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Die Erfindung betrifft ein Akustiksensorgehäuse zur Anordnung an einem Fahrzeug und ein Fahrzeug aufweisend ein oder mehrere Akustiksensorgehäuse.
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Folgende Definitionen gelten für den gesamten Offenbarungsgehalt.
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Aus dem Stand der Technik sind Akustiksensoren zur Detektion von externen Geräuschen außerhalb von Fahrzeugen bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2016 006 802 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung zumindest eines von einem Einsatzfahrzeug ausgehenden Sondersignals.
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Aus aeroakustischen Grundlagenuntersuchungen ist bekannt, dass die bei der Umströmung von Körpern entstehenden Turbulenzen und deren Schwankungen Strömungsgeräusche generieren. Diese Geräusche sind abhängig von der Zuströmgeschwindigkeit, dem Turbulenzgehalt der Strömung und der Geometrie des umströmten Körpers. Als Geometrieeigenschaften, die verhältnismäßig geringe Strömungsgeräusche generieren, sind eine scharf zulaufende Hinterkante und ein großer Vorderkantenradius bekannt.
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Bei der Bewegung von Objekten in stehender Luft entsteht durch die Bewegung eine relative Strömungsgeschwindigkeit zwischen ruhendem Luftfluid und bewegtem Körper. An den Kanten und Konturen des Körpers interagiert die Strömung mit dem Körper selbst. Es kommt dort zu Umlenkungen und Abrissen der Strömung, die zu Geschwindigkeitsfelder und Turbulenzen (Wirbelbildung) führen. Diese dynamischen Geschwindigkeitsänderungen und die Turbulenzbildung generieren wiederum aeroakustische Geräusche. Die Intensität der entstehenden aeroakustischen Geräusche steigt mit der relativen Strömungsgeschwindigkeit sowie der Stärke der Turbulenzen.
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Das aeroakustische Geräusch ist eine nicht gewollte Störgröße für außen am Fahrzeug, und damit der Luftumströmung ausgesetzten, Akustiksensoren, da durch das Geräusch der Signalrauschabstand des Akustiksensors verringert wird. Bei der Installation von außen am Fahrzeug angebrachten Akustiksensoren wird deshalb darauf geachtet, Sensorpositionen zu wählen, an denen eine möglichst geringe relative Strömungsgeschwindigkeit bei Fahrzeugbewegung vorherrscht.
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Akustiksensoren im Automobilbereich im Außenbereich des Fahrzeugs werden in Fahrtrichtung vorne üblicherweise so installiert, dass sie direkt in Fahrtrichtung zeigen. Dadurch entsteht vor dem Sensor ein Staudruck, und nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit und damit eine geringe Strömungsgeräuschemission direkt am Akustiksensor. Der Akustiksensor wird damit durch Windgeräusche nur geringfügig beeinflusst.
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Hinter dem Fahrzeug wird üblicherweise ein anderer Effekt ausgenutzt, um Audioaufnahmen mit wenig Windgeräuschen zu erhalten. Hier setzt man darauf, dass hinter dem Fahrzeug im „Windschatten“ ein Bereich mit geringer Luftgeschwindigkeit entsteht: Die Abrisskanten befinden sich dann weiter oben am Fahrzeug. Wenn man die Akustiksensoren beispielsweise unten in der Stoßstange platziert, sind diese weit entfernt von der Abrisskante und werden somit nur geringfügig von Windgeräuschen beeinflusst.
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Bei einem LKW mit Anhänger gibt es das Problem für Mikrofone, die nach hinten hören sollen, dass der „Windschatten“ erst ganz hinten am Anhänger entsteht. Eine Anbringung von Akustiksensoren am Anhänger ist nicht wünschenswert, da dann eine Verkabelung zwischen Anhänger und Zugmaschine benötigt wird. Eine Anbringung hinter der Zugmaschine, also zwischen Zugmaschine und Anhänger, ist nicht wünschenswert, da in diesem Raum hohe Antriebsgeräusche hörbar sind. Mikrofone nach vorne können wie im PKW platziert werden. An der Seite des Fahrzeugs und auf dem Dach sind die Windgeräusche maximal, dort ist die Anbringung eines Sensors, welcher zur Seite oder in den Himmel zeigt, daher nicht zielführend.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein strömungsgeräuschemissionsreduziertes Akustiksensorgehäuse für entgegen der Fahrtrichtung gerichtete Akustiksensoren für den Außenbereich eines Fahrzeugs für Fahrzeuge bereitzustellen, die aufgrund ihrer Bauform oder Verwendungsweise eine Anbringung der Akustiksensoren im strömungsabgeschirmten Bereich nicht zulassen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein Akustiksensorgehäuse zur Anordnung an einem Fahrzeug bereit. Eine Berandung des Akustiksensorgehäuses weist die Form eines Profils auf. In einem Innenraum des Akustiksensorgehäuses in einem Bereich einer Profilhinterkante sind eine oder mehrere Aufnahmevorrichtungen für einen oder mehrere Akustiksensoren angeordnet.
