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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit welchen das akustische Verhalten einer Abgasklappe für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine analysiert werden kann. In Abgasanlagen von Fahrzeugen werden Abgasklappen verbaut, um das akustische Verhalten der Abgasanlage gezielt beeinflussen zu können. Dazu weisen derartige Abgasklappen einen im Allgemeinen rohrartigen Klappenkörper auf, welcher in eine Abgasanlage integriert wird. Im Klappenkörper ist eine Klappenblende zwischen einer Abschließstellung und einer Freigabestellung verschwenkbar getragen. Durch Verschwenkung der Klappenblende kann die akustische Transparenz der Abgasklappe beeinflusst werden.
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Bei der Umströmung der Klappenblende insbesondere im geschlossenen Zustand derselben kann es durch konstruktionsbedingt vorhandene Leckagen zu Strömungsgeräuschen kommen, welche im Allgemeinen als Störgeräusche wahrgenommen werden. Derartige Strömungsgeräusche können einerseits grundsätzlich konstruktionsbedingt entstehen, können andererseits aber auch verursacht sein von bei der Fertigung von Abgasklappen auftretenden Fertigungstoleranzen oder/und Montagefehlern.
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Um die akustische Qualität von Abgasklappen bewerten zu können, kann beispielsweise derart vorgegangen werden, dass ein mit einer Abgasklappe ausgestattetes Fahrzeug oder eine an eine Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasanlage in einem Prüfstand akustisch untersucht werden. Um dabei verschiedene Klappen analysieren zu können, ist es erforderlich, für jede zu untersuchende Abgasklappe die Abgasanlage zu demontieren und wieder zu montieren, was einerseits zeitaufwendig ist, andererseits die Gefahr von bei der Montage auftretenden und somit die Entstehung von Störgeräuschen beeinflussenden Fehlern mit sich bringt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse des akustischen Verhaltens eine Abgasklappe für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Fahrzeugs, vorzusehen, mit welchen in einfacher und zuverlässiger Weise Informationen über die akustische Qualität einer Abgasklappe bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Analyse des akustischen Verhaltens einer Abgasklappe für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasklappe eine in einem Klappenkörper verstellbare Klappenblende umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Maßnahmen umfasst:
- a) Beaufschlagen der Abgasklappe mit einem Messgeräusch,
- b) Erfassen von an der Abgasklappe entstehenden Störgeräuschen und Erzeugen eines Störgeräusch-Zeitverlaufs,
- c) beruhend auf dem Störgeräusch-Zeitverlauf, Erzeugen eines Störgeräusch-Frequenzverlaufs,
- d) Vergleichen des Störgeräusch-Frequenzverlaufs mit einem Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf,
- e) beruhend auf dem bei der Maßnahme d) durchgeführten Vergleich, Beurteilen der akustischen Qualität der Abgasklappe.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird eine zu analysierende Abgasklappe mit einem definiert vorgegebenen Messgeräusch beaufschlagt. Dies bedeutet, dass die Abgasklappe grundsätzlich nicht in eine an eine Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasanlage integriert sein muss, sondern davon losgelöst und nur beaufschlagt mit einem Messgeräusch analysiert werden kann. Dies stellt klare und reproduzierbare und somit auch untereinander vergleichbare Auswerteergebnisse bereit. Da weiterhin mit einem definiert vorgegebenen Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf verglichen wird, ist auch die Referenzsituation klar vorgegeben, so dass die Aussagekraft der Aussageergebnisse weiter verbessert wird. Das wiederholte Montieren und Demontieren einer an eine Brennkraftmaschine angeschlossenen bzw. in ein Fahrzeug integrierten Abgasanlage entfällt bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise. Sie kann daher unmittelbar anschließend an den Fertigungsprozess oder integriert in den Entwicklungsprozess eingesetzt werden. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise jedoch auch in Verbindung mit einer vollständig aufgebauten und gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung analysierten Abgasanlage durchgeführt werden.
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Für eine schnell durchzuführende und zu untereinander vergleichbaren Messergebnissen führende Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Maßnahme a) das Integrieren der Abgasklappe in eine Analysevorrichtung umfasst, wobei die Analysevorrichtung einen in einer Schallflussrichtung stromaufwärts des Klappenkörpers an diesen angrenzend zu positionierenden Schallzuleit-Kanalbereich und einen in einer Schallflussrichtung stromabwärts des Klappenkörpers an diesen angrenzend zu positionierenden Schallableit-Kanalbereich sowie eine Messgeräuschquelle zum Erzeugen des über den Schallzuleit-Kanalbereich zu der Abgasklappe zu leitenden Messgeräusches umfasst.
