DE102017113919A1

DE102017113919A1 - Variabler Lautsprecher für eine Abgasanlage

Info

Publication number: DE102017113919A1
Application number: DE102017113919.2A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Driot; Roland Moschel
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lautsprechersystem 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem Lautsprechergehäuse 1.1 umfassend eine Anschlussöffnung 1.2 zum akustischen Anschließen des Lautsprechergehäuses 1.1 an die Umgebung oder an eine Ansaugleitung eines Verbrennungsmotors 2 oder an eine Abgasanlage 2.1 des Verbrennungsmotors 2 und mit einem im Lautsprechergehäuse 1.1 montierten Lautsprecher 1.3, wobei der Lautsprecher 1.3 mit dem Lautsprechergehäuse 1.1 ein akustisches Volumen V begrenzt, und mit einer Kontrolleinheit 1.5, die den Lautsprecher 1.3 mit der abzugebenden Frequenz zwecks Erzeugung von simuliertem Motorschall oder zwecks Auslöschung von Fahrzeugschall ansteuert, wobei das Lautsprechergehäuse 1.1 mindestens eine Kopplungszone 1.4 mit einem Trennmittel 3 aufweist, wobei eine Steuereinheit 4 vorgesehen ist, mittels derer das Trennmittel 3 in eine geschlossene Position G und in eine offene Position O bringbar ist, wobei in der geschlossenen Position G das Volumen V in ein erstes akustisches Volumen V1 und mindestens ein zweites akustisches Volumen V2 akustisch geteilt ist, wobei der Lautsprecher 1.3 im Volumen V1 platziert ist und wobei in der offenen Position O beide Volumina V1, V2 akustisch gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lautsprechersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Lautsprechergehäuse umfassend eine Anschlussöffnung zum akustischen Anschließen des Lautsprechergehäuses an die Umgebung oder an eine Ansaugleitung eines Verbrennungsmotors oder an eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors und mit einem im Lautsprechergehäuse montierten Lautsprecher, wobei der Lautsprecher mit dem Lautsprechergehäuse ein akustisches Volumen V begrenzt bzw. einschließt, und mit einer Kontrolleinheit, die den Lautsprecher mit der abzugebenden Frequenz zwecks Erzeugung von simuliertem Motorschall bzw. gewünschtem Schall oder zwecks Auslöschung von Fahrzeugschall ansteuert. Bei dem akustischen Volumen V, das begrenzt wird, handelt es sich um das rückwärtige Volumen des Lautsprechers. Bei Fahrzeugschall handelt es sich um Motorschall, mithin um Geräusche, die bei der Verbrennung entstehen und über die Abgasanlage und vornehmlich das Abgas transportiert werden. Zum Fahrzeugschall zählen auch Geräusche, die bei der Gemischbildung entstehen, mithin über die Ansaugstrecke und vornehmlich die Ansaugluft transportiert werden, und sonstige Geräusche, die durch das Fahrzeug bei der Fahrt erzeugt werden, wie Wind- und Reifengeräusche.
Das akustische Anschließen erfordert einen Schallaustrag über die Anschlussöffnung aus dem Lautsprechergehäuse in die Abgasleitung, die Frischluftleitung oder die Umgebung. Dieser Schallaustrag erfolgt vornehmlich über eine Öffnung, mithin einen Gasaustausch.
Aus der DE 196 47 601 A1 ist ein ventiliertes Lautsprechergehäuse mit einem impulsgeregelten Bassreflexrohr bekannt. Hierzu ist auf das offene Ende des Bassreflexrohres ein Flanschaufsatz gepresst, der innen eine bewegliche Verschlussklappe aufnimmt, die mit einem Stellmotor verbunden ist.
Aus der FR 2 260 916 A ist ein Lautsprecher bekannt, der im Gehäuse eine flexible Trennwand aufweist, über die ein zweites Gehäusevolumen mittelbar angekoppelt ist.
Es sind bereits ein System und ein Verfahren zur aktiven Erzeugung und/oder Beeinflussung von Geräuschen, die von Fahrzeugen und insbesondere verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen an ihre Umgebung ausgegeben werden, aus der DE 10 2013 112 409 A1 bekannt. Das System weist einen Schallerzeuger auf, der im Bereich stromauf einer Mündung eines Endrohres an eine Abgasanlage angeschlossen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lautsprecher für eine Abgasanlage derart auszubilden und anzuordnen, dass eine optimale Schallerzeugung möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Lautsprechergehäuse mindestens eine Kopplungszone mit einem Trennmittel aufweist, mittels dem das akustische Volumen V teilbar ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, mittels derer das Trennmittel in eine geschlossene Position G und in eine offene Position O bringbar ist, wobei in der geschlossenen Position G das Volumen V in ein erstes akustisches Volumen V1 und mindestens ein zweites akustisches Volumen V2 reversibel akustisch geteilt ist, wobei in der offenen Position O beide Volumina V1, V2 akustisch gekoppelt sind und wobei der Lautsprecher im Volumen V1 platziert ist.
Hierdurch wird erreicht, dass der Lautsprecher mit zwei verschieden großen akustischen Volumina V, V1 ausgestattet werden kann, sodass sowohl bei niedrigen Frequenzen als auch bei höheren Frequenzen ein optimaler Schalldruck trotz relativ geringer Energieaufnahme des Lautsprechers gewährleistet ist. Das Schalten zwischen der geschlossenen Position G und der offenen Position O kann im Betrieb des Lautsprechers erfolgen.