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Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Fahrzeug bereit, das ein oder mehrere erfindungsgemäße Akustiksensorgehäuse aufweist. Die Akustiksensorgehäuse sind derart an dem Fahrzeug angeordnet, dass eine Profilvorderkante des Akustiksensorgehäuses in Fahrtrichtung nach vorne angeordnet ist.
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Das Akustiksensorgehäuse ist am Design eines Tragflügels konstruiert. Bei einer derartigen Geometrie und/oder Formgebung des Akustiksensorgehäuses entstehen bei einer Bewegung des Fahrzeuges durch das Luftfluid laminare Strömungen um das Akustiksensorgehäuse und turbulente Strömungen werden minimiert. Durch diese Minimierung von turbulenten Strömungen wird eine aeroakustischer Schallentstehung im Wesentlichen vermieden. Die Luftströmung wird durch die Berandung des Akustiksensorgehäuses, insbesondere die Umrisse des Profils, derart geführt, dass Strömungsabrisse vermieden oder zumindest stark minimiert werden. Durch diese strömungsgeräuschemissionsreduzierte Konstruktion können die Akustiksensoren die Umgebung besser wahrnehmen. Die Flächengrößen in Form der Anström- und Abströmsquerschnitte des Profils sind nach einem Aspekt so gestaltet, dass keine Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit, sondern vielmehr eine Reduzierung dieser erfolgt. Strömungsum- und ablenkungen und damit Strömungswiderstände werden möglichst gering gehalten. Das erfindungsgemäße strömungsgeräuschemissionsreduzierte Akustiksensorgehäuse 10 ermöglicht eine vorteilhafte Installation von Außenmikrofonen im Umfeld von Fahrzeugen, insbesondere Zugmaschinen, beispielsweise LKWs.
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Ein Akustiksensor ist ein Sensor, der mechanische Schwingungen, beispielsweise verursacht durch Luftschallwellen, erfasst und in ein prozessierbares Signal, beispielsweise ein elektrisches Signal wie etwa eine elektrische Spannung, umformt. Der Akustiksensor umfasst einen analogen und/oder digitalen Signalausgang. Die Umformung erfolgt in zwei Stufen. In einer ersten akustisch-mechanischen Umformungsstufe wird der Luftschall nach einem bestimmten Empfangsprinzip in die Bewegung eines Objektes umgeformt. In der zweiten mechanisch-elektrischen Umformungsstufe wird die Bewegung des Objektes nach einem bestimmten Wandlerprinzip in das elektrische Signal umgeformt. Beispiele für Akustiksensoren sind eine Anordnung eines Magneten und einer elektrischen Spule, Mikrofone, Beschleunigungsaufnehmer, Piezogeber oder Dehnungsmessstreifen. Ein mikro-elektro-mechanisches System, abgekürzt MEMS, umfassend eine Anordnung von Halbleiterelementen, die Schwingungen aufnehmen, ist auch als Akustiksensor einsetzbar.
