DE3816921A1 - Anordnung zur verminderung des geraeuschpegels im innenraum eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Anordnung zur verminderung des geraeuschpegels im innenraum eines kraftfahrzeugs

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahr­ zeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-Al 31 06 029) werden mit Hilfe eines nahe dem Kopfbereich des Fahrers angeordneten Mikrofons als Geräuschsensor und eines Lautsprechers unter Verwendung eines Sinus-Generators sinusförmige Schaltsignale mit einer Frequenz erzeugt, die eine störende Frequenz im Geräuschpegel gerade aufheben soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Geräusch­ pegel im Innenraum eines Fahrzeugs in einem oder mehreren Frequenzbereich(en), dessen bzw. deren Frequenzen in Zusammenhang mit den Hohlraumeigen­ frequenzen des Innenraums stehen, durch aktive Dämpfung der Hohlraumeigenschwingungsfrequenzen an allen Orten des Fahrzeuginnenraums zu senken.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Ausbildung des Geräuschsensors als Helmholtz- Resonator mit einem darin untergebrachten Mikrofon gewährleistet eine stabile Regelung und geeignete Filterung des aufgenommenen Geräuschsignals ohne empfindliche Reaktion auf Veränderungen des akustischen Übertragungsverhaltens des Fahrzeuginnenraumes, die sich zum Beispiel in Folge Öffnens der Türen, der Fenster oder des Schiebedachs ergeben. Der Helmholtz-Resonator wirkt somit als akustisches Filter mit dem Vorteil gegenüber herkömmlichen elektronischen Filtern, daß er aufgrund der hier nur sehr geringen erforderlichen Filterdämpfungen ein sehr zeitstabiles Übertragungsverhalten aufweist.
Der Helmholtz-Resonator ist vorzugsweise auf die zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz abgestimmt. Die Dämpfung kann durch ein Dämpfungsmaterial, wie Watte, Wolle oder dergleichen erfolgen, die im Resonatorhals oder Resonatorvolumen des Helmholtz-- Resonators untergebracht ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Geräuschsensors besteht darin, daß er sehr nahe neben dem oder den Lautsprechern installiert werden kann, die als Stellglieder im Regelkreis wirken. Damit lassen sich auch bei hohen Regelkreisver­ stärkungen Instabilitäten in Folge von Rückkopplungs­ effekten vermeiden.
Zur Geräuschminderung in einem breiten Frequenzband ist bevorzugt, wenn mehrere Geräuschsensoren mit in Helmholtz-Resonatoren untergebrachten Mikrofonen vorgesehen werden, wobei die einzelnen Helmholtz- Resonatoren jeweils auf unterschiedliche Hohlraum­ eigenfrequenzen des Kraftfahrzeuges abgestimmt sind.
Die Regeleinrichtung läßt sich bei der Anordnung nach der Erfindung sehr einfach gestalten. Vorzugsweise liegen bei der zuletzt beschriebenen Anordnung mit mehreren Geräuschsensoren die Ausgangssignale der Geräuschsensoren in Parallelschaltung, wobei das Ausgangssignal jedes Geräuschsensors individuell verstärkt bzw. abgeschwächt wird und eine Phasen­ drehung erfährt. Darauf werden die Ausgangssignale der Geräuschsensoren in mindestens einem Summier­ verstärker addiert und auf die als Stellglieder wirkenden Lautsprecher geschaltet.