Das Teilen des Volumens V erfordert ein weitestgehend starres oder festes Trennmittel, sodass eine akustische Wirkung des Volumens V2 zumindest weitestgehend verhindert wird. Vorzugsweise weist das Trennmittel eine Resonanzfrequenz auf, die außerhalb des anzuwendenden Frequenzbereichs des Lautsprechers liegt. Somit wird bei geteilten Volumina V1, V2 auch ein akustisches Anregen des geschlossenen Trennmittels und mittelbar ein akustisches Anregen des Volumens V2 verhindert.
In der Automobilbranche geht inzwischen der Trend zu aktiven Schalldämpfern, die mit einem Lautsprecher ausgerüstet sind. Die Wahl des optimalen Lautsprechers stellt aber nach wie vor eine Herausforderung dar. Allerdings sollte der Lautsprecher sowohl in unteren Frequenzbereichen, wie beispielsweise 30 Hz, als auch in oberen Frequenzbereichen, wie beispielsweise bei 600 Hz, ausreichend akustische Energie bzw. einen ausreichend hohen Schalldruck bereitstellen bei möglichst geringem Energiebedarf. Bei niedrigen Frequenzen können hierfür Lautsprecher mit einem großen Durchmesser bevorzugt werden, während für höhere Frequenzen um die 600 Hz Lautsprecher mit einem kleinen Durchmesser bevorzugt werden können.
Der Lautsprecher ist in ein Gehäuse aufgenommen, dessen Volumen einen erheblichen Einfluss auf die generierbare akustische Energie bzw. den Schalldruck hat. Dies gilt insbesondere für das rückwärtige Volumen hinter dem Lautsprecher. Kern der Erfindung ist eine Vorrichtung, um dieses Volumen zu variieren und anzupassen, sodass in Abhängigkeit von der Frequenz des abzugebenden Schalls die höchstmögliche akustische Energie bzw. Schalldruck bei möglichst geringem Energieverbrauch gewährleistet ist. Zudem werden Bauraum, Gewicht und Kosten für weitere Lautsprecher eingespart. Das Lautsprechergehäuse ist bis auf die Anschlussöffnung geschlossen. Diese wird im Fall eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor in der Regel an die Ansaugleitung oder an die Abgasanlage bzw. Abgasleitung angeschlossen. Bei einem elektrischen Fahrzeug steht die Anschlussöffnung mit der Umgebung in akustischer Verbindung. Das kann auch für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen sein. Somit ist eine umfassende aktive Geräuschsimulation (active sound design) oder eine aktive Geräuschauslöschung (active sound cancelling) möglich. Das Lautsprechersystem ist bei Kopplung an die Abgasanlage vorzugsweise nah am Endschallrohr stromauf desselben platziert.
Bei Fahrzeugen, die nicht durch einen Verbrennungsmotor angetrieben sind, wird das Lautsprechersystem ohne entsprechenden Anschluss an eine Abgas- oder Zuluftleitung montiert, sodass der erzeugte Schall in die Umgebung abgegeben wird, insbesondere in dem Bereich des Kraftfahrzeugs, in dem normalerweise Abgasendrohre zu erwarten wären.
Im Falle des Anschlusses des Lautsprechersystems an ein Abgassystem oder ein Frischluftsystem des Motors findet eine Kopplung des Lautsprechersystems an das Volumen der entsprechenden Abgas- bzw. Frischluftleitung statt. Hinter dem Lautsprecher wird das Volumen V begrenzt, welches aufgrund des vorzusehenden Trennmittels aufgeteilt werden kann in ein erstes Volumen V1 und ein zweites Volumen V2, wobei V2 größer ist als V1. Die beiden Volumina V1, V2 sind trennbar über besagtes Trennmittel, wie beispielsweise ein Klappenventil. Unterhalb der zu bestimmenden Schaltfrequenz fs bzw. der abzuleitenden Motordrehzahl Ms bleibt das Trennmittel geöffnet und oberhalb dieser Frequenz fs bzw. Drehzahl Ms wird das Trennmittel geschlossen und somit das Lautsprechergehäusevolumen bzw. das rückwärtige Volumen des Lautsprechers von Volumen V begrenzt auf das Teilvolumen V1. Das Trennmittel ist mit einer Steuereinheit verbunden, welche Teil der Motorsteuerung sein kann, welche zumindest die Motordrehzahl M und die daraus ableitbare Frequenz ermittelt und bereitstellt.
