DE19746523A1

DE19746523A1 - Verfahren zur Klangerzeugung in Kraftfahrzeugen und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19746523A1
Application number: DE19746523A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Prof Dreyer; Peter Dr Wagner; Rainer Schmidetzki
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1996-11-02
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: DE19746523B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klangerzeugung in Kraftfahrzeugen und eine Schal tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In üblichen Kraftfahrzeugen besteht heutzutage die Tendenz, die vom Motor erzeugten Geräusche soweit als möglich zu dämmen. Als Ergebnis hiervon sind Geräusche des Motors im Innenraum insbesondere bei niedrigen Lastzuständen des Motors nicht mehr vernehm bar. Das bei hohen Motordrehzahlen vernehmbare Motorgeräusche in der Regel ein undiffe renziertes, uninteressantes Geräuschbild zeigen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Fahrer eines Automobils für sein persönliches Wohlbefinden eine akustische Wahrnehmung oder Rückkopplung des Motors benötigt. Diese fehlt bei derart gut gedämmten Kraftfahrzeu gen zumindest im Bereich niedriger Lastzustände des Motors oder in solchen Bereichen, bei denen Außengeräusche die vom Motor erzeugten Geräusche übertreffen.

Aus der DE 34 20 463 ist eine Klangerzeugungsvorrichtung bekannt, bei der mittels eines Drehzahlsensors ein Drehzahlsignal erfaßt wird. Das Drehzahlsignal wird einer Frequenz umsetzerschaltung zugeführt, die ausgangsseitig mehrere drehzahlproportionale Fre quenzsignale erzeugt von denen eines durch den Fahrer auswählbar und über einen Wahl schalter zu einem Verstärker und einem Lautsprecher im Innenraum des Kraftfahrzeuges zuführbar ist. Diese künstlich erzeugten drehzahlproportionalen Frequenzsignale sollen Geräusche simulieren, die dem Fahrer des Kraftfahrzeuges akustisch das Gefühl vermitteln, einen Sportwagen mit den für einen Sportwagen typischen Klangverhalten zu fahren, obwohl der Fahrer tatsächlich ein Durchschnittskraftfahrzeug bewegt.

Aus der WO 91/18385 ist eine Geräuscherzeugungsvorrichtung bekannt, bei der wenigstens ein Lastsensor vorgesehen ist und der Geräuschgenerator durch eine z. B. als Computer ausgebildete Steuerungsvorrichtung und einen Synthesizer gebildet ist, wobei die Steue rungsvorrichtung derart ausgebildet ist, daß diese den Synthesizer in Abhängigkeit von Betriebsbereichen, die durch das Lastsignal sowie gegebenenfalls weitere Signale, wie z. B. ein Drehzahlsignal, definiert sind, zum Erzeugen von Geräuschen veranlaßt, die von Betriebsbereich zu Betriebsbereich bzw. von Betriebspunkt zu Betriebspunkt variieren. Bei diesen Betriebsbereichen kann es sich um Bereiche von zwei- oder mehrdimensionalen Kennlinienfeldern handeln, die zumindest eine Achse in Richtung der Last und gegebenen falls eine Achse in Richtung der Drehzahl aufweisen. Da die jeweils erzeugten Klänge oder Geräusche oder Rhythmen abhängig sind von Drehzahl und Last des Motors sowie gegebe nenfalls von weiteren Fahrzustands- oder Motorparametern, ist der Fahrer des Fahrzeugs ständig akustisch mit dem Fahrzustand in einer Rückkopplungsbeziehung, wodurch ihm eine optimale Handhabung des Fahrzeuges ermöglicht wird.

Aus der WO 90/13109 ist eine Geräuscherzeugungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, mit einer Signalquelle zur Erzeugung gewünschter Geräusche in Abhängigkeit der Fahrzu standsparameter und Mittel zur Erfassung der Fahrzustandsparameter, wobei die erzeugten Signale an einen oder mehrere Lautsprecher oder andere Wandler oder Aktuatoren überge ben werden, so daß für den Fahrer die gewünschte Geräuschkulisse erzeugt wird. Als Signalquelle können auch aufgezeichnete Signale verwendet werden.