Die Anordnung mit mehreren Geräuschsensoren eröffnet die Möglichkeit ihrer Unterbringung an mehreren Orten des Fahrzeuginnenraumes, an denen hohe Schall­ drücke der betreffenden Hohlraumeigenfrequenzen herrschen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine herkömmliche Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 die gemessene Schalldruckverteilung für die frequenzniedrigste Hohlraumresonanz­ schwingung im Innenraum eines Fahrzeuges;
Fig. 3 die Nyquist-Stabilitätsortskurve einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Regelein­ richtung, welche eine aktive Dämpfung einer oder mehrerer Hohlraumresonanz­ schwingungen eines Kraftfahrzeuges bewirkt;
Fig. 4 ein Teilschema einer einfachen Anordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine Gegenüberstellung von Diagrammen, wobei das Diagramm nach Fig. 5a den mittels eines Mikrofones erfaßten Schalldruck über der Frequenz und Fig. 5b den mittels eines Geräuschsensors nach der Erfindung erfaßten Schalldruck über der Frequenz darstellen;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, aus der die Orte der Unter­ bringung von Geräuschsensor und Lautsprechern bei einer Anordnung nach der Erfindung ersichtlich sind;
Fig. 7 ein Vergleichsdiagramm, welches den Verlauf des Schalldruckes über der Frequenz in einem Kraftfahrzeug ohne die Anordnung nach der Erfindung und mit einer Anordnung gemäß Fig. 4 bzw. Fig. 6 darstellt; und
Fig. 8, 9 Blockschaltbilder zweier Anordnungen gemäß der Erfindung mit jeweils vier Geräuschsensoren und mehreren Lautsprechern.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist im Innenraum 2 eines PKW 1 im Kopfbereich des Fahrers ein Mikrofon 3 angeordnet, dessen Ausgangssignal einem Regler 4 zugeführt wird. Der Regler 4 erzeugt ein Stellsignal, das zu einem ebenfalls im Innenraum angeordneten Lautsprecher 5, beispielsweise dem Lautsprecher eines Radiogerätes, zugeführt wird.
Das bei der konventionellen Anordnung sinusförmige Signal schwingt mit einer Phase, welche gegenüber der Phase des mittels des Mikrofons 3 erfaßten Istsignals gerade so verschoben ist, daß das vom Lautsprecher 5 abgestrahlte Schallsignal eine bestimmte Frequenz des im Kopfbereich des Fahrers erfaßten Geräuschsignals gerade aufhebt.
Fig. 2 zeigt die gemessene Schalldruckverteilung der Hohlraumresonanzschwingung mit der tiefsten Frequenz eines bestimmten Kraftfahrzeuges. Die Eigenfrequenz dieser Schwingung liegt bei Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse in der Größenordnung von 75 Hz. Die nächsthöhere Hohlraumeigenfrequenz liegt im Bereich von ca. 150 Hz. Die Zahlenwerte für den Schalldruck in Dezibel (db) zeigen, daß die Maxima der Schalldruckverteilung im Bereich des vorderen Fußraumes (117,5 db) und im Bereich des hinteren Fahrgastraumes (113 db) liegen.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm mit realer Abszisse und imaginärer Ordinate die Nyquist-Stabilitäts­ ortskurve eines offenen Regelkreises mit einem Verlauf, bei dessen Verwirklichung eine aktive Dämpfung zu einer Geräuschpegelverringerung an allen Orten des Fahrzeuginnenraumes führt. Mit E ist die zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz bezeichnet.
Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer einfachen Anordnung gemäß der Erfindung. Dabei umfaßt ein Geräuschsensor einen Helmholtz-Resonator, der als rechteckiger Hohlkörper 10 mit einer Öffnung 11 in einer Seitenfläche ausgebildet ist, und ein Mikrofon 12, das innerhalb des Hohlkörpers 10 aufge­ nommen ist und dessen Ausgangssignal zu einer Regelein­ richtung 13 geführt wird. Die Regeleinrichtung 13 erzeugt ein Stellsignal, welches zu einem am oder nahe dem Ort eines Schalldruckmaximums (gemäß Fig. 2) angeordneten Lautsprecher 14 weitergeleitet wird. Der Helmholtz-Resonator 10 ist auf eine be­ stimmte zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz des jeweiligen Kraftfahrzeugs abgestimmt, dessen Geräusch­ pegel im Innenraum abgesenkt werden soll. Zum Erzeugen einer geeigneten Charakteristik kann der Helmholtz- Resonator 10 durch Einbetten eines porösen Dämpfungs­ materials, wie Watte, Wolle oder dergleichen, individuell präpariert werden.