Das Lautsprechersystem ist ein geschlossenes System, welches sich ausgehend vom Lautsprecher nach vorne in die Abgasanlage bzw. Frischluftanlage erstreckt, das sogenannte Frontvolumen und ein rückwärtiges Volumen, welches sich hinter dem Lautsprecher erstreckt. Das rückwärtige Volumen V kann über besagtes Trennmittel in zwei Teilvolumina V1, V2 geteilt werden, wobei das Teilvolumen V2 größer ist als das Teilvolumen V1. Das rückwärtige Volumen gewährleistet, dass der Lautsprecher bei geringen Frequenzen bzw. im unteren Frequenzbereich atmen kann. Denn das rückwärtige Volumen hat keine Verbindung zum Frontvolumen des Lautsprechers, mithin auch nicht zum weiteren Volumen der entsprechenden Leitung, an die das System angeschlossen ist. Die Form des jeweiligen Lautsprechergehäuses ist nicht sehr wichtig, sollte aber vorzugsweise ein sphärisches Design haben, um interne akustische Schwingungen zu vermeiden. Der Lautsprecher kann das von ihm erzeugte Geräusch im Wesentlichen nur über die angeschlossene Leitung abstrahlen. Für das Lautsprechersystem ist eine Kontroll- und Versorgungseinheit vorgesehen, die den Lautsprecher mit entsprechenden elektrischen Signalen zur Erzeugung des gewünschten Geräuschs versorgt.
Das Erfindungswesentliche des Lautsprechersystems ist die Teilbarkeit des rückwärtigen Volumens V durch Anwendung eines entsprechenden Trennmittels bzw. eines Klappenventils, welches innerhalb des Lautsprechergehäuses bzw. innerhalb einer Kopplungszone vorgesehen ist. Bei geöffnetem Trennmittel kann der Lautsprecher auf das gesamte Volumen V zurückgreifen, um insbesondere bei tieferen Frequenzen ausreichend atmen zu können. Bei höheren Frequenzen kann dieses Volumen V reduziert werden auf das kleinere Volumen V1, sodass trotz reduzierter Energieaufnahme ausreichend Schalldruck erzeugbar ist.
Die Kopplungszone ist der Teil des Lautsprechergehäuses, der das Trennmittel aufnimmt und mit dem Trennmittel zwecks Entkopplung der Volumina V1, V2 zusammenwirkt. Mithin ist das Trennmittel innerhalb der Kopplungszone zwischen Anfang und Ende der Kopplungszone positioniert, um den Öffnungsquerschnitt der Kopplungszone zu verschließen.
Wie bereits ausgeführt ist es das Ziel, einen möglichst hohen Schalldruck zu erreichen bei möglichst geringer elektrischer Leistung des Lautsprechers. Hierzu ist es notwendig, dass bei niedrigen Frequenzen des Lautsprechers ein möglichst großes rückwärtiges Volumen V zur Verfügung steht, wobei zum Erreichen eines möglichst großen Schalldrucks bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme ein geringes rückwärtiges Volumen notwendig ist. Demnach ist zum Erreichen einer maximalen Effizienz des Lautsprechers ein variables rückwärtiges Volumen V vorteilhaft.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Kopplungszone eine Länge Lk und einen Durchmesser Dk aufweist, wobei ein Verhältnis wie folgt besteht: Dk/Lk ≥ 1 oder Dk/Lk ≥ 2 oder Dk/Lk ≥ 5 oder Dk/Lk ≥ 10. Die Länge Lk hat einen größeren Einfluss auf den erreichbaren Schalldruck als der Durchmesser.
Durch Berücksichtigung des Verhältnisses wird beiden Einflüssen Rechnung getragen.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Trennmittel als Abgasklappe oder als Ventilklappe ausgebildet ist. Beide Klappen sind gängige Trennmittel für Gasleitungen und entsprechend günstig.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn zwischen dem ersten akustischen Volumen V1 und dem zweiten akustischen Volumen V2 ein Größenverhältnis wie folgt besteht: 2 ≤ V2/V1 ≤ 20 oder 5 ≤ V2/V1 ≤ 15. Bei Anwendung eines Trennmittels hat der erreichbare Vorteil seine Grenzen. Bei einem Verhältnis größer als 1:20 wird das zweite akustische Volumen V2 zu groß, wenn ein wirksames erstes akustisches Volumen V1 mit praktikablem Volumen bereitgestellt werden soll.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn ein weiteres Trennmittel vorgesehen ist, mittels dessen das Volumen V1 in ein primäres akustisches Volumen V1.1 und ein sekundäres akustisches Volumen V1.2 teilbar ist, wobei der Lautsprecher im primären Volumen V1.1 platziert ist. Somit sind mindestens drei verschiedene Volumina erzeugbar, sodass der Schalldruck weiter optimiert werden kann. In diesem Fall bezieht sich das Grenz-Verhältnis 1:20 auf V2/V1.1. Es kann für die Volumina ein Verhältnis wie folgt vorgesehen sein: V2>V1.2>V1.1.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die Kopplungszone einen Durchmesser Dk aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser Dg des Lautsprechergehäuses. Somit sind ein ausreichend großes Volumen V einerseits und ein kleines Trennmittel andererseits anwendbar.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Lautsprechersystems, das in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor integriert ist, von Vorteil, wenn

- zumindest eine Schaltdrehzahl Ms des Verbrennungsmotors bestimmt wird, bei der verschiedene Schalldruckkurven S1, S2 des Lautsprechers für verschiedene akustische Volumina V1, V2 einen Knotenpunkt K1, K2 aufweisen;
- in einem Drehzahlbereich M1 des Motors oberhalb einer Schaltdrehzahl Ms, mit M1 ≥ Ms das Volumen V durch Schließen des Trennmittels in die mindestens zwei Volumina V1, V2 geteilt wird und beide Volumina akustisch entkoppelt werden;
- in einem Drehzahlbereich M0 des Motors unterhalb einer Schaltdrehzahl Ms mit M0 < Ms beide Volumina V1, V2 durch Öffnen des Trennmittels akustisch gekoppelt werden.