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Das Messgeräusch, mit welchem eine zu analysierende Abgasklappe beaufschlagt wird, ist vorzugsweise ein Einzelton, der beispielsweise eine Frequenz kleiner/gleich 40 Hz, vorzugsweise im Bereich von 20 Hz bis 40 Hz, aufweist.
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Der Störgeräusch-Frequenzverlauf kann bei der Maßnahme c) durch FourierAnalyse, vorzugsweise schnelle Fourier-Transformation, erzeugt werden.
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Da sowohl der Störgeräusch-Frequenzverlauf, als auch der Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich als näherungsweise durch eine Kurve wiedergegebene oder zumindest eingehüllte Verläufe betrachtet werden können, kann bei der Maßnahme e) die Qualität der Abgasklappe als einer Soll-Qualität entsprechend beurteilt werden, wenn der Störgeräusch-Frequenzverlauf in wenigstens einem vorbestimmten Frequenzbereich unter dem Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf liegt. Dies bedeutet, dass in dem betrachteten Frequenzbereich für alle dort repräsentierten Frequenzanteile im Störgeräusch-Frequenzverlauf die Amplitude kleiner ist, als im Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf.
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Um eine zuverlässige Basis für den Vergleich des Störgeräusch-Frequenzverlaufs mit dem Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf bereitstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf auf der Grundlage von in Zuordnung zu einer Vielzahl von Abgasklappen erzeugten Störgeräusch-Frequenzverläufen ermittelt wird, oder/und dass der bei der Maßnahme d) mit dem Störgeräusch-Frequenzverlauf verglichene Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf in Zuordnung zu einem bei der Maßnahme a) erzeugten Messgeräusch ausgewählt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs angegebene Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Analyse des akustischen Verhaltens einer Abgasklappe für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Abgasklappe eine in einem Klappenkörper verstellbare Klappenblende umfasst, die Vorrichtung umfassend:
- - einen in einer Schallflussrichtung stromaufwärts des Klappenkörpers an diesen angrenzend zu positionierenden Schallzuleit-Kanalbereich,
- - einen in einer Schallflussrichtung stromabwärts des Klappenkörpers an diesen angrenzend zu positionierenden oder/und durch diesen bereitgestellten Schallableit-Kanalbereich,
- - wenigstens eine Messgeräuschquelle zum Erzeugen eines über den Schallzuleit-Kanalbereich zu der Abgasklappe zu leitenden Messgeräusches,
- - wenigstens einen Geräuschsensor zur Erfassung von entlang des Schallableit-Kanalbereichs geleiteten Störgeräuschen,
- - eine Ansteueranordnung zur Ansteuerung der wenigstens einen Messgeräuschquelle zur Erzeugung eines Messgeräusches,
- - eine Auswerteanordnung zum Empfang eines einen Störgeräusch-Zeitverlauf repräsentierenden Ausgangssignals des wenigstens einen Geräuschsensors, wobei die Auswerteanordnung dazu ausgebildet ist, beruhend auf dem Störgeräusch-Zeitverlauf, einen Störgeräusch-Frequenzverlauf zu erzeugen und den Störgeräusch-Frequenzverlauf mit einem Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf zu vergleichen.
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Um mit einer derartigen Vorrichtung verschiedene Analysesituationen vorgeben zu können, insbesondere auch die in verschiedenen Abgasanlagen zu integrierenden Abgasanlagen untersuchen bzw. analysieren zu können, wird weiter vorgeschlagen, die Ansteueranordnung dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Messgeräuschquelle zur Erzeugung unterschiedlicher Messgeräusche anzusteuern.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs einsetzbare Abgasklappe;
- 2 in prinzipartiger Darstellung eine Vorrichtung zur Analyse des akustischen Verhaltens einer Abgasklappe und deren Arbeitsweise;
- 3 ein prinzipartiges Diagramm eines Störgeräusch-Frequenzverlaufs und eines zugeordneten Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlaufs.
