DE19726608A1 - Bestimmung des lärm- und fahrzeugtechnischen Zustandes von Fahrwegen - Google Patents

Description

Der Reifen/Straßenlärm hat zwei Ursachen; zum einen die Profil­ segmentierung des Reifens und zum anderen die Straßenunebenheiten. Eine Fehlerabweichung von der idealen Straßenoberfläche von ±0,15 mm verursacht bereits die Hälfte des gesamten Reifen/Straßenlärms eines Pkw's. Darin nicht enthalten ist die kleinskalare Straßenrauhig­ keit - diese liefert keinen Beitrag zum hörbaren dB(A)-Pegel - , sondern nur Fehlerabweichungen mit Wellenlängen von 0,1-1 m. Gegenstand der Erfindung ist Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des durch den Straßenzustand induzierten Reifen/Straßenlärms. Einbezogen ist auch eine analoge Messung des von der Schiene verursachten Anteils am Rad-/Schienenlärm. In beiden Fällen sollen auch die von Straßen- bzw. Schienenfehlern hervorgerufenen Rollwiderstände mit ausgewiesen werden.

Zur Bestimmung des Reifen/Straßenlärms - und auch des Rad-/Schienenlärms - ist das Hüllflächen-Verfahren in Anwendung, bei den mehrere Mikrofone z. B. halbkugelförmig um den Reifen angeordnet sind und deren Schall­ flüsse aufsummiert die insgesamt emittierte Schalleistung ergeben. Unabhängig von der sperrigen und aufwendigen Meßapparatur hat dieses Verfahren bei Fahrtmessungen eine Reihe von Nachteilen: Das den Meß­ signalen überlagerte Windgeräusch begrenzt die Meßgenauigkeit und die Auflösung. Die Außenmikrofone registrieren auch den Auspufflärm und die Lärmabstrahlung der anderen Reifen. Um die Störungen durch andere Fahrzeuge auszuschließen, müßte bei Meßfahrten jeweils der betreffende Straßenabschnitt gesperrt werden. Ein generelles Handicap des Hüll­ flächen-Verfahrens besteht darin, daß die Lärmquellenverteilung über den Emittenten - des Reifens, bzw. der Schiene - bereits bekannt sein muß.

Eine einfachere Methode zur Bestimmung von Lärmemissionen ist das Hallraum-Verfahren. Dazu wird das zu vermessende Aggregat in einem Hallraum betrieben. Hier reicht bereits ein Mikrofonsignal aus, um die Lärmemission zu ermitteln. Damit werden Lärmbestimmungen an einem feststehenden Reifenprüfstand gemacht. Eine Umsetzung dieses Verfahrens für eine in situ-Messung an Straßen ist schwer vorstell­ bar.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer einkanaligen Messung ohne Störung durch Wind-, Eigen- und Fremdgeräusche und ohne Beeinträchti­ gung des Straßenverkehrs den aufgrund von Straßenunebenheiten verur­ sachten Reifen/Straßenlärm zu bestimmen, daraus in spektraler Auf­ schlüsselung die Straßenunebenheiten und den dadurch verursachten Roll­ widerstand zu ermitteln.

Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung wird anstelle eines mehrkanaligen Hüllflächen-Verfahrens eine einkanalige Messung an einem Hallkörper durchgeführt. Der Hallkörper ist so definiert, daß sein Luft- oder Körperschallpegel dominant von den Straßen- bzw. Schienenunebenheiten induziert ist und eine Korrelation zur Lärmemission aufweist. Beim Reifenlärm kann als Hallkörper der luftschallerfüllte Reifentorus und/oder der Reifenmantel mit seinem Körperschallpegel herangezogen werden. Beim Eisen- und Straßenbahnrad wird der Körperschall der Rad­ scheibe als Ausgangswert für die spektrale Lärmemission verwendet. Der Hallkörper hat eine vergleichbare Funktion wie der Hallraum bei der Emissionsmessung nach dem Hallraum-Verfahren. Einen Vergleich liefern die spektralen Verhältniszahlen zwischen dem Pegel im Hall­ körper und der in den Außen- bzw. in den Passagierraum emittierten Lärmleistung. Mit definierten, bekannten Straßenfehlern geeicht, kann auch der spektrale Straßenfehler ausgegeben werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die spektrale Nach­ hallzeit des Hallkörpers durch Dämpfung oder auch Dämmung eingestellt, um eine der Meßaufgabe entsprechende Mittelungszeit bzw. Zeitauflösung zu gewährleisten. Bei der globalen Beurteilung der akustischen Güte eines Straßenabschnittes ist eine größere Mittelungszeit angebracht, bei der Detektion von singulären Straßenfehlern ist minimale Nach­ hallzeit notwendig. Mit den bekannten Verfahren der Echounterdrückung gibt es auch elektronische Mittel zur Erhöhung der Zeitauflösung.