Aus der WO 92/08225 ist eine Vorrichtung zur akustischen Kontrolle an Fahrzeugen bekannt, umfassend eine erste Signalquelle, die gewünschte Fahrzeuggeräusche oder - Vibrationen erzeugt, und Kontrollmittel reagierend auf die Fahrzeugparameter, die die Signale der ersten Signalquelle steuern, so daß gewünschte Ausgangssignale an Wandler abgegeben werden, die dann die gewünschten Fahrzeuggeräusche oder -Vibrationen abge ben. Die Vorrichtung kann in eine destruktive Geräuschinterferenzvorrichtung integriert werden, die die nicht erwünschten Fahrzeuggeräusche kompensiert bzw. auslöscht. Die Fahrzeugparameter können entweder über die Drosselklappenstellung oder Gangwechsel sensorisch erfaßt werden. Alternativ kann über ein Mikrofon oder einen Vibration-Sensor die Motordrehzahl erfaßt werden. Das dem Motorsignal entsprechende Signal vom Mikrofon wird an eine Signalbehandlungseinheit übergeben. Die Signalbehandlungseinheit kann z. B. ein von einem Mikroprozessor gesteuerter Synthesizer sein. Das Signal vom Mikrofon wird zum Triggern eines gewünschten Signals des Synthesizers verwendet, das auf einen Vor verstärker geschaltet wird und anschließend auf im Kraftfahrzeug angeordnete Lautsprecher geschaltet wird. Die Signalbehandlungseinheit erhält zusätzlich ein Signal von einem weiteren Wandler, der z. B. als Mikrofon ausgebildet ist, als Rückkopplungssignal. Dieses Mikrofon kann z. B. in der Fahrgastzelle angeordnet sein. Die beiden Ausgangssignale der Wandler sowie ein Signal des Vorverstärkers werden auf die destruktive Geräuschinterfe renzvorrichtung aufgeschaltet.