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In 1 ist eine in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug einsetzbare Abgasklappe allgemein mit 10 bezeichnet. Die Abgasklappe 10 umfasst einen rohrartigen Klappenkörper 12, in welchem eine Klappenblende 14 mit zwei Klappenflügeln 16, 18 um eine Schwenkachse A schwenkbar getragen ist. In Zuordnung zu den beiden Klappenflügeln 16, 18 sind am Klappenkörper 18 festgelegte Anschläge 20, 22 vorgesehen, an welchen in der in 1 dargestellten Schließstellung die Klappenflügel 16, 18 zur Anlage kommen. Bei Verschwenkung um die Schwenkachse A um näherungsweise 90° befindet die Klappenblende 20 sich in ihrer Offen-Stellung.
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Zum Verschwenken der Klappenblende 14 um die Schwenkachse A ist ein allgemein mit 24 bezeichneter elektromotorischer Schwenkantrieb vorgesehen. Eine Antriebswelle 26 des Schwenkantriebs 24 ist über ein Kopplungselement 28 an eine die beiden Klappenflügel 16, 18 tragende Schwenkwelle 30 der Klappenblende 16 angekoppelt.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die 2 und 3 detailliert erläutert, wie eine derartige Abgasklappe 10 hinsichtlich ihres akustischen Verhaltens analysiert werden kann. Für dieses akustische Verhalten ist insbesondere von Bedeutung, dass auch bei der in 1 dargestellten Schließstellung der Klappenblende 14 unvermeidbare Leckageströme zwischen dem Außenumfang der Klappenflügel 16, 18 und dem Innenumfang des Klappenkörpers 12 auftreten, insbesondere in denjenigen Bereichen, in welchen die Klappenflügel 16, 18 in ihrem Außenumfangsbereich an die Schwenkwelle 30 anschließen. Dies führt aufgrund des intermittierenden Abgasausstoßes einer Brennkraftmaschine und somit dem pulsierend auf die Klappenblende 14 auftreffenden Abgas zu Störgeräuschen, die im Inneren eines Fahrzeugs und insbesondere auch im Außenbereich eines Fahrzeugs deutlich wahrgenommen werden können. Mit der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung bzw. Vorgehensweise soll eine reproduzierbare und vergleichbare Analyse der akustischen Charakteristik einer derartigen Abgasklappe 10 ermöglicht werden.
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Die 2 zeigt in prinzipieller Darstellung eine Vorrichtung 32, mit welcher das akustische Verhalten einer Abgasklappe 10 analysiert werden kann. Die Vorrichtung 32 umfasst als wesentlichen Bestandteil eine beispielsweise als Lautsprecher 34 ausgebildete Messgeräuschquelle 36. Diese ist in einem Gehäuse 38 angeordnet, welches zu einem beispielsweise rohrartig ausgebildeten Schallzuleit-Kanalbereich 40 offen ist. In einer Schallflussrichtung auf den Schallzuleitbereich 40 folgend ist ein beispielsweise ebenfalls rohrartig ausgebildeter Schallableit-Kanalbereich 42 angeordnet. Zwischen dem Schallzuleit-Kanalbereich 40 und dem Schallableit-Kanalbereich 42 wird die Abgasklappe 10 eingesetzt. Hierfür können der Schallzuleit-Kanalbereich 40 und der Schallableit-Kanalbereich 46 einen gegenseitigen Abstand aufweisen, welcher der Länge des Klappenkörpers 12 entspricht, so dass der Klappenkörper 12 im Wesentlichen ohne Spiel zwischen dem Schallzuleit-Kanalbereich 40 und dem Schallableit-Kanalbereich 42 angeordnet werden kann. Um eine insbesondere auch akustisch dichte Anordnung zu schaffen, können im Angrenzungsbereich des Klappenkörpers 12 an den Schallzuleit-Kanalbereich 40 und den Schallableit-Kanalbereich 42 elastische Dichtelemente eingesetzt werden. Ferner können Positioniermittel vorgesehen sein, mit welchen beispielsweise durch Spannelemente oder dergleichen die Abgasklappe 10 zwischen dem Schallzuleit-Kanalbereich 40 und dem Schallableit-Kanalbereich 42 gehalten wird.
