DE19736021B4

DE19736021B4 - Verfahren zur Ermittlung akustisch relevanter Schwingungszentren

Info

Publication number: DE19736021B4
Application number: DE1997136021
Authority: DE
Inventors: Raymond Dr. Freymann; Bernhard Broich; Jürgen Fallert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: DE19736021A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Schwingungsquellen, die den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges beeinflussen, wobei das Fahrzeug in einem Windkanal angeströmt wird und die an Außenhautbauteilen des Fahrzeugs unter der Wirkung des Fahrtwindes auftretenden Schwingamplituden gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenhautbauteil des Fahrzeugs, an dem unter der Wirkung des Fahrtwindes Schwingungen auftreten, durch einen mechanischen Schwingungserreger gezielt angeregt und der im Innenraum des Fahrzeugs hieraus entstehende Schallpegel gemessen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Schwingungsquellen, die den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges beeinflussen.
Der Gesamtgeräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges wird von einer Vielzahl von Einzelgeräuschquellen beeinflusst. Nach vorherrschender Meinung werden die niederfrequenten Geräuschanteile in erster Linie durch das Abrollgeräusch auf der Fahrbahn verursacht, während im mittleren Frequenzbereich der Antriebsstrang (Motor, Getriebe) maßgeblich zur Geräuschentwicklung im Innenraum des Fahrzeuges beiträgt. Im höherfrequenten Bereich dominieren die durch den Fahrtwind hervorgerufenen Geräusche.

Aus der SAE Noise & Vibration Conference & Exposition, Traverse City, Michigan, MAY 15-18, 1995, Proceedings, Vol. 2, P-291, Seiten 791 bis 801 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Schwingungsquellen, die den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges beeinflussen bekannt. Dabei wird das Fahrzeug in einem Windkanal angeströmt und es werden die an Außenhautbauteilen des Fahrzeugs unter der Wirkung des Fahrtwindes auftretenden Schwingamplituden gemessen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswirkungen des Fahrtwindes auf den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges näher zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und/oder des Anspruchs 5 gelöst.

Untersuchungen der Anmelderin haben überraschenderweise ergeben, daß nicht nur höherfrequente Geräuschanteile auf den Einfluß des Fahrtwindes zurückgehen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 konnte die Anmelderin nachweisen, daß aufgrund der Umströmung durch den Fahrtwind Außenhautbauteile von Fahrzeugen zu niederfrequenten Schwingungen angeregt werden. Diese fahrtwinderregten Schwingungen der Außenhautbauteile werden gemäß Anspruch 1 erfaßt, um nachfolgend eine Aussage darüber zu erhalten, wie sich diese schwingenden Außenhautbauteile auf den Geräuschpegel im Innenraum des Fahrzeuges auswirken.

Die Messung der Schwingungen erfolgt bevorzugt durch Abtastung über ein Laservibrometer oder über holographische Untersuchungen (siehe Anspruch 6), wodurch die Schwingungen über der Flächen- oder Raumerstreckung des Außenhautbauteils sichtbar gemacht werden können. Diese Art der berührungslosen Messung ist (im Vergleich zur Erfassung der Schwingungen beispielsweise über Beschleunigungsaufnehmer) einfach in der Handhabung und verfälscht das Messergebnis nicht.

Durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 kann ermittelt werden, in welcher Weise und mit welchen Amplituden ein bestimmtes Außenhautbauteil unter der Wirkung des Fahrtwindes schwingt. Um eine Aussage darüber treffen zu können, welche Auswirkungen die Schwingungen dieses Außenhautbauteils auf den Geräuschpegel im Innenraum des Fahrzeuges haben, wird der Schalldruck im Innenraum eines Fahrzeuges gemessen, der sich ergibt, wenn ein einzelnes, bestimmtes Außenhautbauteil in definierter Weise zu Schwingungen angeregt wird. Hierdurch wird die mechanisch-akustische Relevanz des Außenhautbauteils, das heißt, die „Übertragungsfunktion" von einem schwingenden Außenhautbauteil zum Innenraumgeräusch, ermittelt.

Den von einem diskreten Außenhautbauteil während der Fahrt ausgehenden, fahrtwinderregten Schalldruck p_w erhält man in ausreichend genauer Näherung, indem der auf die gezielte Anregung zurückgehende Schalldruck p_a in Relation gesetzt wird zu den dieser Anregung zugrundeliegenden Schwingwegen x ._a und den im Windkanal gemessenen Schwingwegen x ._w

Gemäß Anspruch 2 werden die einzelnen Außenhautbauteile mit einem handelsüblichen Impulshammer im Bereich ihrer Schwingzentren, in denen durch das Verfahren nach Anspruch 1 die maximalen Schwingwege gemessen wurden, angeregt. Die punktförmige Anregung durch den Impulshammer ergibt im Vergleich zur Flächenlast des Fahrtwindes zwar etwas voneinander abweichende Schwingdeformationen, die grundsätzlich jedoch vergleichbar sind und für Grundsatzuntersuchungen ausreichend genaue Ergebnisse liefern.