Wenn sich dem zu messenden Reifen/Straßenlärm eine andere, kausal­ unabhängige Lärmquelle überlagert, so wird nach einem weiteren Merk­ mal der Erfindung ein von dieser Lärmquelle dominierter Hallkörper herangezogen und in analoger Weise zum Hauptmerkmal vermessen und geeicht. Damit gelingt die Trennung kausal unabhängiger Lärmquellen.

Wenn für einen Lärmerreger kein geeigneter Hallkörper zur Verfügung steht bzw. schlecht zugänglich ist, werden nach einem weiteren Er­ findungsmerkmal künstliche Hallkörper eingesetzt. Diese weisen Schwingungsverbindungen zum zu vermessenden Lärmerreger auf und sind gegenüber den anderen Erregern isoliert. Der Hallkörper besteht aus einem 1-, 2- oder 3-dimensionalen Wellenleiter, z. B. Gummi oder mikro­ mechanisch strukturierten Schwingsystemen. Dazu bietet sich die Integration von Hallkörper, Sensor und Auswertemodul an.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand von mehreren Ausführungsbeispielen weiter spezifiziert: Dabei zeigen:

Fig. 1 Luftschallmessung im Torus-Raum,

Fig. 2 Einstellung der Nachhallzeit

Fig. 3 Körperschallmessung am Reifen-Mantel,

Fig. 4 Künstliche Hallkörper,

Fig. 5 Körperschallmessung am Eisenbahn-Rad,

Fig. 6 Schwingungstransformator.

Bei der Beschreibung wird folgende Bezeichnung benützt:

X0 Emitter (Rad, Reifen),
X1 Hallkörper,
X2 Sensor,
X3 Drehübertrager,
X4 Auswertegerät,
X5 Impedanzelement,
X6 Schwingungsleiter,
X7 Schwingungstransformator.

In den Figuren sind Signalleitungen von Sensor X2 zu Drehübertra­ ger X3 und zu Auswertegerät X4 nicht eingezeichnet.

Der grundsätzliche Aufbau ist in Fig. 1 am Beispiel eines Kfz-Rei­ fens 10 dargestellt. Als Hallkörper wird der Torus-Raum 11 genommen und mit einem Drucksensor 12 der darin herrschende Luftschall aufge­ nommen. Da der ganz überwiegende Teil des Reifen/Straßenlärms durch die Normalenschwingungen der Reifenkarkasse verursacht wird, besteht eine feste Relation zwischen der in den Torus-Raum und der nach außen abgestrahlten Lärmleistung. Bei einem Lärmpegel von 130-140 dB(A) in einem Pkw-Reifen kann der Torus-Lärm genau und ohne Störung von Wind-, Eigen- oder Fremdgeräuschen gemessen werden. Das Meßsignal wird über einen Drehübertrager 13 , z. B. Schleifring, optische oder drahtlose Übertragung an die nicht mitrotierende Auswerte- und Regi­ striereinheit 14 übergeben. Die spektrale Zerlegung des Meßsignals erlaubt dabei auch eine spektrale Differenzierung der Straßenfehler. Dazu ist es zweckmäßig, die spektralen Übertragungskoeffizienten zwischen Meßsignal, Lärmemission nach außen und in den Passagierraum und die Straßenfehler an Straßenabschnitten mit definierten Straßen­ fehlern zu eichen. Die Meßgenauigkeit ist am größten, wenn der Rei­ fen 10 profillos ist oder nur Längsrillen aufweist. Sind jedoch Mes­ sungen an realistischen Reifen und unter realen Fahrbedingungen ge­ fordert, so ist es zweckmäßig, Reifen mit äquidistanter Profilteilung zu verwenden, bei der Meßfahrt die Geschwindigkeitsschwankungen zu erfassen und das Meßsignal vor der Spektralanalyse auf eine konstante Mittelgeschwindigkeit zu transformieren. Dadurch wird der Profillärm im Spektrum auf schmalbandige Harmonische konzentriert, so daß er genauer abgetrennt werden kann.

