durch die auf Basis zumindest der Motorbetriebsparameter Drehzahl und/oder Last und/oder Gangstufe und/oder Motortemperatur und/oder weitere Parameter wie Status des Regenerationsbetriebs des Dieselfilters ein Soundprofil errechenbar ist, wobei über den Lautsprecher das Gehäuse und das Schalleitrohr abgekoppelt vom Abgasstrom mit dem errechneten Soundprofil beaufschlagbar sind. Die Berechnung erfolgt direkt auf Basis und in Abhängigkeit des jeweils geänderten mindestens einen Motorbetriebsparameters. Für die Berechnung selbst werden einige Millisekunden Rechenzeit benötigt, so dass das errechnete Soundprofil mit entsprechender Verzögerung generiert wird.
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Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn das nachgebildete Motorgeräusch Modulationen der Motor-Hauptordnungen bzw. Hauptordnungen aufweist. Die Motorordnungen lassen sich unterteilen in Hauptordnungen und Nebenordnungen. Die Hauptordnungen sind zu unterteilen in harmonische Ordnungen und die Grundordnung bzw. Zündordnung. Die Nebenordnungen sind zu unterteilen in subharmonische Ordnungen und sonstige Ordnungen. Grundlegende Charakteristika des Schalleindrucks ergeben sich aus dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein bestimmter harmonischer Motorordnungen und Nebenordnungen. Bezogen auf einen Motor mit beispielsweise vier Zylindern sind die Hauptordnungen zunächst die zündharmonische zweite Ordnung und dann die vierte Ordnung. Sie werden meist auch für eine objektive Beurteilung des Mündungsgeräuschs herangezogen. Bei den Nebenordnungen können die erste und dann die dritte Ordnung auftreten.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Abgasanlage mindestens einen Schalldämpfer und mindestens eine Abgasnachbehandlungseinheit aufweist, wobei die Abgasanlage bei Nenndrehzahl des Kfz-Motors und Nennlast des Kfz-Motors einen Geräuschpegel P1 von maximal 60 dB bis 75 dB oder 50 dB bis 80 dB aufweist, wobei mittels des Soundsystems ein Geräuschpegel P2 des Soundprofils mit P2 > P1 erzeugbar ist. Heutige Abgasanlagen sind aufgrund der vielen Abgasnachbehandlungskomponenten innerhalb der Abgasanlage sehr leise. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass die wahrnehmbaren Motor- und Abgasgeräusche nach Durchlaufen der Abgasanlage einen gewünschten Schwellwert hinsichtlich Klang und/oder Lautstärke unterschreiten. In diesem Fall ist durch Anwendung des erfindungsgemäßen Soundsystems der gewünschte Klang für die Abgasanlage insgesamt bzw. das Kraftfahrzeug durch Ergänzung eines Soundprofils gewährleistet. Unter Geräuschpegel ist der Summenpegel, also die Summe über alle Frequenzen zu verstehen.
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Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Geräuschpegel P2 des Soundprofils mindestens 3 dB bis 5 dB oder 2 dB bis 7 dB größer ist als der Geräuschpegel P1 der Abgasanlage. Der Geräuschpegel P2 des Soundprofils muss um ein erkennbares Maß bzw. ein akustisch wahrnehmbares Maß höher sein, damit insgesamt ein optimales Klangbild erreicht wird. Dabei stellt die Untergrenze von 2 dB bzw. 3 dB bis hin zu 5 dB oder 7 dB ein brauchbares Mindestmaß dar.
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Die realen und die nachgebildeten Motorgeräusche werden von außen gemessen. Hierzu wird ein künstlicher Kopf-Dummy verwendet, der an einer oder an beiden Ohr-Positionen Mikrophone trägt. Der Kopf-Dummy wird dabei hinter dem Fahrzeug platziert. Die Position des Kopf-Dummys weist mit Bezug zur Mitte einen Abstand von ca. 1,41 m zum Ende des Abgasendrohres auf und ist mit Bezug zur Längsachse des Kfz um 45° seitlich versetzt. Die Ohr-Positionen bzw. die Mikrophone sind in einer Höhe von 1,2 m über dem Boden platziert.