Anspruch 3 beschreibt den unter Anspruch 1 formulierten Zusammenhang mit Meßgrößen, die in der Akustik bekannt sind. Mit der akustisch-mechanischen Übertragungsfunktion und der Mobilität wird die von dem Impulshammer oder anderen Schwingungserregern erzeugte Kraft F in die Berechnung des fahrtwinderzeugten Schalldrucks p_w mit einbezogen.

Durch die Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 4 wird eine Gewichtung der einzelnen Außenhautbauteile (oder von Teilbereichen davon) hinsichtlich ihrer aeroakustischen Relevanz vorgenommen. Da nicht an allen schwingungsempfindlichen Außenhautbauteilen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand Versteifungs- und/oder Dämpfungsmaßnahmen vorgenommen werden können, werden gemäß Anspruch 4 die dominierenden Geräuschquellen ausgewählt, so daß mit der Modifikation lediglich dieser akustisch relevanten Außenhautbauteile (oder Teilbereichen davon) in gewichts- und kostensparender Weise eine möglichst große Absenkung des Geräuschpegels im Fahrzeuginnenraum erzielt wird.

Der Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges ist abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges und damit der Anströmgeschwindigkeit des Fahrtwindes. Eine besonders effiziente Reduzierung des Geräuschpegels im Innenraum des Fahrzeuges kann gemäß Anspruch 5 dadurch erreicht werden, daß in einem ersten Schritt während der Fahrt des Fahrzeuges der Schalldruck im Innenraum gemessen wird. Diese Messungen werden im allgemeinen bei mehreren Fahrzeuggeschwindigkeiten durchgeführt, um diejenigen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges, bei denen ein hoher Geräuschpegel auftritt, zu ermitteln. Dabei wird für jede Fahrzeuggeschwindigkeit eine Frequenzanalyse durchgeführt, so daß eine Aussage zum Schallpegel in den einzelnen mehr oder weniger breiten Frequenzbändern vorliegt. Auf diese Weise können akustisch besonders kritische Frequenzbänder identifiziert werden.

In einem zweiten Schritt wird nun das Fahrzeug im Windkanal mit der der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Windgeschwindigkeit angeströmt, wobei wiederum der Geräuschpegel im Innenraum des Fahrzeuges über der Frequenz gemessen wird. Diese zweite Messung trennt die aeroakustischen Geräuschquellen von den anderen Geräuschquellen und liefert den reinen „Fahrtwindanteil" am Gesamtgeräusch im Fahrzeuginnenraum in den jeweiligen Frequenzbändern. Durch den Vergleich der Schallpegel aus den beiden Messungen erhält man eine Aussage, in welchen Frequenzbereichen Versteifungs- und/oder Dämpfungsmaßnahmen an den einzelnen, gemäß Anspruch 4 ermittelten, aeroakustisch besonders relevanten Außenhautbauteilen sinnvoll sind.

Das oben beschriebene Verfahren kann grundsätzlich auf alle unter Windlast stehenden Strukturen angewandt werden, die in Verbindung zu einem Innengeräusch stehen. Damit ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur auf Fahrzeuge aller Art (Straßen- und Schienenfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe) beschränkt. In analoger Weise kann das Verfahren (mit Ausnahme von Anspruch 5) beispielsweise auch zur Ermittlung winderregter Schwingungen an Hausfassaden und anderen Ingenieurkonstruktionen eingesetzt werden.