Aus der GB 2 254 979 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens bekannt, bei dem aktiv ein gewünschtes Fahrzeuggeräusch in die Fahrzeugkabine eingestrahlt wird. Dazu mißt eine Sensorik die Differenz-Vibration zwischen einer wieder kehrenden Vibrationsquelle wie z. B. die Motorgeräusche und einem angesteuerten Aktua tor. Dabei wird die Amplitude der Grundschwingung oder der ersten Oberschwingung der wiederkehrenden Vibrationsquelle erfaßt und die erfaßte Differenzvibration in eine Vielzahl unabhängiger Komponentenpaare umgeformt. Die Vielzahl unabhängiger Komponenten paare bilden die Differenzvibration und sind jeweils synchronisiert zur wiederkehrenden Periode der wiederkehrenden Vibrationsquelle. Die einzelnen Komponentenpaare werden verändert und steuern anschließend wieder den Aktuator an. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Differenzvibration einem vorbestimmten Wert entspricht. Vorzugsweise wird neben der Amplitude auch die Phase der Grundschwingung oder der ersten Oberschwin gung der wiederkehrenden Vibrationsquelle erfaßt. Das Verfahren beruht darauf, iterativ ausgehend von einer gezielten Startschätzung die Verbesserungen oder Verschlechterun gen zu erfassen und beim nächsten Iterationsschritt entsprechend Phase und Amplitude der Komponentenpaare gegenzusteuern. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist die ver hältnismäßig lange Einschwingungszeit des Systems, so daß das Verfahren z. B. für sich schnell ändernde Fahrzeugzustände nicht geeignet ist.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Klangerzeugung in Kraftfahrzeugen und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, das auf sich schnell ändernde Fahrzustände reagiert.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7. Durch die Ermittlung der Übertragungsfunktionen der Lautsprecher muß nicht gezielt geschätzt werden, sondern anhand der Übertragungsfunktionen kann direkt ein Startwert angenommen werden, der sehr nahe am angestrebten Zielwert liegt so daß das Verfahren sehr schnell auf Änderungen der Klangcharakteristik reagieren kann. Weiter besteht die Möglichkeit mit Nachhalleffekten bestimmte Raumcharakteristika herauszubilden und zu betonen. So können sehr leicht Effekte erzielt werden, als befinde man sich in einem großen Raum oder der Motor sei räumlich an anderer Stelle als dieser sich tatsächlich befindet. Weiter können bis zu 70 Ordnungen bis zu einer Grenzfrequenz von ca. 10 kHz gleichzeitig eingespielt werden. Der Klangeindruck, der durch die künstlich eingespielte Motorenordnung entsteht, kann so verändert werden, daß je nach Passagier oder je nach dessen per sönlichem Befinden, entweder ein sportlicher Sound oder ein komfortabler bzw. ruhiger Klang designed wird oder jedwede Nuancierung erreicht werden kann. So kann akustisch mittels künstlicher Motorordnungen aus einem mittelmäßigen Vierzylinder-Motor ein geho bener Fünfzylinder-Motor werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dadurch, daß der Lastzustand des Kraftfahrzeuges erfaßt wird und die gewünschten Ober wellen in Abhängigkeit vom Lastzustand ausgewählt werden, kann ein natürliches Klangver halten des Motors beibehalten werden, was zu einer besseren Akzeptanz der Passagiere führt. Die Korrelation von laut, dynamisch oder kraftvoll ist beim Beschleunigen ebenso ein zuhalten wie die von leise, komfortabel oder hochwertig beim Schubbetrieb oder bei Kon stantfahrten. In Abhängigkeit des Lastzustandes ist es somit möglich, einerseits das Gesamtspektrum der über die Lautsprecher abgestrahlten, künstlich erzeugten Motorord nung anzuheben oder abzusenken. Andererseits können damit auch einzelne Ordnungsver läufe über der Drehzahl angepaßt werden. Durch die Erfassung des abgestrahlten Klang spektrums und dessen Rückkopplung kann der Erfolg des eingestrahlten Klangspektrums einfach kontrolliert werden. Dazu werden z. B. Mikrofone im Dachhimmel über den Passa gieren angeordnet. Diese Mikrofone können auch zur Bestimmung der Übertragungsfunktion der Lautsprecher verwendet werden. Dazu kann z. B. über alle Lautsprecher gleichzeitig ein unkorreliertes weißes Rauschen abgestrahlt werden, dessen Verlauf von den Mikrofonen aufgenommen wird und einem Mikroprozessor zugeführt wird, der daraus die Übertragungs funktionen der Lautsprecher ermittelt. Alternativ kann nacheinander jeder Lautsprecher mit einem Sinussweep angesteuert werden, dessen Verlauf durch die Mikrofone erfaßt werden, die erfaßten Werte digital gewandelt werden und dem Mikroprozessor zur Errechnung der einzelnen Übertragungsfunktionen der Lautsprecher zugeführt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen am Motor angeordneten Drehzahlsensor, mindestens ein in der Fahrgastzelle angeordnetes Mikrofon, einen A/D-Wandler, einen Mikroprozessor mit wahlweise angeschlossener Speichereinheit, einen D/A-Wandler und in der Fahrgastzelle angeordnete Lautsprecher, wobei die Signalausgänge des Drehzahlsensors und der Mikrofone auf Eingänge des A/D-Wandlers geschaltet sind, Aus gänge des A/D-Wandlers mit Eingängen des Mikroprozessors verbunden sind, dessen Aus gänge mit den Eingängen des D/A-Wandlers verbunden sind, dessen Ausgänge mit den Lautsprechern verbunden sind. Der Drehzahlsensor kann als Induktionsaufnehmer ausge bildet sein, der die Spannungsimpulse an der Schwungscheibe des Motors abgreift. Ebenso ist es möglich, die Zündungssignale selber zum Erhalt der Drehzahl zu verwenden oder die Signale der Einspritzanlage auszuwerten. In einer zweiten Ausführungsform ist dem Motor ein Lastzustandssensor zugeordnet, dessen Signalausgang auf einen Eingang des A/D- Wandlers geschaltet ist. Dabei mißt der Sensor anhand der Drosselklappenstellung den Lastzustand. Bei einem Einspritzmotor kann der Sensor auch anhand des Luftmengenmes sers den Lastzustand ermitteln.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

An einem Motor 1 sind ein Drehzahlsensor 2 und ein Lastzustandssensor 3 angeordnet, deren Signalausgänge mit Eingängen eines A/D-Wandlers 4 verbunden sind. In der Fahr gastzelle sind Mikrofone 5 angeordnet, deren Signalausgänge ebenfalls auf Eingänge des A/D-Wandlers 4 geschaltet sind. Die Ausgänge des ND-Wandlers 4 sind über einen Daten bus 6 mit Eingängen eines Mikroprozessors 7 verbunden, wobei der Mikroprozessor 7 einen nicht dargestellten Speicher verwaltet. Die Ausgänge des Mikroprozessors 7 sind über einen Datenbus 8 mit Eingängen eines D/A-Wandlers 9 verbunden, dessen Ausgänge mit in der Fahrgastzelle angeordneten Lautsprechern 10 verbunden sind.