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Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn das nachgebildete Motorgeräusch aus Modulationen der Motor-Hauptordnungen bzw. Hauptordnungen gebildet wird. Grundlegende Charakteristika des Schalleindrucks ergeben sich aus dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein bestimmter harmonischer Motorordnungen und Nebenordnungen, wobei die Hauptordnungen erfindungsgemäß von wesentlicher Bedeutung sind.
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Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn das Hintergrundrauschen ausgewertet wird nach mindestens einer der darin maskierten harmonischen Frequenzen und/oder Ordnungen des realen Motorgeräuschs und mindestens eine der darin maskierten harmonischen Frequenzen und/oder Ordnungen ermittelt und nachgebildet wird. Die harmonischen Frequenzen und/oder Ordnungen sind maßgeblich für die Klangqualität des Soundsystems verantwortlich. Insoweit sind eine Auswertung der maskierten Frequenzen hinsichtlich der darin enthaltenen harmonischen Frequenzen und deren aktive Nachbildung durch das Soundsystem vorteilhaft. Art und Anzahl der harmonischen Frequenzen sind frei wählbar. Insbesondere die ersten 50 harmonischen Frequenzen kommen maßgeblich in Betracht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Kfz mit Soundsystem;
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2a–b einen Messaufbau zur Ermittlung der Lautstärke;
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3 eine Prinzipskizze zur Maskierung.
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Ein Soundsystem 1 nach 1 ist ergänzend zu einer Kfz-Abgasanlage 2 eines Kfz 4 vorgesehen und dient der Abgabe von nachgebildeten Motorgeräuschen. Es weist ein Gehäuse 1.2 und einen darin aufgenommenen Lautsprecher 1.1 auf. Das Gehäuse 1.2 ist separat zur Kfz-Abgasanlage 2 montiert und ist in Bezug auf die Abgasführung eines Abgasstroms von der Kfz-Abgasanlage 2 abgekoppelt. Das Gehäuse 1.2 weist zwei jeweils nach hinten zum Heck gerichtete Schallleitrohre 1.3, 1.3' mit je einer Mündungszone 1.4, 1.4' auf. Die Mündungszone 1.4 des Schallleitrohrs 1.3 ist dabei einem Abgasendrohr 2.1 nachgebildet.
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Zudem ist eine Steuereinheit 3 vorgesehen, durch die auf Basis zumindest der Motorbetriebsparameter Drehzahl und/oder Last und/oder Gangstufe und/oder Motortemperatur und/oder weitere Parameter wie Status des Regenerationsbetriebs des Dieselfilters ein Soundprofil errechenbar ist. Eine Regelung des Lautsprechersignals durch Rückführung einer über Mikrofon erfassten Istgröße, wie es für eine klassische AND-Anwendung (Active-Noise-Design) notwendig wäre, ist nicht vorgesehen. Der Lautsprecher wird über die Steuereinheit 3 lediglich gesteuert betrieben. Über den Lautsprecher 1.1 sind das Gehäuse 1.2 und das Schallleitrohr 1.3 abgekoppelt vom Abgasstrom mit dem errechneten Soundprofil beaufschlagbar.
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Das Kfz 4 weist einen Kfz-Motor 4.1 mit der an den Kfz-Motor 4.1 anschließenden Kfz-Abgasanlage 2 auf. Die Kfz-Abgasanlage 2 weist zwei Teilstränge mit je einer Abgasnachbehandlungseinheit 2.3, 2.3' und einem Schalldämpfer 2.2, 2.2' auf. An einem Ende E der Kfz-Abgasanlage 2 ist an jedem Teilstrang ein Abgasendrohr 2.1, 2.1' mit einer Längserstreckung A vorgesehen. Das Gehäuse 1.2 des Soundsystems 1 ist mit Bezug zur Abgasführung im Bereich des Endes E der Abgasanlage 2 angeordnet, wobei die jeweilige Mündungszone 1.4, 1.4' des Soundsystems 1 mit Bezug zu einer Längsachse 4.2 des Kfz 4 eine Längserstreckung A1 aufweist. Die Längserstreckung A1 kann größer sein als die Längserstreckung A oder gleich sein wie die Längserstreckung A. Gemäß Ausführungsbeispiel 1 ist die Längserstreckung A1 kleiner als die Längserstreckung A.