Die Zuordnung von Straßenkoordinate zum Meßwert kann über einen Weg­ zähler, die Zeit oder auch GPS erfolgen.

Obwohl für Meßfahrten konventionelle Kraftfahrzeuge genommen werden können, ist es zweckmäßig, einen speziellen, auch für profillose Reifen zugelassenen Meßanhänger zu verwenden. Zur Verbreiterung des Meßfeldes sind Vier- oder Mehrfachreifen möglich.

Die Ausführung nach Fig. 2 ist mit einem Reifen 20, einem Druck­ sensor 22 im Reifentorus 21 und einem Drehübertrager 23 zum Analyse- und Registriermodul 24 vollkommen analog zu Fig. 1. Zusätzlich ist hier jedoch ein Impedanzelement 25 verwendet, mit dem die spektralen Nachhallzeiten im Reifentorus 21 verändert, insbesondere verkleinert werden können. Dazu eignet sich über der Felge angebrachter Absorptions­ stoff, plan oder in Form eines umlaufenden λ/4-Keiles. Die spektrale Nachhallzeit kann gezielt mit innen oder außen an der Felge angebrachten Resonatoren, z. B. Helmholtz-, λ/4- oder Keilresonatoren eingestellt werden. Bringt man mehrere Drucksensoren 22 in den verschieden ab­ gestimmten Resonatoren unter, so ist damit auch eine direkte spektrale Analyse von Meßsignal und Lärmemission möglich.

Auf einen Drehübertrager 23 kann verzichtet werden, wenn das Analyse- und Registriermodul 24 mitrotierend am Rad 20 angebracht ist (vgl. Fig. 3). Dann können auch Drucksensor 22 und Modul 24 integriert und z,B. über das Reifenventil an den Hallkörper 21 angeschlossen werden.

In Fig. 3 wird die Seitenwandung 31 eines Reifens 30 als Hallkörper verwendet und mit z. B. einem Beschleunigungssensor 32 der Körper­ schallpegel aufgenommen. Außerdem ist hier auf einen Drehübertrager verzichtet und das Analysier- und Registriergerät 34 mitrotierend am Rad befestigt und über Funksteuerung manipuliert. Der Abstand des Beschleunigungssensors 32 von der Karkasse sollte so groß sein, um die akustisch inerte Aufstandsverformung nicht zu erfassen. Ver­ wendet man mehrere über den Umfang angebrachte Sensoren 32, so kann diese Störung und ebenso der Einfluß einer inhomogenen Verteilung des Körperschallpegels in der Seitenwandung 31 korrigiert werden. Die Zuordnung von Meßsignal und Lärmemission erfolgt auch hier - wie bei der Luftschallmessung nach Fig. 1 - durch Eichung mit definierten Straßenfehlern.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bestehend aus Reifen 4D, Be­ schleunigungssensor 42 und Analyse- und Registriermodul 44 unter­ scheidet sich von Fig. 3 lediglich um einen künstlichen Hallkörper 41, bestehend z. B. aus einem Vollgummiring. Durch die Schwingungsleiter 46 ist er schwingungsmäßig mit dem Reifen 40 verbunden und gegenüber den nicht mit dem Reifen/Straßenlärm korrelierten Schwingungen isoliert. Die physikalische Funktion von dem natürlichen Hallkörper 31 nach Fig. 3 und einem künstlichen Hallkörper 41 ist analog, auch hier nimmt der Beschleunigungssensor 42 den Körperschallpegel im Hallkör­ per 41 auf und es kann wieder eine Relation zwischen dem gemessenen Körperschallpegel und der Lärmemission des Reifens 40 eingeeicht werden. Der Vorteil eines künstlichen Hallkörpers 41 liegt darin, daß er geometrisch an leichter zugänglichen Stellen plaziert werden kann, daß seine schwingungstechnischen Eigenschaften (Wellengeschwin­ digkeit, Nachhallzeit, Impedanz) passend über einen großen Arbeits­ bereich eingestellt, seine Größe miniaturisiert und er mit dem Be­ schleunigungsaufnehmer 42 und auch dem Analyse- und Registriermodul 44 integriert werden kann.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 5 und 6 betreffen die Auf­ gabe, den von Schienenfehlern verursachten Anteil des Rad/Schienen­ lärms zu vermessen. Als Hallkörper 51 und 61 der fehlerfreien Eisen­ bahnräder 50 und 60 dienen hier die Radscheiben, da diese von der Fläche und dem Abstrahlwirkungsgrad her die dominanten Lärmemitter sind. In beiden Fällen erhalten die mitrotierenden Analysier- und Registriereinheiten 54 und 64 ihre Signale von den Schwingungsauf­ nehmern 52 und 62. In Fig. 5 nimmt der Schwingungsaufnehmer 52 den Körperschallpegel der Radscheibe 51 auf. Diese kann durch Schwin­ gungsabsorber 55 bedämpft sein, um die Zeitauflösung zu verbessern. In Fig. 6 ist zwischen Rad 60 und Schwingungsaufnehmer 62 ein Schwin­ gungstransformator 67 geschaltet. Seine Übertragungscharakteristik kann über einen weiten Bereich variiert und so unterschiedlichen Meßanforderungen angepaßt werden.