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Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst der Akustiksensor ein Mikrofon. Das Mikrofon umfasst eine Mikrofonkapsel und einen Wandler. In der Mikrofonkapsel erfolgt die akustisch-mechanische Umformung. Die Mikrofonkapsel umfasst beispielsweise eine Membran, die durch Luftschall zu Schwingungen angeregt wird. In dem Wandler erfolgt die mechanisch-elektrische Umwandlung. Der Wandler ist beispielsweise ein elektrodynamischer Wandler, wie etwa bei einem Tauchspulenmikrofon, oder ein elektrostatischer Wandler, wie etwa bei einem Kondensatormikrofon.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Akustiksensor als ein MEMS-Mikrofon realisiert. MEMS-Mikrofone sind miniaturisierte Mikrofone, die beispielsweise in SMD-Technik ausgeführt sind zum direkten Einsatz auf der Leiterplatte. MEMS-Mikrofone besitzen kleine Abmessungen und sind einfach industriell zu verarbeiten, beispielsweise können MEMS-Mikrofone in einem Reflow-Lötprozess bestückt werden. Im Vergleich zu anderen Mikrofonen sind MEMS-Mikrofone unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen und damit für automobile Anwendungen besonders gut geeignet. Alternativ ist der Akustiksensor ein Elektret-Kondensatormikrofon.
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Nach einem weiteren Aspekt weist das Akustiksensorgehäuse poröse Materialien auf, beispielsweise Kunststoff- oder Metallschäume, Gummigranulate oder Blähglasgranulate. Die Porengröße bestimmt den längenbezogenen Strömungswiderstand und die Rauigkeit der Oberfläche. Die porösen Materialien reduzieren die Hinterkantenschallabstrahlung und verbessern damit die strömungsgeräuschemissionsreduzierte Wirkung.
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Der Akustiksensor oder das Akustiksensorgehäuse können ein Schutzgitter zum Absichern gegen Eindringen von gröberen Fremdkörpern aufweisen. Ferner können der Akustiksensor oder das Akustiksensorgehäuse eine akustisch permeable, hydrophobe und/oder lipophobe erste Membran aufweise, die in Luftströmungsrichtung hinter dem Schutzgitter angeordnet ist. Nach einem Aspekt ist die akustisch permeable, hydrophobe und/oder lipophobe erste Membran in Luftströmungsrichtung hinter dem Schutzgitter derart angeordnet ist, dass bei Einwirkung von Strahlwasser das Strahlwasser an der ersten Membran vorbei zurückströmt. Des Weiteren können der Akustiksensor oder das Akustiksensorgehäuse einen zwischen dem Schutzgitter und der ersten Membran verlaufenden Strömungsbypass aufweisen, um durch die Luftströmung eingetretene Fluide und/oder Fremdkörper von der ersten Membran weg zu leiten.
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Profil bezeichnet die Form des Querschnitts eines Körpers in Strömungsrichtung. Bei dem sich durch das Luftfluid bewegendem Fahrzeug liegt eine Strömung des Luftfluids vor. Bei der Strömung über das Profil bildet sich eine Grenzschicht aus. Abhängig von Strömungsgeschwindigkeit, Anstellwinkel, Profilform, Profildimension und Rauigkeit der Oberfläche ist diese laminar oder turbulent. An der Profilhinterkante kommt es dann zu einer Wechselwirkung dieser profileigenen Grenzschicht mit der Kante, was zu einer Hinterkantenschallabstrahlung führt. Nach einem Aspket sind die Profilhinterkanten gezahnt, gezackt oder wellenförmig. Derartige Formen reduzieren die Hinterkantenschallabstrahlung.
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Die Aufnahmevorrichtungen für die Akustiksensoren weisen nach einem Aspekt Leiterplatten auf. Die Leiterplatten können weitere Bauteile, beispielsweise Logikbausteine wie etwa ASICS oder FPGAs, aufweisen, um beispielsweise Hochpassfilter- und/oder zur Einschränkung des Dynamikumfangs des Signals erforderliche Kompressorfunktionen zu realisieren. Die Bauteile und deren Verbindungen dienen der Vorverarbeitung von analogen oder digitalen Signalen des Akustiksensors, wobei die Bauelemente ausgeführt sind zur analogen oder digitalen Signalverarbeitung und/oder zur Realisierung von Filterfunktionen, Funktionen zur Phasenumkehr, Kompressorfunktionen und/oder Verstärkerfunktionen. Ferner kann die Leiterplatte eine Steckeranbindung aufweisen zum Anschließen des Akustiksensors an ein elektronisches Steuergerät, wobei das Steuergerät ausgeführt ist, in Abhängigkeit der Signale des Akustiksensors Schallquellen zu lokalisieren und/oder zu klassifizieren. Die Bauteile und/oder die Akustiksensoren sind beispielsweise direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, beispielsweise gelötet, und werden auch surface mounted devices, abgekürzt SMD, genannt.