Aufgrund der Massen- und Gaskräfte strahlt jeder Motor 1 neben seiner Grundfrequenz in Abhängigkeit der momentanen Drehzahl verschiedene höhere Ordnungen ab. Diese Ord nungen findet man sowohl karosserieseitig als Vibrationen als auch im Innengeräusch als Schallsignale. Diese Schallsignale bestehen aus einzelnen Sinusfrequenzen, wobei jede dieser Frequenzen einer Motorordnung entspricht. Das gesamte Spektrum formt den Klangeindruck des Fahrzeuges. Dabei sind bei verschiedenen Motoren 1, im allgemeinen abhängig von der Zylinderanzahl, verschiedene Ordnungen dominant. So ist z. B. beim Vierzylinder-Motor im allgemeinen die zweite Motorordnung dominant. Das Zusammenspiel aller Motorordnungen formuliert den Gesamteindruck eines Fahrzeuges. Um den Klangein druck zu verändern, muß das Zusammenspiel, die Modulationsfähigkeit der Signale, verän dert werden. Eine Möglichkeit ist das Verändern der Amplituden der Motorordnung und/oder die Phasenlage zueinander. Diese Veränderungen werden durch gezieltes Abstrahlen zusätzlicher Ordnungen oder Anteile davon mittels der im Fahrzeug vorhandenen Lautspre cher 10 erzielt. Der Drehzahlsensor 2 dient dabei zur Bestimmung der Grundfrequenz des Motors 1. Das Drehzahlsignal wird dem A/D-Wandler 4 zugeführt, der das Drehzahlsignal digital wandelt und zum Mikroprozessor 5 weiterleitet, der daraus die Berechnung der Grundfrequenz durchführt. Das Lastzustandssignal wird ebenfalls über den ND-Wandler 4 dem Mikroprozessor 5 zugeleitet, der die Anpassung der abzustrahlenden Ordnungen in Abhängigkeit von Drehzahl, Lastzustand und Übertragungsfunktionen der Lautsprecher 10 berechnet. Die Übertragungsfunktionen der Lautsprecher 10 können mittels der Mikrofone 5 bestimmt werden, die vorzugsweise im Dachhimmel der Fahrgastzelle angeordnet sind. Das Messen der Übertragungsfunktionen kann auf zwei Arten geschehen. Bei der einen Methode wird vom Mikroprozessor 7 nacheinander über jeden Kanal eines Sinussweep über den betreffenden Frequenzbereich zum D/A-Wandler 9 und dann zu einem nicht dargestellten Verstärker geleitet. Dieser Sinussweep wird über die Lautsprecher 10 abgestrahlt. Die Mikro fone 5 nehmen die Signale auf und leiten diese an den ND-Wandler 4 weiter. Die gewandelten digitalen Werte werden den Mikroprozessor 7 zugeleitet, der daraus die jeweils zu diesem Lautsprecher 10 gehörige Übertragungsfunktion ermittelt. Alternativ kann gleichzeitig zueinander unkorreliertes weißes Rauschen über alle Lautsprecher 10 abgestrahlt werden, dessen Verlauf ebenfalls über die Mikrofone 5 aufgenommen, A/D gewandelt und den Mikroprozessor 7 zugeleitet werden, der daraus alle Übertragungsfunk tionen der Lautsprecher 10 gleichzeitig berechnet.

Anhand der bekannten Übertragungsfunktionen können phasengerecht Ordnungsverläufe in Abhängigkeit vom Lastzustand so vom Mikroprozessor 7 berechnet und über die Verstärker und Lautsprecher 10 abgestrahlt werden, daß es zu den gewünschten destruktiven oder konstruktiven Interferenzen im Fahrzeug inneren kommt. Konstruktive Interferenz bedeutet, das Anheben einzelner Ordnungen, die bereits im Fahrzeuginneren vom Motor 1 eingeleitet waren, destruktive Interferenz bedeutet dagegen die gezielte Auslöschung von Motorord nungen. Aus einem Vierzylinder-Motor 1, der üblicherweise eine dominante zweite Motorordnung besitzt jedoch keine ausgeprägte 2,5-te Motorordnung wie ein Fünfzylinder- Motor 1, kann nun die zweite Motorordnung auf ein Niveau gesenkt werden, wie es in einem Fünfzylinder-Motor 1 vorhanden ist, die 2,5-te Motorordnung kann gleichzeitig auf das Niveau des Füntzylinder-Motors 1 angehoben werden, so daß letztlich der Klangeindruck des Fünfzylinder Fahrzeuges entsteht.

