DE4321352C2

DE4321352C2 - Verfahren zur Bestimmung eines Geräuschsignals aus einem Gesamtgeräusch zur Geräuschdämpfung

Info

Publication number: DE4321352C2
Application number: DE19934321352
Authority: DE
Inventors: Rolf Fueser
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1993-06-26
Filing date: 1993-06-26
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2013-06-27
Also published as: DE4321352A1; ES2099667B1; ES2099667A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Geräuschsignals, insbesondere des Signals eines geräuschemittierenden Teils eines Verbrennungsmotors, beschrieben. DOLLAR A In einem ersten Verfahrensschritt wird mittels eines Sensors ein Gesamtgeräuschsignal erfasst und abgespeichert. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das das Geräuschsignal erzeugende Teil entfernt und das Geräusch der Restschallquelle mittels eines Sensors erfasst und abgespeichert, wobei anschließend die beiden abgespeicherten Signale phasenbezogen miteinander verglichen werden und unter Bildung einer vektoriellen Differenz das interessierende Geräusch des geräuschemittierenden Teils ermittelt und angezeigt wird.

Description

Der Dämpfung des Ansauggeräusches von Verbrennungsmotoren kommt immer größere Bedeutung zu, und zwar nicht nur im Hinblick auf den Fahrkomfort im Innenraum von Personenkraftwagen sondern auch für die Geräuschemission nach außen, damit die immer schärfer werdenden gesetzlichen Vorschriften eingehalten werden können.

Durch die Dämpfung des Ansauggeräusches wird auch die Leistung und der Kraftstoffverbrauch beeinflußt. Dies hat wiederum Rückwirkungen auf die Schadstoffemission im Abgas. Wesentliche Komponente zur Dämpfung des Ansauggeräusches ist der Luftfilter. Neben der Hauptaufgabe des Luftfilters, die vom Motor angesaugte Verbrennungsluft zu reinigen, tritt diese weitere wichtige Funktion, nämlich die Dämpfung des Ansauggeräusches, welches zum Gesamtgeräusch des Fahrzeugs nicht unerheblich beiträgt, in den Vordergrund.

Luftfilter, die gleichzeitig als Ansauggeräuschdämpfer ausgebildet sind, werden oft auch Dämpferfilter genannt. Mit der Dämpfung des Ansauggeräusches ist zwangsläufig eine Einwirkung auf die Luftschwingungen im Ansaugsystem des Motors verbunden. Dadurch ergeben sich Beeinflussungen der Motorleistung und des Kraftstoffverbrauches.

Für die Dämpfung des Ansaug- bzw. Auspuffgeräuschs von Kraftfahrzeugen haben sich zwei verschiedene Dämpfungsprinzipien bewährt, nämlich Reflexions- und Absorptionsschalldämpfer, wobei die Ansauggeräuschdämpfer fast ausschließlich als Reflexionsschalldämpfer ausgebildet, und zwar in spezieller Form als Helmholtzresonatoren. Die Dämpfung eines Helmholtzresonators in Abhängigkeit von der Frequenz läßt sich relativ einfach ermitteln. Bei der Berechnung der Dämpfung ergibt sich jedoch, daß bei der Helmholtzresonanz Schallverstärkung auftritt und erst oberhalb einer Frequenz F_o . √2 Schalldämpfung eintritt. Die Schalldämpfung steigt dann mit der Frequenz um 40 dB pro Frequenzdekade an. Die Schalldämpfung kann auf verschiedene Weise gemessen werden. Ein relativ einfaches Verfahren, das vor allem auch Einzelheiten des Dämpfungsverlaufes leicht erkennen läßt, besteht darin, daß der Schalldämpfer mit Lautsprecherschall beaufschlagt wird. Dabei wird unter Benutzung des Reziprozitätsgesetzes der Akustik der Ort der Schallquelle und des Mikrofons gegenüber der Anordnung des Schalldämpfers am Motor vertauscht. Bei dieser Meßmethode wird nun aber der Schalldämpfer mit Schalldrücken beaufschlagt, die in der Größenordnung von nur etwa 1/1000 derjenigen liegen, die beim Anbau an einem Motor auftreten. Dadurch treten im Praxisfall einige Abweichungen gegenüber der Lautsprechermessung auf. Hinzu kommt, daß ein Ansauggeräuschdämpfer noch mit Luft durchströmt wird.