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An einem von der Abgasklappe 10 entfernten offenen Ende des Schallableit-Kanalbereichs 42 ist ein beispielsweise in Form eines Mikrofons 44 ausgebildeter Geräuschsensor 46 vorgesehen. Der Geräuschsensor 46 erfasst den aus dem Schallableit-Kanalbereich 42 austretenden Schall und erzeugt einen in 2 anhand eines Diagramms 48 veranschaulichten Störgeräusch-Zeitverlauf 50. Dieser kann beispielsweise den über der Zeit aufgetragenen bzw. auftretenden Schallpegel repräsentieren. Bei rohrartiger Ausgestaltung des Klappenkörpers 12 kann der Schallableit-Kanalbereich alternativ durch den in der Schallflussrichtung stromabwärts der Klappenblende 14 liegenden Teil des Klappenkörpers 12 bereitgestellt sein, so dass das Mikrofon 44 beispielsweise unmittelbar anschließend an den und somit näher an dem Kappenkörper 12 positioniert werden kann. In diesem Sinne bildet also der Klappenkörper 12 mit seinem stromabwärts der Klappenblende 14 liegenden Teil selbst einen Teil der Vorrichtung 32 Das vom Geräuschsensor 46 ausgegebene Signal, also der Störgeräusch-Zeitverlauf, wird in eine Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 eingegeben. Die Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 ist dazu ausgebildet, das Signal von dem Geräuschsensor 46 zu empfangen und dieses in nachfolgend beschriebener Art und Weise zu bearbeiten. Ferner ist die Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 dazu ausgebildet, die Geräuschquelle 36 derart anzusteuern, dass diese ein definiertes Geräusch abgibt. Zu diesem Zwecke kann die Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 mit einem programmierbaren Mikroprozessor und Speichermitteln ausgebildet sein, also beispielsweise als Computersystem ausgebildet sein, welches einerseits einer Bedienperson die Möglichkeit gibt, Daten einzugeben, und andererseits das Auswerteergebnis visuell anzeigen oder in Dateiform bereitstellen kann.
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Zur Durchführung einer akustischen Analyse einer zu untersuchenden Abgasklappe 10 wird, nachdem die Abgasklappe 10 zwischen dem Schallzuleit-Kanalbereich 40 und den Schallableit-Kanalbereich 42 positioniert wurde, die Geräuschquelle 36 durch die Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 zur Erzeugung eines definierten Geräusches angesteuert. Dieses Geräusch kann beispielsweise in Abhängigkeit von der zu analysierenden Abgasklappe 10 oder/und in Abhängigkeit von einem zu simulierenden Betriebszustand der Abgasklappe 10 oder/und in Abhängigkeit von einem zu simulierenden System Brennkraftmaschine-Abgasanlage ausgewählt werden und kann beispielsweise ein tieffrequenter Einzelton mit einer Frequenz im Bereich von etwa 30 Hz bis 40 Hz sein. Zur Analyse wird die Abgasklappe 10 in einen definierten Betriebszustand gebracht, beispielsweise einen Betriebszustand, in welchem die Klappenflügel 16, 18 der Klappenblende 14 an den jeweils zugeordneten Anschlägen 20, 22 anliegen. Durch das von der Geräuschquelle 36 generierte tieffrequente Geräusch wird die Luftsäule stromaufwärts der Abgasklappe 10, also insbesondere im Schallzuleit-Kanalbereich 40, in Schwingung versetzt, wodurch die im Verbrennungsbetrieb einer Brennkraftmaschine erzeugte pulsierende Beaufschlagung der Abgasklappe 10 simuliert wird. Aufgrund dieser Anregung strömt Luft durch die zwischen der Klappenblende 14 und dem Klappenkörper 12 vorhandenen Zwischenräume und erzeugt dabei Strömungsgeräusche, welche allgemein als Störgeräusche zu betrachten sind. Diese Strömungsgeräusche bzw. Störgeräusche werden durch den Geräuschsensor 46, also das Mikrofon 44, aufgenommen und in Form des Störgeräusch-Zeitverlauf 50 als Erfassungssignal zur Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 geleitet.
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In der Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 findet eine Auswertung des Störgeräusch-Zeitverlaufs 50 statt. Hierzu wird zunächst der Störgeräusch-Zeitverlauf 50 beispielsweise durch schnelle Fourier-Transformation in einen im Diagramm 54 veranschaulichten Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 transformiert.