Der aus Gründen der Anschaulichkeit gewählte Begriff „Außenhautbauteil" umfaßt generell alle schwingfähigen Flächen von Fahrzeugen oder anderen windumströmten Gebilden. Die Flächen (bzw. Teilflächen davon) können beispielsweise aus Metallblech, Kunststoff, Glas, etc. bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch auf nichtflächige Strukturen angewandt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
1 ein Diagramm mit der Darstellung des Gesamtgeräuschpegels und des fahrtwindinduzierten Geräuschpegels im Innenraum eines Fahrzeugs,
2 eine graphische Darstellung der Schwinggeschwindigkeiten über der Fläche von Außenhautbauteilen an der rechten Seite eines Fahrzeuges,
3 eine der 1 entsprechende Darstellung der Schwinggeschwindigkeiten am Dach des Fahrzeuges,
4 ein Diagramm, in dem die mechanisch-akustische Übertragungsfunktion mehrerer Außenhautbauteile über der Frequenz dargestellt ist,
5 ein Diagramm, in dem die Mobilität mehrerer Außenhautbauteile über der Frequenz dargestellt ist,
6 eine Tabelle mit Daten aus erfindungsgemäß durchgeführten Untersuchungen,
7 ein Balkendiagramm zur Veranschaulichung des von den einzelnen Außenhautbauteilen im Innenraum erzeugten Schalldrucks und
8 ein Diagramm mit der Darstellung des fahrtwindinduzierten Geräuschpegels ohne bzw. mit strukturellen Modifikationen in Form von Versteifungs- und/oder Dämpfungsmaßnahmen an aeroakustisch relevanten Außenhautbauteilen.
Während bislang davon ausgegangen wurde, daß "Windgeräusche" lediglich im höherfrequenten Bereich einen nennenswerten Beitrag zum Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges liefern, haben Untersuchungen der Anmelderin ergeben, daß bereits im unteren und mittleren Frequenzbereich "Windgeräusche" maßgeblich das Geräusch im Innenraum eines Fahrzeuges bestimmen. Das Diagramm gemäß 1 gibt in diesem Zusammenhang den Verlauf des Geräuschpegels im Innenraum eines Fahrzeuges über der Frequenz bei einer konstanten, hinsichtlich des Geräusches im Innenraum des Fahrzeuges „kritischen" Fahrzeuggeschwindigkeit wieder. Die relativ schmalen Drittel-Oktav-Frequenzbänder erlauben dabei differenzierte Aussagen zu dem für das subjektive Geräuschempfinden von Fahrzeuginsassen wichtigen unteren und mittleren Frequenzbereich.
Die durchgezogene Linie in 1 repräsentiert das Gesamtgeräuschniveau (overall noise level), während die strichpunktierte Linie den reinen "winderregten" Anteil des Geräuschpegels (wind noise level) wiedergibt. Die beiden Geräuschpegel werden jeweils an einem definierten Normmeßpunkt im Innenraum des Fahrzeuges mit einem Mikrophon gemessen und derart weiterverarbeitet, daß sich in den jeweiligen Frequenzbändern ein Summenpegel ergibt. Die Treppenkurve für den Gesamtgeräuschpegel wird bei realer Straßenfahrt ermittelt, während der Windanteil bei stehendem Fahrzeug im Windkanal gemessen wird, wobei die Windgeschwindigkeit im Windkanal der Geschwindigkeit des Fahrzeuges auf der Straße entspricht. Während der Gesamtgeräuschpegel auch Abrollgeräusche und Geräusche aus dem Antriebsstrang enthält, liefert die Windkanalmessung ausschließlich den Schalldruck, der auf die alleinige Anregung durch den Fahrtwind zurückgeht.
Ausgehend von dem Diagramm gemäß 1 werden nur diejenigen Frequenzbereiche einer näheren Untersuchung zugeführt, bei denen das Windgeräusch maßgeblich zum Gesamtgeräuschpegel beiträgt. In der Praxis kommen beispielsweise insbesondere solche Frequenzbänder in Frage, bei denen der Windgeräuschpegel nicht mehr als 3 dB unterhalb des Gesamtgeräuschpegels liegt. Wie aus 1 hervorgeht, ist im vorliegenden Fall der Gesamtgeräuschpegel im Frequenzband um 100 Hz besonders hoch. Hierbei liefert auch der Windgeräuschpegel einen maßgeblichen Anteil. Im Frequenzbereich um 80 Hz sowie in den Frequenzbändern 125 bis 250 Hz liegt der Windgeräuschpegel ebenfalls nahe am Gesamtgeräuschpegel, allerdings bei insgesamt niedrigerem Gesamtgeräuschpegel. Aus diesem Grund wird für das dargestellte Beispiel die Untersuchung auf das kritische Frequenzband um 100 Hz beschränkt.