Durch Anwendung einer Schaltdrehzahl Ms des Motors kann auf einfachste Weise der Schalldruck des Lautsprechers um ein Vielfaches optimiert werden.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn die Schaltdrehzahl Ms wie folgt ermittelt wird:

- Simulieren oder Erfassen verschiedener Schalldruckkurven S1, S2 eines Lautsprechers für einen Motor in Abhängigkeit von zumindest zwei verschiedenen akustischen Volumina V1, V2 des Lautsprechers;
- Ermitteln zumindest einer Schallfrequenz f = fs1, f = fs2, bei der die verschiedenen Schalldruckkurven S1, S2 für die verschiedenen Volumina V1, V2 einen Knotenpunkt K1, K2 aufweisen;
- Berechnen der Motordrehzahl Ms für die jeweilige Schallfrequenz f = fs1, f = fs2, bei der das Trennmittel geschaltet wird nach Ms = 60f/n, mit n als Motorordnung. Die Motorordnung ist maßgeblich von der Anzahl der Zylinder und der Motortaktart, aber auch von Kurbelwellenkröpfung und der Architektur der Krümmer abhängig. Bei einem 4-Takt-Motor beispielsweise ergeben sich für einen 4-Zylinder-Motor die wichtigsten Motorordnungen n = 2, 4, 6, 8, 10 und 12. Die Motorhauptordnung ist die 2. Bei einem 6-Zylinder-Motor sind die wichtigsten Motorordnungen n = 3, 6, 9 und 12. Die Motorhauptordnung ist die 3. Bei einem 5-Zylinder-Motor sind die wichtigsten Motorordnungen n = 2,5, 5, 7,5 und 10. Die Motorhauptordnung ist die 2,5. Insbesondere bei Zylinderabschaltung sind auch Kombinationen davon möglich. Die jeweilige Motorhauptordnung findet zum Berechnen der Motordrehzahl Ms bzw. zum Schalten des Trennmittels vorrangig Anwendung.

Dies gilt entsprechend für andere Verbrennungsmaschinen wie Gasturbinen, wobei die Schallfrequenz in erster Näherung einem Vielfachen der Drehfrequenz der Gasturbine entspricht.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn beim Simulieren oder Erfassen der Schalldruckkurven S1, S2 und des Knotenpunkts K1, K2 ein Abgasgegendruck berücksichtigt wird, dem der Lautsprecher aufgrund des jeweiligen Motorbetriebspunktes ausgesetzt ist. Der Abgasgegendruck ist maßgeblich für den erreichbaren Schalldruck des Lautsprechers, wenn der Lautsprecher an eine Abgasanlage akustisch gekoppelt ist.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn beim Simulieren oder Erfassen der Schalldruckkurven S1, S2 und des Knotenpunkts K1, K2 die folgenden Motor- und/oder Fahrzeugparameter berücksichtigt werden: Motorlast und/oder Massenstrom, insbesondere in der Frischluftleitung und/oder Drehmoment und/oder Motorleistung und/oder Kühlwassertemperatur und/oder Gangstufe und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Fahrzeugbeschleunigung und/oder Abgastemperatur. Auch die weiteren Motor- und/oder Fahrzeugparameter haben einen Einfluss auf den erreichbaren Schalldruck. Der Knotenpunkt K1, K2 bzw. die Schaltfrequenz fs ist zudem abhängig von der Lautsprechergröße und dem Lautsprechergehäusedesign. Weitere Faktoren sind auch das Design und das Volumen der Abgas- bzw. Frischluftleitung. Diese Fahrzeugdaten können über den CAN-Bus oder diskret über entsprechende Geber erhalten werden.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass in einem Drehzahlbereich M2 des Motors mit M2 > M1 oder M2 > Ms oder bei Erreichen eines zweiten Knotenpunktes K2 der Schalldruckkurven S1, S2 beide Volumina V1, V2 durch Schalten des Trennmittels in die offene Position O oder in die geschlossene Position G akustisch gekoppelt oder akustisch entkoppelt werden. Die Schalldruckkurven haben mitunter mehrere Schnittpunkte bei verschiedenen Frequenzen, sodass ein weiterer Wechsel der Volumina V1, V2 vorteilhaft ist.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn in einem Drehzahlbereich M3 des Motors mit M1 < M3 < M2 oder M3 > M2 oder bei Erreichen eines weiteren Knotenpunktes K3 der Schalldruckkurven S1, S2 des Trennmittels das Volumen V1 in ein primäres akustisches Volumen V1.1 und ein sekundäres akustisches Volumen V1.2 geteilt wird und beide Volumina V1.1, V1.2 entkoppelt werden bzw. wenn durch weitesgehendes Schließen des weiteren Trennmittels das Volumen V1 in ein primäres akustisches Volumen V1.1 und ein sekundäres akustisches Volumen V1.2 geteilt wird und beide Volumina V1.1, V1.2 im Wesentlichen entkoppelt werden. Eine geringe Leckage des Trennmittels ist je nach Ausbildung und Qualität des Trennmittels zwar unvermeidbar und in gewisser Weise auch etwas nachteilig, aber dennoch möglich. Die Leckage darf aber nur so groß sein, dass die Nachteile, die daraus erwachsen, nicht die Vorteile der Entkopplung überwiegen. Eine Aufteilung des Volumens in drei oder mehr Teile gewährleistet eine erweiterte Optimierung des erreichbaren Schalldrucks.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

1 zwei identische Lautsprechersysteme, einmal mit geöffnetem Trennmittel und einmal mit geschlossenem Trennmittel;
2 ein Lautsprechersystem mit ausgeprägter Kopplungszone;
3a simulierte Lautsprechersysteme mit verschiedenem Volumen V;
3b eine Aufzeichnung des Schalldrucks über der Frequenz für die in 3a gezeigten Volumina V;
4 eine Darstellung des Schalldrucks über der Frequenz in Abhängigkeit von der Länge Lk;
5a, 5b Kopplungszonen mit verschiedenen Durchmessern Dk;
6 eine Darstellung des Schalldrucks über der Frequenz in Abhängigkeit von dem Durchmesser Dk;
7a, 7b ein Lautsprechersystem mit zwei Trennmitteln.