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Nach einem Aspekt sind die Aufnahmevorrichtungen als Aufnahmeclips für die Akustiksensoren ausgebildet.
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Nach einem Aspekt ist das Profil um den Bereich der Profilhinterkante verkürzt. Die Aufnahmevorrichtungen sind an dem einer Profilvorderkante entgegengesetztem Ende des Akustiksensorgehäuses angeordnet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist der direkte Kontakt der Aufnahmevorrichtungen oder der Akustiksensoren mit der Außenwelt.
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Nach einem weiteren Aspekt weist das Akustiksensorgehäuse eine oder mehrere Öffnungen zum Leiten von Luftschall an die in die Aufnahmevorrichtungen aufnehmbaren Akustiksensoren auf. Die Öffnungen sind jeweils an einer Profiloberseite an einer Position angeordnet sind, die zu der Profilvorderkante einen größeren Abstand hat als eine Position der Aufnahmevorrichtungen. Das heißt, bei Anordnung des Akustiksensorgehäuses an dem sich durch das Luftfluid bewegendem Fahrzeug sind die Öffnungen in Fahrtrichtung hinter den Aufnahmevorrichtungen angeordnet und damit in einem möglichst laminaren Strömungsbereich. Damit wird die strömungsgeräuschemissionsreduzierte Wirkung weiter verbessert. Die Öffnungen können beispielsweise Bohrungslöcher sein.
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Nach einem weiteren Aspekt sind die Größen der Öffnungen derart dimensioniert, dass Wirbelablösefrequenzen größer oder gleich 10 kHz entstehen. Dies ist insbesondere für den Anwendungsfall einer Sirenenerkennung von Einsatzfahrzeugen vorteilhaft. Beispielsweise sind die Durchmesser von Bohrungslöchern entsprechend dimensioniert. Die Größen der Öffnungen können anhand der Strouhal-Zahl bestimmt werden. Die Strouhal-Zahl S
r ist definiert als
S
r mit Wirbelablösefrequenz f, Größe L des umströmten Hindernisses, beispielsweise Durchmesser Bohrungsloch, und Strömungsgeschwindigkeit v. Für die meisten praktischen Anwendungen gilt die Näherung S
r ≈ 0,21. Damit kann die Wirbelablösefrequenz berechnet werden zu
Die Strömungsgeschwindigkeit v hängt unter anderem von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges ab.
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Statt einer Öffnung können auch mehrere Öffnungen, beispielsweise in Form eines Rasters aus Löchern, verwendet werden.
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Nach einem weiteren Aspekt weist das Akustiksensorgehäuse eine flache Profilunterseite auf. Ein derartiges Akustiksensorgehäuse kann vorteilhaft mechanisch konstruiert und einfach an einem Fahrzeug angeordnet werden, beispielsweise planar an einer Außenhaut des Fahrzeuges.
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Nach einem weiteren Aspekt weist das Akustiksensorgehäuse einen oder mehrere Akustiksensoren, die in die Aufnahmevorrichtungen aufgenommen sind, auf. Durch das strömungsgeräuschemissionsreduziertes Akustiksensorgehäuse können damit die Akustiksensoren entgegen der Fahrtrichtung in umströmten Bereichen ausgerichtet werden, insbesondere bei Fahrzeugen, die aufgrund ihrer Bauform oder Verwendungsweise eine Anbringung der Akustiksensoren im strömungsabgeschirmten Bereich nicht zulassen.
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Nach einem weiteren Aspekt weist das Akustiksensorgehäuse ein oder mehrere Befestigungselemente zum Anordnen des Akustiksensorgehäuses an dem Fahrzeug auf. Das Befestigungselement ist beispielsweise eine Schraube.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Fahrzeug eine Zugmaschine. Das Akustiksensorgehäuse ist an der Zugmaschine angeordnet. Die Zugmaschine ist beispielsweise ein Lastkraftwagen mit oder ohne Anhänger, eine Sattelzugmaschine mit oder ohne Auflieger, ein Personenkraftwagen mit oder ohne Wohnwagen, ein Traktor mit oder ohne Anhänger oder ein Fahrrad mit oder ohne Fahrradanhänger.