2 zeigt ein Kraftfahrzeug in der Seitenansicht, während in 3 ein Ausschnitt des Daches des Kraftfahrzeuges dargestellt ist. Das Fahrzeug befindet sich in einem Windkanal und wird mit einer Windgeschwindigkeit, die der Fahrzeuggeschwindigkeit, bei der das Diagramm nach 1 ermittelt wurde, entspricht, stationär angeströmt. Die einzelnen Karosserieflächen des Kraftfahrzeuges werden mit einem mobilen Schwingamplituden-Meßgerät, z. B. einem Laservibrometer, über einen Laserstrahl der Reihe nach mittels eines engmaschigen Rasters abgetastet, wodurch die an den Außenhautbauteilen des Kraftfahrzeuges auftretenden Schwingamplituden erfaßt werden. Das Laservibrometer mißt hierbei Schwinggeschwindigkeiten, während mit holografischen Messungen Schwingwege erfaßt werden.
In 2 und 3 sind die Bereiche unterschiedlicher Schwinggeschwindigkeiten durch entsprechende Helligkeitsstufen dargestellt, wobei die einzelnen Bereiche durch Schichtlinien voneinander getrennt sind. Im vorliegenden Beispiel wurden am gesamten Fahrzeug zehn Bereiche Pk (mit k = 1 bis 10) mit ausgeprägten Schwingzentren maximaler Schwinggeschwindigkeiten ermittelt, von denen in 2 und 3 die Bereiche P1, P2, P3, P6 und P7 dargestellt sind.
Stellvertretend für eine Vielzahl weiterer, von der Anmelderin durchgeführter Versuche zeigen die 2 und 3, daß an den einzelnen Außenhautbauteilen einer Fahrzeugkarosserie (Seitenteile, Türen, Dach, Klappen, etc.) in der Regel kein diffuses Schwingungsbild vorliegt, sondern sich meist ausgeprägte Schwingungszentren Pk ausbilden.
Im nächsten Schritt werden die einzelnen Außenhautbauteile des Kraftfahrzeuges in ihren Bereichen Pk der Reihe nach zum Schwingen angeregt. Hierzu wird beispielsweise mit einem handelsüblichen Impulshammer ein mechanischer Impuls in das Schwingungszentrum des jeweiligen Bereiches Pk, in dem unter der Wirkung des Fahrtwindes maximale Schwingwege auftraten, eingebracht. Mit einem Mikrophon, das an dem bereits oben erwähnten Normmeßpunkt angeordnet ist, wird derjenige Geräuschpegel p_a,k(t) im Innenraum des Fahrzeuges gemessen, der auf die Anregung des jeweiligen Bereiches Pk zurückgeht.
Der Impulshammer liefert mit dem Verlauf der Impulskraft F_k(t) und dem Beschleunigungsverlauf x .._a,k(t) am angestoßenen Außenhautbauteil Pk zwei Meßgrößen, mit denen zusammen mit dem Verlauf des Schalldrucks p_a,k(t) im Inneren des Kraftfahrzeuges nunmehr die mechanisch-akustische Übertragungsfunktion sowie die Mobilität bestimmt werden kann. Hierzu werden die Meßsignale, die zunächst als Signale im Zeitbereich vorliegen, in den Frequenzbereich (Kreisfrequenz ω) transformiert. Zusätzlich wird das Beschleunigungsspektrum x .._a,k(ω) des Impulshammers durch Integration in ein Geschwindigkeitspektrum x ._a,k(ω) umgewandelt. Der Anteil am Schalldruck p_w,k(ω), den der k-te Bereich der Außenhaut des Fahrzeuges bei Umströmung durch den Fahrtwind erzeugt, errechnet sich aus dem Quotienten aus der mechanisch-akustischen Übertragungsfunktion (p_a/F)_k(ω) und der Mobilität (x ._a/F)_k(ω), der mit der im Windkanal mittels Laserstrahl gemessenen Schwinggeschwindigkeitsfunktion x ._w,k(ω) multipliziert wird:
Die Diagramme gemäß den 4 und 5 zeigen den Verlauf der mechanisch-akustischen Übertragungsfunktion bzw. der Mobilität über der Frequenz. Wie bereits oben ausgeführt, konzentriert sich die nachfolgende Betrachtung auf den im vorliegenden Ausführungsbeispiel kritischen Frequenzbereich von 100 Hz, die beispielsweise für den Bereich P1 folgenden Wert für den Schalldruck p_w,1 (100 Hz) liefert:
Hieraus ergeben sich für die zehn ausgewählten Bereiche P1 bis P10 Werte von p_w,1 bis p_w,10, die in der Tabelle gemäß 6 zusammen mit weiteren Daten aufgelistet sind. Das Balkendiagramm gemäß 7 veranschaulicht die Werte für die einzelnen Bereiche P1 bis P10, wobei der Maximalwert dieser Meßreihe, der im Bereich P3 aufgetreten war, auf den Wert 100 normiert wird, so daß sich für die übrigen Bereiche Pk entsprechend normalisierte Werte p*_w,1 bis p*_w,10 ergeben. Wie die Darstellung gemäß 7 zeigt, sind insbesondere die Bereiche P1, P3 und P10 in akustischer Hinsicht besonders relevant. Aus diesem Grund konzentrieren sich strukturelle Modifikationen, z. B. in Form von Versteifungs- und/oder Dämpfungsmaßnahmen, insbesondere auf die genannten Bereiche.