In 1 dargestellte Lautsprechersysteme 1 weisen ein Lautsprechergehäuse 1.1 auf, in welchem ein Lautsprecher 1.3 platziert ist. Das Lautsprechergehäuse 1.1 kann über eine entsprechende Anschlussöffnung 1.2 mit der Umgebung oder mit einer Abgasanlage 2.1 eines Verbrennungsmotors 2 gekoppelt werden. Das Lautsprechergehäuse 1.1 begrenzt zusammen mit dem Lautsprecher 1.3 ein rückwärtiges Volumen V, welches maßgeblich den vom Lautsprecher abgebbaren Schalldruck oder erzeugbaren Schalldruck beeinflusst. Innerhalb dieses Volumens V bzw. innerhalb des Lautsprechergehäuses 1.1 ist ein Trennmittel 3 in Form einer Klappe vorgesehen, über welches das Volumen V bei Schließen der Klappe in ein erstes Volumen V1 und ein zweites Volumen V2 teilbar ist. Bei geschlossenem Trennmittel 3 befindet sich der Lautsprecher 1.3 innerhalb des Volumens V1. Das Volumen V2 ist vom Volumen V1 über das Trennmittel 3 akustisch getrennt. Das Volumen V2 ist damit inaktiv.
Das Schalten bzw. Ansteuern des Trennmittels 3 erfolgt über eine Steuereinheit 4, die mit einem nicht weiter dargestellten Stellantrieb des Trennmittels 3 verbunden ist. Der Stellantrieb kann integraler Bestandteil des Trennmittels 3 sein. Die Steuereinheit wird mit entsprechenden Motor- und Fahrzeugdaten, wie insbesondere Motordrehzahl M, Gangstufe, Last und Ähnlichem versorgt. In Abhängigkeit dieser Parameter wird der Schaltzustand des Trennmittels 3 bestimmt und entsprechend über das nicht dargestellte Stellglied das Trennmittel bzw. die Klappe 3 geöffnet oder zumindest teilweise geschlossen.
Das Trennmittel 3 wird derart angesteuert, dass die Schließ- und Öffnungsstellung abhängig ist von zumindest der Motordrehzahl M. Hierzu werden zumindest zwei Zustände kontrolliert bzw. gesteuert. Sobald die Motordrehzahl M unterhalb einer Schaltdrehzahl Ms liegt, bleibt das Trennmittel 3 offen. Sobald die Motordrehzahl M die Schaltdrehzahl Ms erreicht oder übersteigt, wird das Trennmittel 3 geschlossen, sodass das rückwärtige Volumen V auf ein Volumen V1 begrenzt wird. Das Volumen V2 ist akustisch abgekoppelt.
Das nach 2 dargestellte Lautsprechersystem 1 weist zwischen dem Volumen V1 und dem Volumen V2 eine Kopplungszone 1.4 auf, innerhalb derer das Trennmittel 3 angeordnet ist. Die Kopplungszone 1.4 weist eine Länge Lk und einen Durchmesser Dk auf. Beide Parameter sind für das akustische Verhalten der Volumina V1, V2 bei geöffnetem Trennmittel 3 zu berücksichtigen. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Dk zu Lk größer als 1 bzw. vorzugsweise größer als 2 oder sogar größer als 5.