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Nach einem weiteren Aspekt aufweist das Fahrzeug ein Fahrsystem für automatisierte Fahrfunktionen auf. Ein oder mehrere in dem Akustiksensorgehäuse aufgenommene Akustiksensoren nehmen eine Umgebung des Fahrzeuges wahr. Das Fahrsystem verarbeitet Signale der Akustiksensoren für eine Trajektorienplanung. Das Fahrsystem kann Umfelderfassungssensoren, neben den Akustiksensoren beispielsweise Kamera, Radar, Lidar, ein oder mehrere elektronische Steuergeräte und einen oder mehrere Aktuatoren für die Längs- und/oder Quersteuerung des Fahrzeuges umfassen. Das elektronische Steuergerät kann eine Hochleistungscomputerplattform zur Verarbeitung der Sensorsignale, Wahrnehmung der Umgebung und Ansteuerung der Aktuatoren aufweisen. Automatisierte Fahrfunktionen umfassen Fahrfunktionen für assistiertes Fahren und autonome Fahrfunktionen.
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Durch die strömungsgeräuschemissionsreduzierte Konstruktion können die Akustiksensoren die Umgebung besser wahrnehmen, und beispielsweise annähernde Sondereinsatzfahrzeuge mit aktivem Martinshorn früher erkennen und entsprechend reagieren, beispielsweise durch die Bildung einer Rettungsgasse, Reduktion der Fahrgeschwindigkeit, um ein gefahrloses Überholen des Einsatzfahrzeuges zu gewährleisten oder Wechsel der Fahrspur.
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Die Erfindung wird beispielhaft in den folgenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Akustiksensorgehäuses,
- 2 eine Draufsicht auf das Akustiksensorgehäuse aus 1 und
- 3 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Akustiksensorgehäuses.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder funktionsähnliche Teile. Übersichtshalber sind in den einzelnen Figuren lediglich die für das jeweilige Verständnis relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
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Das in 1 gezeigte Akustiksensorgehäuse 10 hat die Form eines Profils 11 mit flacher Profilunterseite 19 und konvex gewölbter Profiloberseite 18. Mit der flachen Profilunterseite 19 kann das Akustiksensorgehäuse 10 an einem Fahrzeug 20 angeordnet werden, beispielsweise mit einem Befestigungselement 111, das beispielsweise als eine Schraubverbindung ausgebildet sein kann. Beispielsweise ist das Akustiksensorgehäuse 10 an einer Zugmaschine angeordnet. Im Bereich einer Profilhinterkante 13 weist das Akustiksensorgehäuse 10 eine Öffnung 17, beispielsweise eine Bohrung, auf, durch die Luftschall zu den Akustiksensoren 15 geleitet wird.
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In einem Innenraum 12 des Akustiksensorgehäuses 10 ist eine Aufnahmevorrichtung 14 für die Akustiksensoren 15 angeordnet. Die Aufnahmevorrichtung 14 ist in 1 zwischen der Öffnung 17 und einer Profilvorderkante 16 angeordnet. Die Profilvorderkante, auch Profilnase genannt, ist die dem anströmenden Fluid zugewandte Kante eines Flügelprofils. Das Gegenteil davon ist die Profilhinterkante. Die Profilvorderkante 16 ist konvex gewölbt. Bei dieser Anordnung wird im Bereich der Profilhinterkante 13 zwischen der Aufnahmevorrichtung 14 und der Öffnung 17 eine Kammer 112, insbesondere eine Luftkammer, ausgebildet.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das Akustiksensorgehäuse 10 der 1.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Akustiksensorgehäuses 10. Die Kammer 112 ist komplett entfernt. Dadurch haben die Akustiksensoren 15 direkten Kontakt mit der Außenwelt.
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Bezugszeichen
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- 10
- Akustiksensorgehäuse
- 11
- Profil
- 12
- Innenraum
- 13
- Profilhinterkante
- 14
- Aufnahmevorrichtung
- 15
- Akustiksensor
- 16
- Profilvorderkante
- 17
- Öffnung
- 18
- Profiloberseite
- 19
- Profilunterseite
- 111
- Befestigungselement
- 112
- Kammer
- 20
- Fahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016006802 A1 [0003]