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Ein derartiger Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 ist auch in 3 dargestellt. Dieser repräsentiert ein Frequenzspektrum, in welchem anhand der in Zuordnung zu jedem darin enthaltenen Frequenzwert eine Amplitude die Stärke des Frequenzanteils in dem als Störgeräusch auftretenden weißen, also im Frequenzspektrum breitbandigen Rauschen repräsentiert. Der Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 kann als im Wesentlichen kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Kurve wiedergegeben sein, kann jedoch auch durch eine Vielzahl diskreter Frequenzwerte mit jeweils zugeordneten Amplituden repräsentiert sein.
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In Zuordnung zu dem Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 ist in der Ansteuer/Auswerte-Anordnung 52 ein Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf 58 hinterlegt. Der Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf kann beispielsweise auf einem Mittelwert basieren, der aus Störgeräusch-Frequenzverläufen mehrerer anderer Abgasklappen generiert wird, deren Störgeräusche grundsätzlich als akzeptierbar beurteilt wurden. Somit definiert der Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf für den zu untersuchenden Frequenzbereich, der beispielsweise im Diagramm der 3 zwischen den Frequenzen f1 und f2 liegen kann und ein Frequenzspektrum von z.B. 20 HZ bis 20.000 Hz umfassen kann, eine Obergrenze für die Amplitude der in diesem Frequenzbereich liegenden Frequenzanteile. Der angegebene Frequenzbereich ist dabei insbesondere an die durch das menschliche Gehör wahrnehmbaren Frequenzen angepasst. Frequenzen außerhalb dieses durch das menschliche Gehör wahrnehmbaren Bereichs sind allgemein unkritisch.
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Man erkennt in 3, dass der dort nur beispielhaft dargestellte Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 im gesamten untersuchten Frequenzbereich f1 bis f2 unter dem Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf 58 liegt. Dies bedeutet, dass bei jeder im untersuchten Frequenzbereich f1 bis f2 vorhandenen Frequenz die zugeordnete Amplitude des Störgeräusch-Frequenzverlaufs 56 unter der entsprechenden Amplitude des Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlaufs liegt. Die zugeordnete Abgasklappe 10 wird in diesem Falle als einer Soll-Qualität entsprechend beurteilt werden. Würde der Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 bereichsweise über dem Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf 56 liegen, so könnte beispielsweise beurteilt werden, dass die analysierte Abgasklappe den vorgegebenen Qualitätskriterien nicht entspricht.
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Die vorangehend beschriebene Analyse kann für verschiedene Betriebsstellungen einer jeweiligen Abgasklappe 10 vorgenommen werden und unter Verwendung verschiedener Messgeräusche durchgeführt werden. Es können somit verschiedene Betriebssituationen nachgestellt werden, um zu analysieren, in welchen Betriebssituationen eine untersuchte Abgasklappe 10 sich den vorgegebenen Anforderungen entsprechend verhält oder nicht akzeptierbare Abweichungen zeigt.
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Mit der vorangehend beschriebenen Art und Weise kann automatisiert und in sehr kurzer Zeit das akustische Verhalten einer Abgasklappe analysiert werden und somit entschieden werden, ob eine Abgasklappe den vorgegebenen Qualitätsanforderungen entspricht und im weiteren Fertigungsprozess verwendet werden kann, oder nicht. Eine derartige Analyse kann beispielsweise am Ende der Fertigungslinie für Abgasklappen vorgesehen sein, kann jedoch auch nach der Integration der Abgasklappen in eine jeweilige Abgasanlage erfolgen. Die Analyse kann bei minimalem Personalaufwand durchgeführt werden und bietet die Möglichkeit, aufgrund der Verwendung definierter Messgeräusche und definierter Referenz-Störgeräusch-Frequenzverläufe die Möglichkeit, Analyseergebnisse reproduzierbar und miteinander gut vergleichbar bereitzustellen. Es können auf diese Art und Weise bei einer Messzeitdauer von weniger als 10 Sekunden pro Abgasklappe mehrere hundert Abgasklappen in jeder Arbeitsschicht analysiert werden. Dabei ist es leicht möglich, bei der Analyse zwischen Abgasklappen verschiedener Bauart zu wechseln, da hierzu beispielsweise nur ein anderes Messgeräusch und ein anderer Referenz-Störgeräusch-Frequenzverlauf in Zuordnung zu einer jeweils analysierten Abgasklappe ausgewählt werden müssen.