Der Lautsprecher 14 ist an Orten im Innenraum ange­ ordnet, an denen maximale Schalldrücke herrschen, bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 im Bereich der Hutablage 6 oder im Fußraum 7, wie für Radiolautsprecher üblich, so daß die ohnehin vorgesehenen Lautsprecher Verwendung finden können.
Fig. 5 zeigt den Filterungseffekt des an Hand der Fig. 4 beschriebenen Geräuschsensors mit Mikrofon 12 im Helmholtz-Resonator 10: Während in Fig. 5a) mehrere Schalldruckspitzen im Bereich verschiedener Eigenfrequenzen zu erkennen sind, die durch ein einfaches Mikrofon ohne Helmholtz-Resonator erfaßt werden, zeigt die Fig. 5b) den Filtereffekt bei Messung am gleichen Ort mit einem Mikrofon, das gemäß Fig. 4 in einem Helmholtz-Resonator angeordnet ist. Dies ermöglicht einen gezielten Ansatz zur Minderung des durch eine bestimmte Eigenfrequenz erzeugten Schalldruckes.
Die Anordnung nach Fig. 4 ist beispielsweise gemäß Fig. 6 in einem Fahrzeug untergebracht. In Fig. 6 sind gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 4 verwendet. Der Geräuschsensor aus Mikrofon 12 und Helmholtz- Resonator 10 ist im Bereich der Hutablage 6 nahe den ebenfalls in diesem Bereich untergebrachten Heck-Lautsprechern 14 angeordnet. Die Regeleinrichtung 13 hat in diesem Fall zwei Ausgänge, die auf die beiden Lautsprecher 14, 14 wirken.
Fig. 7 zeigt das Ergebnis der Maßnahme nach Fig. 6, wobei die gestrichelte Kurve den Schalldruck über der Frequenz ohne die geschilderten Maßnahmen der Erfindung und die durchgezogene Kurve den Schall­ druck im Innenraum über der Frequenz bei Anwendung der Maßnahmen nach der Erfindung darstellen.
Die Fig. 8 und 9 zeigen Anordnungen, mit denen eine Schalldruckminderung für mehrere Hohlraumeigen­ frequenzen eines Fahrzeuges möglich ist.
Dabei sind vier Geräuschsensoren 10 a, 10 b, 10 c, 10 d mit entsprechenden Mikrofonen 12 a, 12 b, 12 c, 12 d vorgesehen, die auf Frequenzen f a, f b, f c, f d abgestimmt sind, welche besonders ausgeprägten Hohlraumeigenfrequenzen entsprechen.
Die Ausgangssignale der Mikrofone 12 a bis 12 d werden in die wie auch in den Fig. 8 und 9 mit 13 bezeich­ nete Regeleinrichtung eingegeben. Hier wird jedes Sensorsignal in eine Reihenschaltung mit jeweils einem Verstärker 15 a bis 15 d, einem Phasenschieber 16 a bis 16 d und einem Filter 17 a bis 17 d eingegeben, wobei die Reihenschaltungen für die einzelnen Sensor­ signale parallel liegen, und bei der Ausführung nach Fig. 8 einem gemeinsamen Summierverstärker 18 zugeführt, wo die Sensorsignale summiert und einem Leistungswerstärker 19 für drei Lautsprecher 20, 21, 22 eingegeben werden. Die Lautsprecher sind an verschiedenen, für die Geräuschminderung günstigen Orten im Fahrzeuginnenraum angeordnet/ die sich, wie oben angegeben, mit den üblichen Unterbringungsorten für die Radiolautsprecher decken können.