Zusätzlich können die Mikrofone 5 zur Kontrolle des im Fahrzeuginneren wahrnehmbaren Klangspektrums verwendet werden. Dazu nehmen die Mikrofone 5 kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen das wahrnehmbare Klangspektrum auf und leiten dies über den A/D-Wandler 4 dem Mikroprozessor 7 zu, so daß dieser gegebenenfalls die abzustrahlenden Ordnungen nachregelt.

Bezugszeichenliste

1

Motor

2

Drehzahlsensor

3

Lastzustandssensor

4

A/D-Wandler

5

Mikrofon

6

Datenbus

7

Mikroprozessor

8

Datenbus

9

D/A-Wandler

10

Lautsprecher

Claims

1. Verfahren zur Klangerzeugung in Kraftfahrzeugen, umfassend folgende Verfahrens schritte:

a) Erfassen einer Drehzahl eines Motors (1) eines Kraftfahrzeuges,
b) erfassen von Übertragungsfunktionen von in einer Fahrgastzelle des Kraftfahr zeuges angeordneten Lautsprechern (10),
c) Berechnung der Grundfrequenz des vom Motor (1) abgestrahlten Geräusches aus dem der Drehzahl entsprechenden Signal und
d) Ansteuerung der Lautsprecher (10) derart, daß gewünschte Oberwellen ver schiedener Ordnung zur Grundfrequenz in Abhängigkeit zu den Übertragungs funktionen abgestrahlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastzustand des Kraft fahrzeuges erfaßt wird und die gewünschten Oberwellen in Abhängigkeit vom Lastzu stand ausgewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das über die Laut sprecher (10) abgestrahlte Klangspektrum erfaßt und zur Erzeugung eines neuen Ansteuerungssignals für die Lautsprecher (10) zurückgekoppelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Klang spektrums mindestens ein Mikrofon (5) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Mikrofone (5) zusätzlich die Übertragungsfunktionen der Lautsprecher (10) erfaßt werden, indem über die Lautsprecher (10) gleichzeitig unkorreliertes weißes Rauschen abgestrahlt wird, dieses Rauschen von den Mikrofonen (5) aufgenommen wird, die erfaßten Signale in digitale Signale gewandelt werden und ein Mikroprozessor (7) aus den digitalen Signalen die Übertragungsfunktionen aller Lautsprecher (10) ermittelt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Mikrofone (5) zusätzlich die Übertragungsfunktionen der Lautsprecher (10) erfaßt werden, indem den einzelnen Lautsprechern (10) nacheinander jeweils ein Sinussweep zugeführt wird, die Mikrofone (5) jeweils das Klangspektrum erfassen, die erfaßten Signale digital gewandelt werden und ein Mikroprozessor (7) aus den digitalen Signalen die Übertra gungsfunktionen aller Lautsprecher (10) ermittelt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend einen an einem Motor (1) angeordneten Drehzahlsensor (2), mindestens ein in der Fahrgastzelle angeordneten Mikrofon (5), einen A/D-Wandler (4), einen Mikroprozessor (7) mit wahlweise angeschlossener Speichereinheit, einen D/A-Wandler (9) und in der Fahrgastzelle angeordnete Lautsprecher (10), wobei die Signalausgänge des Drehzahlsensors (2) und der Mikrofone (5) auf Eingänge des A/D- Wandlers (4) geschaltet sind, Ausgänge des A/D-Wandlers (4) mit Eingängen des Mikroprozessors (7) verbunden sind, dessen Ausgänge mit den Eingängen des D/A- Wandlers (9) verbunden sind, dessen Ausgänge mit den Lautsprechern (10) verbun den sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlsensor (2) als Induktionsaufnehmer ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlsensor (2) zur Erfassung der Zündsignale oder gegebenenfalls der Signale der Einspritzanlage ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (1) ein Lastzustandssensor (3) zugeordnet ist, dessen Signalausgang auf einen Eingang des ND-Wandlers (4) geschaltet ist.