Nach 3a, 3b wurde das Verhalten verschiedener Volumina von 1 Liter, 5 Litern und 15 Litern im Rahmen einer Simulation berücksichtigt. Die Simulation legt gemäß 3a ein kugelförmiges bzw. sphärisches Volumen zugrunde, Abweichungen hiervon sind jedoch auch möglich. Es zeigt sich bei den ermittelten Schalldruckkurven S1 für ein Volumen von 1 Liter, S5 für ein Volumen von 5 Liter, S15 für ein Volumen von 15 Liter nach 3b, dass der Schalldruck proportional zur Größe des rückseitigen Volumens V ansteigt. Der Schalldruck ist bis zu einer Schallfrequenz f = fs1 des Abgases von 100 Hz bei Anwendung eines Volumens von 15 Litern etwa 15 dB größer als vergleichsweise bei einem Volumen von 1 Liter. Zudem steigt der Schalldruck mit zunehmender Schallfrequenz f an bis zu der Schallfrequenz f = fs1 von etwa 100 Hz, bei der die verschiedenen Schalldruckkurven S1, S5, S15 für die verschiedenen rückwärtigen Volumina V einen ersten Knotenpunkt K1 bilden. In einem darauf folgenden Bereich zwischen etwa 100 Hz und 200 Hz liegt der Schalldruck bei einem Volumen von 1 Liter um etwa 5 dB über dem Schalldruck bei Anwendung des Volumens von 15 Litern. Bei der Schallfrequenz f = fs2 von etwa 200 Hz bilden die verschiedenen Schalldruckkurven S1, S5, S15 für die verschiedenen rückwärtigen Volumina einen zweiten Knotenpunkt K2. Oberhalb besagter Schallfrequenz f von etwa 200 Hz bis zu einer Schallfrequenz von etwa 500 Hz nähern sich die Schalldruckkurven S1, S5, S15 einander an. Bei etwa 250 Hz ist der Schalldruck bei Anwendung des 15 Liter-Volumens aufgrund von Resonanzeffekten etwa 2 bis 3 dB größer als der bei Anwendung des Volumens von 1 Liter.
Bei höherer Schallfrequenz f als 500 Hz ist der Schalldruck für alle Volumina etwa gleich. Der Schalldruck bei Anwendung des Volumens von 5 Litern liegt außerhalb der Knotenpunkte K1, K2 zwischen den beiden zuvor diskutierten Werten für 1 Liter und 15 Liter. Bei Frequenzen oberhalb der genannten 500 Hz kann aber auch das kleinere Volumen von 1 Liter Anwendung finden.
Durch die beiden Knotenpunkte K1, K2 kommt es zu einem 2-fachen Wechsel innerhalb der beiden Schalldruckkurven S1, S15 in Bezug auf die Einhüllende bzw. maximale Schalldruckkurve. Während bis zu der Schallfrequenz f von etwa 100 Hz das 15 Liter Volumen den optimalen Schalldruck gewährleistet, gewährleistet zwischen etwa 100 Hz und etwa 200 Hz das 1 Liter Volumen den optimalen Schalldruck. Oberhalb von etwa 200 Hz gewährleistet das 15 Liter Volumen wiederum den optimalen Schalldruck. Mithin entspricht die Schallfrequenz f in dem jeweiligen Knotenpunkt K1, K2 gleich der anzuwendenden Schaltfrequenz fs, bei welcher das Trennmittel 3 zwecks An- oder Abkopplung der Volumina V1, V2 zu schalten ist. Nach 3b gibt es eine erste Schaltfrequenz fs1 von etwa 100 Hz und eine zweite Schaltfrequenz fs2 von etwa 200 Hz.
Unter der Annahme eines 4-Zylinder-Motors mit einer Zündfrequenz von 0,5 pro Umdrehung und der Motorhauptordnung 2 entspricht die genannte Frequenz von 100 Hz entsprechend Ms = 60f/n einer Motordrehzahl Ms von 3.000 Umdrehungen pro Minute. Unterhalb einer Drehzahl von Ms = 3.000 Umdrehungen pro Minute ist das Trennmittel 3 geöffnet und bei Ms = 3.000 Umdrehungen pro Minute wird das Trennmittel 3 geschlossen. Bei etwa Ms = 6.000 Umdrehungen pro Minute wird das Trennmittel 3 wieder geöffnet. Dadurch werden auf einfachstem Wege der optimale Schalldruck, mithin die beste Effizienz und die beste akustische Performance des Lautsprechers 1.3 gewährleistet.
Eine derartige Verbesserung bzw. Erhöhung des Schalldrucks wäre alternativ nur mit erheblich höherer elektrischer Leistung möglich. Denn für einen Anstieg um 10 dB wäre ein Zehnfaches an elektrischer Leistung notwendig. Für einen Anstieg um 3 dB wäre zumindest das Doppelte an elektrischer Leistung notwendig.
Ebenfalls wurde der Einfluss der Kopplungszone 1.4 untersucht mit Hinblick auf den zu erreichenden Schalldruck. Hierzu wurden zwei Grenzfälle beleuchtet. Praktikablerweise werden nach 2 beide Volumina bzw. beide Kammern über eine Kopplungszone 1.4 in Form eines Kopplungsrohres mit einer Länge Lk miteinander gekoppelt, wobei die Kopplungszone 1.4 zur Lagerung des Trennmittels 3 dient. Idealerweise werden beide Volumina bzw. beide Kammern wie nach 5a, 5b unmittelbar aneinander gekoppelt ohne die Ausprägung einer Kopplungszone 1.4. Es hat sich gezeigt, dass die Länge Lk der Kopplungszone 1.4 einen ähnlichen Einfluss auf den zu erreichenden Schalldruck hat wie der Durchmesser Dk der Kopplungszone 1.4.