Die Ausführung nach Fig. 9, in der für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 8 verwendet sind, unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 8 dadurch, daß die verstärkten, phasenver­ schobenen und gefilterten Sensorsignale in zwei parallel geschaltete Summierverstärker 18 A und 18 B mit jeweils nachgeschalteten Leistungsverstärkern 19 A und 19 B eingegeben werden. Jeder Leistungsver­ stärker 19 A, 19 B wersorgt eine eigene Gruppe von jeweils drei Lautsprechern 20, 21, 22 und 23, 24, 25.
Die Regeleinrichtung 13 kann bei allen beschriebenen Ausführungen in analoger oder digitaler Technik ausgeführt sein, wobei im letzteren Falle ein nicht gezeigter digitaler Rechner die Signalverarbeitung übernehmen kann.
Charakteristisch für die Anordnung nach den Fig. 8 und 9 ist die parallele Anordnung der Reihen­ schaltung 15, 16, 17 für jedes Sensorausgangs­ signal. Hierdurch läßt sich eine individuelle Signal­ verarbeitung in Anpassung an die individuelle Abstimmung des zugehörigen Geräuschsensors 10, 12 vor der Zusammenfassung der Signale in den Summier­ verstärkern 18 erzielen.
Die Filter 17 können entsprechend dem Stand der Technik Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandpaß- bzw. Sperrfilter umfassen.
Auch bei Anordnung mehrerer Geräuschsensoren ergibt sich ein einfacher Aufbau der Regeleinrichtung 13, wie die Fig. 8 und 9 zeigen.

Claims (11)

1. Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Geräuschsensor, mindestens einem Laut­ sprecher und einer Regeleinrichtung, die als Istgröße das Ausgangssignal des Geräuschsensors erhält und ein den Lautsprecher beaufschlagendes Stellsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß als Geräuschsensor ein in einem Helmholtz- Resonator (10) untergebrachtes Mikrofon (12) verwendet ist und daß der Lautsprecher (14; 20-22; 20-25) an oder nahe dem Ort maximalen Schalldruckes von zu dämpfenden Hohlraumeigenfreq­ quenzen des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nyquist-Stabilitätsortskurve des Frequenz­ gangs vom offenen Regelkreis die positive reelle Achse bei einer Frequenz schneidet, die mit der Eigenfrequenz (E) einer Hohlraumresonanz übereinstimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Lautsprecher (20-22; 20-25) im Bereich der Hutablage (6) und/oder im vorderen Fußbereich (7) angeordnet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (10) auf die zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz abgestimmt ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungsmaterial, wie Watte, Wolle oder dergleichen, im Resonatorhals oder Resonatorvolumen des Helmholtz-Resonators (10) untergebracht ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (10) mit Mikrofon (12) nahe dem oder den Laut­ sprechern (14;20-22, 20-25) angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Geräuschsensoren mit in Helmholtz-Resonatoren (10 a-10 d) unter­ gebrachten Mikrofonen (12 a-12 d) vorgesehen sind, wobei die einzelnen Helmholtz-Resonatoren jeweils auf unterschiedliche Hohlraum-Eigenfrequenzen des Kraftfahrzeugs abgestimmt sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Geräuschsensoren in Parallelschaltung liegen, wobei das Ausgangs­ signal jedes Geräuschsensors in eine Reihen­ schaltung aus einem Verstärker (15 a-15 d), einem Phasenschieber (16 a-16 d) und gegebenenfalls einem Filter (17 a-17 d) oder einer Filtereinheit (Tiefpaß, Hochpaß, Bandpaß) eingegeben wird.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangssignale der Geräusch­ sensoren in mindestens einem Summierverstärker (18, 18 A, 18 B) addiert werden.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (13) analog arbeitet.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (13) einen digitalen Rechner enthält, der die analog erfaßten und in digitale Signale gewandelten Geräuschsignale nach einem eingespeicherten Programm verarbeitet.
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