Für viele Anwendungen ist anstelle einer spektralen Aufschlüsse­ lung des Lärms bezw. der Texturfehler ein Einzahlwert, z. B. die dB(A)-bewertete Lärmleistung ausreichend. Durch Impedanzelemente X5 und/oder durch elektrische Gewichtungsfilter kann jeder Einzahl­ wert direkt aus dem Lärmpegel im Hallkörper X1 gewonnen werden.

Claims (6)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der von Fahrwegfehlern verursachten Lärmemission in den Außen- und Passagierraum, dadurch gekennzeichnet, daß an einem fehler­ freien Meßrad (X0) ein Hallkörper (X1) mit einem Sensor (X2) festgelegt wird, dessen Luft- oder Körperschallpegel dominant von den Fahrweg­ fehlern induziert ist, und daß durch Eichung mittels definierter, bekannter Fahrwegfehler die spektralen Verhältniskoeffizienten zwi­ schen dem Signal des Sensors (X2) und der spektralen Lärmemission auf­ gestellt werden.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kfz-Reifen (10) der Torusraum (11) als Hallkörper genommen wird und daß bei diesem durch Impedanzelemente (15), bestehend aus Absorptionsmitteln oder Volumenresonatoren, z. B. Helmholtz-, λ/4-Resonator die spektrale Nachhallzeit im Torusraum (11) eingestellt wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein künstlicher Hallkörper (41) benützt wird, der durch Schwingungsleiter (46) mit dem Reifen (40) schwingungsmäßig verbunden und gegenüber der Felge isoliert ist und dessen Körperschallpegel durch einen Sensor (42) aufgenommen wird.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungs­ transformator (67) zwischen Schienenrad (60) und Schwingungsaufnehmer (62) mit einstellbarer Übertragungscharakteristik geschaltet ist.

5. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren, kausal voneinander unabhängigen Erregern eine gleiche Anzahl von diesen Erregern dominant beaufschlagte, natürliche oder künstliche Hallkörper (X1) ausgewiesen werden, und durch Eichung mit bekannten Fehlern die spektralen Verhältniskoeffizienten zwischen den Körper­ schallpegeln dieser Hallkörper (X1) und den emittierten Leistungen aufgestellt werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausgabe eines Einzelwertes, z. B. der dB(A)-gewichteten Schallemission oder des mittleren Texturfehlers, dieser durch spektrale Impe­ danzelemente (X5) und/oder durch elektrische Gewichtungsfilter direkt aus dem Schallpegel im Hallkörper (X1) gewonnen wird.