Nach 4 ist aufgezeigt die Schalldruckkurve S0, S50 über die Frequenz für die Länge Lk der Kopplungszone 1.4 von Lk = 0 mm gemäß 5b und Lk = 50 mm gemäß 2. Es zeigt sich, dass über einen weitgehenden Frequenzbereich die Länge der Kopplungszone 1.4 keinen größeren Einfluss auf den Schalldruck hat. Lediglich im Frequenzbereich zwischen etwa 100 und 240 Hz ist der Schalldruck bei geringerer Länge Lk der Kopplungszone 1.4 etwa 3 bis 5 dB höher als der Schalldruck bei Anwendung einer Kopplungszone 1.4 mit 50 mm. Ab einer Frequenz von etwa 240 bis 290 Hz ist der Schalldruck bei größerer Länge Lk der Kopplungszone 1.4 mit bis zu 8 dB deutlich höher als der bei Anwendung der kürzeren Kopplungszone bzw. ohne Kopplungszone. Insoweit bleibt festzuhalten, dass sich der Einfluss der Länge der Kopplungszone 1.4 in etwa ausgleicht bzw. Vor- und Nachteile sich entsprechend aufheben.
In den 5a, 5b sind dargestellt Lautsprechersysteme 1 ohne Kopplungszone 1.4, d. h. mit einer theoretischen Kopplungszone 1.4 mit einer Länge Lk = 0. Der Durchmesser Dk der Kopplungszone 1.4 beträgt nach 5a 20 mm bzw. 50 mm.
Nach 6 ist aufgezeigt die Schalldruckkurve S20, S50 über die Frequenz für die Durchmesser Dk der Kopplungszone 1.4 von Dk = 20 mm und Dk = 50 mm, wie in 5a, 5b dargestellt. Es zeigt sich, dass der Durchmesser Dk der Kopplungszone 1.4 keinen größeren Einfluss hat. Lediglich im Frequenzbereich zwischen etwa 100 und 240 Hz ist der Schalldruck bei größerem Durchmesser Dk der Kopplungszone 1.4 von 50 mm etwa 3 bis 4 dB höher als der Schalldruck bei Anwendung eines Durchmesser Dk mit 20 mm. Ab einer Frequenz von etwa 240 bis 290 Hz ist der Schalldruck bei kleinerem Durchmesser jedoch größer als der bei größerem Durchmesser. Insoweit bleibt festzuhalten, dass sich der Einfluss des Durchmessers der Kopplungszone 1.4 in etwa ausgleicht bzw. Vor- und Nachteile sich entsprechend aufheben.
Das nach 4 und 6 angewandte Modell berücksichtigt ein rückwärtiges Volumen von 15 Litern, aufgeteilt in ein erstes Volumen V1 von 1 Liter und ein weiteres rückwärtiges zweites Volumen V2 von 14 Litern bei Anwendung eines 6,5 Zoll Lautsprechers 1.3.
Nach Ausführungsform 7a, 7b sind innerhalb des Lautsprechergehäuses 1.1 ein erstes Trennmittel 3 und ein weiteres Trennmittel 5 vorgesehen. Nach 7a ist das Volumen V, welches durch das Lautsprechergehäuse 1.1 und den Lautsprecher 1.3 begrenzt wird, durch das erste Trennmittel 3 geteilt in die Volumina V1 und V2, sodass das rückwärtige Volumen für den Lautsprecher 1.3 begrenzt ist. Nach Ausführungsbeispiel 7b ist zusätzlich hierzu das rückwärtige Volumen V1 über das weitere Trennmittel 5 geteilt in ein primäres Teilvolumen V1.1 und ein sekundäres Teilvolumen V1.2, wobei der Lautsprecher 1.3 im primären Teilvolumen V1.1 platziert ist.
Bezugszeichenliste

1: Lautsprechersystem
1.1: Lautsprechergehäuse
1.2: Anschlussöffnung
1.3: Lautsprecher
1.4: Kopplungszone
1.5: Kontrolleinheit
2: Verbrennungsmotor
2.1: Abgasanlage
3: Trennmittel, Ventilklappe
4: Steuereinheit
5: weiteres Trennmittel, weitere Ventilklappe
Dg: Durchmesser von 1.1
Dk: Durchmesser von 1.4
f: Schallfrequenz
fs: Schaltfrequenz
fs1: erste Schaltfrequenz, bei der Trennmittel geschaltet wird, Schallfrequenz
fs2: zweite Schaltfrequenz, bei der Trennmittel geschaltet wird, Schallfrequenz
fs3: Schallfrequenz
G: Position geschlossen
K1: erster Knotenpunkt
K2: zweiter Knotenpunkt
K3: weiterer Knotenpunkt
Lk: Länge von 1.4
M: Motordrehzahl
Ms: Schaltdrehzahl, Motordrehzahl, bei der Trennmittel geschaltet wird
M0: Drehzahlbereich
M1: Drehzahlbereich
M2: Drehzahlbereich
M3: Drehzahlbereich
O: Position offen
S0: Schalldruckkurve
S1: Schalldruckkurve
S5: Schalldruckkurve
S15: Schalldruckkurve
S20: Schalldruckkurve
S50: Schalldruckkurve
V: Volumen von 1.1
V1: erstes Teil-Volumen von V
V1.1: primäres Teil-Volumen von V1
V1.2: sekundäres Teil-Volumen von V1
V2: zweites Teil-Volumen von V

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19647601 A1 [0003]
FR 2260916 A [0004]
DE 102013112409 A1 [0005]

Claims

Lautsprechersystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Lautsprechergehäuse (1.1) umfassend eine Anschlussöffnung (1.2) zum akustischen Anschließen des Lautsprechergehäuses (1.1) an die Umgebung oder an eine Ansaugleitung eines Verbrennungsmotors (2) oder an eine Abgasanlage (2.1) des Verbrennungsmotors (2) und mit einem im Lautsprechergehäuse (1.1) montierten Lautsprecher (1.3), wobei der Lautsprecher (1.3) mit dem Lautsprechergehäuse (1.1) ein akustisches Volumen V begrenzt, und mit einer Kontrolleinheit (1.5), die den Lautsprecher (1.3) mit der abzugebenden Frequenz zwecks Erzeugung von simuliertem Motorschall oder zwecks Auslöschung von Fahrzeugschall ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse (1.1) mindestens eine Kopplungszone (1.4) mit einem Trennmittel (3) aufweist, mittels dem das akustische Volumen V teilbar ist, wobei eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, mittels derer das Trennmittel (3) in eine geschlossene Position G und in eine offene Position O bringbar ist, wobei in der geschlossenen Position G das Volumen V in ein erstes akustisches Volumen V1 und mindestens ein zweites akustisches Volumen V2 akustisch geteilt ist, wobei in der offenen Position O beide Volumina V1, V2 akustisch gekoppelt sind und wobei der Lautsprecher (1.3) im Volumen V1 platziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungszone (1.4) eine Länge Lk und einen Durchmesser Dk aufweist, wobei ein Verhältnis wie folgt besteht: Dk/Lk ≥ 1 oder Dk/Lk ≥ 2 oder Dk/Lk ≥ 5 oder Dk/Lk ≥ 10.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel (3) als Abgasklappe oder als Ventilklappe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten akustischen Volumen V1 und dem zweiten akustischen Volumen V2 ein Größenverhältnis wie folgt besteht: 2 ≤ V2/V1 ≤ 20 oder 5 ≤ V2/V1 ≤ 15.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Trennmittel (3) vorgesehen ist, mittels dessen das Volumen V1 in ein primäres akustisches Volumen V1.1 und ein sekundäres akustisches Volumen V1.2 teilbar ist, wobei der Lautsprecher (1.3) im primären Volumen V1.1 platziert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungszone (1.4) einen Durchmesser Dk aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser Dg des Lautsprechergehäuses (1.1).
Verfahren zum Betrieb eines Lautsprechersystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor (2) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass - zumindest eine Schaltdrehzahl Ms des Verbrennungsmotors (2) bestimmt wird, bei der verschiedene Schalldruckkurven S1, S2 des Lautsprechers (1.3) für verschiedene akustische Volumina V1, V2 einen Knotenpunkt K1, K2 aufweisen; - in einem Drehzahlbereich M1 des Motors oberhalb einer Schaltdrehzahl Ms, mit M1 ≥ Ms das Volumen V durch Schließen des Trennmittels (3) in die mindestens zwei Volumina V1, V2 geteilt wird und beide Volumina akustisch entkoppelt werden; - in einem Drehzahlbereich M0 des Motors unterhalb einer Schaltdrehzahl Ms mit M0 < Ms beide Volumina V1, V2 durch Öffnen des Trennmittels (3) akustisch gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltdrehzahl Ms wie folgt ermittelt wird: - Simulieren oder Erfassen verschiedener Schalldruckkurven S1, S2 eines Lautsprechers (1.3) für einen Motor in Abhängigkeit von zumindest zwei verschiedenen akustischen Volumina V1, V2 des Lautsprechers (1.3); - Ermitteln zumindest einer Schallfrequenz f = fs1, f = fs2, bei der die verschiedenen Schalldruckkurven S1, S2 für die verschiedenen Volumina V1, V2 einen Knotenpunkt K1, K2 aufweisen; - Berechnen der Motordrehzahl Ms für die jeweilige Schallfrequenz f = fs1, f = fs2 bei der das Trennmittel (3) geschaltet wird nach Ms = 60f/n, mit n als Motorordnung.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Simulieren oder Erfassen der Schalldruckkurven S1, S2 und des Knotenpunkts K1, K2 ein Abgasgegendruck berücksichtigt wird, dem der Lautsprecher (1.3) aufgrund des jeweiligen Motorbetriebspunktes ausgesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Simulieren oder Erfassen der Schalldruckkurven S1, S2 und des Knotenpunkts K1, K2 die folgenden Motor- und/oder Fahrzeugparameter berücksichtigt werden: Motorlast und/oder Massenstrom, insbesondere in der Frischluftleitung und/oder Drehmoment und/oder Motorleistung und/oder Kühlwassertemperatur und/oder Gangstufe und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Fahrzeugbeschleunigung und/oder Abgastemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drehzahlbereich M2 des Motors mit M2 > M1 oder M2 > Ms oder bei Erreichen eines zweiten Knotenpunktes K2 der Schalldruckkurven S1, S2 beide Volumina V1, V2 durch Schalten des Trennmittels (3) in die offene Position O oder in die geschlossene Position G akustisch gekoppelt oder akustisch entkoppelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drehzahlbereich M3 des Motors mit M1 < M3 < M2 oder M3 > M2 oder bei Erreichen eines weiteren Knotenpunktes K3 der Schalldruckkurven S1, S2 des Trennmittels (3) das Volumen V1 in ein primäres akustisches Volumen V1.1 und ein sekundäres akustisches Volumen V1.2 geteilt wird und beide Volumina V1.1, V1.2 entkoppelt werden.