Die oben angeführten Berechnungen berücksichtigen nur die Amplitudeninformation der einzelnen Meßgrößen. Die Phaseninformation bleibt wegen möglicher weise auftretenden akustischen Auslöschungseffekten zwischen verschiedenen Schwingungszentren bewußt unberücksichtigt.
Das Diagramm gemäß 8 bestätigt die Wirksamkeit der durchgeführten Untersuchungen und der hierauf aufbauenden Versteifungs- und/oder Dämpfungsmaßnahmen, die gezielt in den Bereichen P1, P3 und P10 vorgenommen wurden. Die strichpunktierte Linie entspricht der strichpunktierten Linie aus 1 und gibt den "winderzeugten" Geräuschpegel am ursprünglichen Fahrzeug (basic vehicle structure) wieder. Die durchgezogene Linie wurde in einem Fahrzeug gemessen, bei dem in den Bereichen P1, P3 und P10 Dämpfungseinlagen eingebracht und/oder Versteifungsmaßnahmen vorgenommen wurden (modified structure). Die erfindungsgemäß erreichte Absenkung des Schallpegels insbesondere im Frequenzbereich um 100 Hz geht aus der Darstellung besonders offensichtlich hervor.
Im oben beschriebenen Anwendungsfall konnte beispielsweise im Bereich P3 durch eine gezielte Bedämpfung des Türblattes lokal im Bereich der größten Amplituden der Amplitudenpegel auf ein Drittel reduziert werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Schwingungsquellen, die den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges beeinflussen, wobei das Fahrzeug in einem Windkanal angeströmt wird und die an Außenhautbauteilen des Fahrzeugs unter der Wirkung des Fahrtwindes auftretenden Schwingamplituden gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenhautbauteil des Fahrzeugs, an dem unter der Wirkung des Fahrtwindes Schwingungen auftreten, durch einen mechanischen Schwingungserreger gezielt angeregt und der im Innenraum des Fahrzeugs hieraus entstehende Schallpegel gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanregung mit einem Impulshammer erfolgt, mit dem das Außenhautbauteil in einem Bereich angestoßen wird, in dem unter der Wirkung des Fahrtwindes maximale Schwingamplituden auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Schwingungsanregung mit dem mechanischen Schwingungserreger, der durch die Krafteinwirkung F(ω) am Außenhautbauteil eine Schwinggeschwindigkeit x ._a(ω) erzeugt, einerseits die mechanisch-akustische Übertragungsfunktion (p_a/F)_k (ω) des Außenhautbauteils in bezug auf den Schallpegel p_a(ω) im Innenraum sowie die Mobilität (x ._a/F)_k(ω) des Außenhautbauteils ermittelt und durch Multiplikation mit den unter der Wirkung des Fahrtwindes auftretenden Schwinggeschwindigkeiten x ._w(ω) der unter der Wirkung des Fahrtwindes entstehende Schalldruck p_w(ω) im Innenraum des Fahrzeuges näherungsweise errechnet wird zu
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Schalldruckes p_w,k(ω) nacheinander an einer Mehrzahl (k) von Außenhautbauteilen des Fahrzeugs erfolgt, mit dem Ziel, diejenigen Außenhautbauteile, die maßgeblich Schalldruck im Innenraum des Fahrzeuges erzeugen, zu bestimmen.
Verfahren zur Ermittlung von Schwingungsquellen, die den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeuges beeinflussen, wobei das Fahrzeug in einem Windkanal angeströmt wird und die an Außenhautbauteilen des Fahrzeugs unter der Wirkung des Fahrtwindes auftretenden Schwingamplituden gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung derjenigen Frequenzbereiche, bei denen der Geräuschpegel im Innenraum des Fahrzeuges maßgeblich von Außenhautbauteilen, die unter der Wirkung des Fahrtwindes zu Schwingungen angeregt werden, beeinflußt wird, zunächst der Geräuschpegel im Innenraum des Fahrzeuges bei realer Fahrt mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit und anschließend der Geräuschpegel im Innenraum des Fahrzeuges in einem Windkanal bei stillstehendem Fahrzeug bei einer der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Windgeschwindigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Außenhautbauteils mit einem Laserstrahl abgetastet oder mittels holographischer Untersuchungen erfaßt werden.