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Nach 2a, 2b werden die realen und die nachgebildeten Motorgeräusche zwecks Bestimmung bzw. Bewertung und/oder zwecks Kontrolle von außen gemessen. Hierzu wird ein künstlicher Kopf-Dummy 5 verwendet, der an einer oder an beiden Ohr-Positionen Mikrophone trägt. Der Kopf-Dummy 5 wird dabei hinter dem Kfz 4 platziert. Die Position des Kopf-Dummys 5 weist mit Bezug zur Kopfmitte einen Abstand ah von ca. 1,40 m zum Ende des Abgasendrohres 1.4 auf und ist mit Bezug zur Längsachse 4.2 des Kfz 4 um einen Winkel α von 45° seitlich versetzt. Die Ohr-Positionen bzw. die Mikrophone sind in einer Höhe av von 1,2 m über dem Abgasendrohres 1.4 platziert.
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Gemäß 3 ist über der Frequenz f eine Einhüllende M als Summe aller Motorgeräusche ihrer Lautstärke nach in Dezibel (dB) aufgezeichnet. Die Einhüllende M des Hintergrundrauchens ist vereinfacht dachförmig dargestellt und stellt den Lautstärkepegel des Hintergrundrauschens über die Frequenz dar. Beispielhaft sind drei Frequenzen f1, f2 und f3 eingezeichnet mit etwa gleichem Lautstärkepegel P1, P2, P3. Der Lautstärkepegel P1 von der Frequenz f1 ist größer als der der Einhüllenden M, während der Lautstärkepegel P2 der Frequenz f2 kleiner ist als der der Einhüllenden M. Die Frequenz f2, deren Lautstärkepegel P2 kleiner ist als der der Einhüllende M ist somit maskiert durch die Einhüllenden M. Die Einhüllenden M bildet eine Maskierungskurve. Das Emergenzniveau En2 der Frequenz f2 ist somit negativ. Das Emergenzniveau En1 der Frequenz f1 ist positiv, ihr Lautstärkeniveau ist größer als das der Einhüllenden M. In Abhängigkeit der absoluten Größe dieses Emergenzniveaus En1 ist die Frequenz f1 akustisch wahrnehmbar, während die Frequenz f2 aufgrund der Maskierung durch die Einhüllende M akustisch nicht wahrnehmbar ist. Gleiches gilt für die Frequenz f3, deren Lautstärkepegel P3 die gleiche Größe hat wie die Einhüllenden M, so dass das Emergenzniveaus En3 gleich Null ist. Die Frequenz f3 ist somit ebenfalls maskiert durch die Einhüllende M und ist aufgrund der Maskierung akustisch nicht wahrnehmbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Soundsystem
- 1.1
- Lautsprecher
- 1.2
- Gehäuse
- 1.3
- Schallleitrohr
- 1.3'
- Schallleitrohr
- 1.4
- Mündungszone
- 1.4'
- Mündungszone
- 2
- Kfz-Abgasanlage
- 2.1
- Abgasendrohr
- 2.1'
- Abgasendrohr
- 2.2
- Schalldämpfer
- 2.2'
- Schalldämpfer
- 2.3
- Abgasnachbehandlungseinheit
- 2.3'
- Abgasnachbehandlungseinheit
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Kfz
- 4.1
- Kfz-Motor
- 4.2
- Längsachse
- 5
- Kopf-Dummy
- A
- Längserstreckung
- A1
- Längserstreckung
- ah
- Abstand horizontal
- av
- Abstand vertikal
- E
- Ende von 2
- En1
- Emergenzniveau
- En2
- Emergenzniveau
- En3
- Emergenzniveau
- f1
- Frequenz 1
- f2
- Frequenz 2
- M
- Einhüllende, Maskierungskurve
- P1
- Lautstärkepegel
- P2
- Lautstärkepegel
- P3
- Geräuschpegel
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008018085 A1 [0004]
- US 6959094 B1 [0005]
- US 6005957 A [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 16. International Congress an Sound and Vibration, Krakow, 5–9 July 2009; ”3 CYLINDERS PETROL ENGINES TAILPIPE SOUND QUALITY PROCESSED THROUGH AN ORIGINAL HEARING MODEL” [0007]