Die Dämpfung am Motor kann aber auch direkt gemessen werden, wobei der Geräuschpegel einmal mit und einmal ohne Schalldämpfer bei verschiedenen Motordrehzahlen gemessen wird.

Nachteilig bei solchen Messungen ist jedoch der Effekt, daß bei bestimmten Frequenzen Löschungen im Zusammenwirken mit anderen Schallquellen im Motorraum auftreten und somit das Meßergebnis über das gesamte Frequenzspektrum teilweise verfälschen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, daß eine exakte Ermittlung der Geräuschemission eines Teils wie z. B. des Ansauggeräusches aus einer Gesamtgeräuschemission ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Aus der EP 0 490 885 A2 ist eine Einrichtung bekannt, mit welcher insbesondere bei Fahrzeugen bzw. bei Fahrzeugmotoren eine Geräuschreduzierung möglich ist. Diese Einrichtung macht sich die Erkenntnis zu nutze, daß mittels bestimmter, mit Durchbrüchen versehener Elemente eine Interferenz und damit eine Auslöschung von Schallwellen möglich ist. Es ist jedoch bekannt, daß dieses Verfahren nur innerhalb bestimmter Frequenzbereiche wirksam ist. Außerdem wird hier nur versucht, die Schallabstrahlung eines Motors in seiner Gesamtheit zu reduzieren, nicht jedoch die Schallabstrahlung einzelner Komponenten des Motors zu analysieren und die Schaltemission dieser einzelnen Komponenten zu verringern.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß das vorgeschlagene Verfahren trotz der Einfachheit eine sehr genaue Reproduktion des interessierenden Signals gibt.

Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Geräusch, welches beispielsweise ein Ansauggeräusch an einem Luftfilter eines Verbrennungsmotors ist, nur dann korrekt gemessen werden kann, wenn zunächst die weiteren Geräuschquellen erfasst werden und dann aus der Differenz zwischen den weiteren Geräuschquellen und der Summe aller Geräusche dieses meßtechnisch allein nicht erfaßbare Ansauggeräusch ermittelbar ist.

Zur Triggerung der beiden Geräusche ist zweckmäßigerweise bei einem Motor ein Sensor zur Erfassung der Phasenlage der Kurbelwelle und ein Sensor zur Erfassung der Zündimpulse vorgesehen. Wird nur ein Sensor für die Sensierung der Phasenlage der Kurbelwelle verwendet, so ist darauf zu achten, daß bei einem Viertaktmotor nur jedes zweite Sensorsignal als Startimpuls herangezogen werden kann.

Es ist deshalb zweckmäßig, sowohl das Kurbelwellensignal als auch das Signal, welches durch die Zündimpulse geliefert wird, zu verknüpfen, um somit zu einem aussagefähigen Triggerimpuls zu gelangen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das geräuschemittierende Teil entfernt bzw. schalldicht abgekuppelt. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß es durch eine schalldichte Schlauchverbindung zu einem Maximaldämpfer ersetzt wird.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Beispiele für die Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in einer Vektordarstellung die Ermittlung des Signals eines geräuschemittierenden Teils,

Fig. 2 den Signalverlauf eines Meßsignals sowie der Referenzimpulse,

Fig. 3 die Frequenzanalyse des Referenzsignals,

Fig. 4 den Signalverlauf zweier Meßsignale und zweier Referenzsignale,

Fig. 5 ein FFT-Frequenzraster.

Auf Akustikprüfständen werden die Einflüsse von Ansauganlagen an Verbrennungsmotoren bzw. an Kraftfahrzeugen untersucht. Die dazu aufgestellten Mikrofone empfangen dabei den Schalldruck aller an der Abstrahlung beteiligten Quellen, wobei häufig der Anteil der zu untersuchenden Quellen verfremdet bzw. nicht mehr erkennbar ist. Abhilfe verschaffen bisher folgende Möglichkeiten:

a) die Fremdquellen zu dämmen,
b) das Mikrofon möglichst nah an die Quelle zu bringen,
c) die Intensitätsmeßtechnik in Verbindung mit aufwendiger Quellenortung einzusetzen.

Dies führt jedoch oft nicht zum gewünschten Erfolg und ist im Anwendungsfall - Fahrzeuginnengeräuschmessung - technisch nicht möglich.

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, die Wirkung der zu untersuchenden Schallquellen fremdquellenbereinigt darzustellen. Hier soll die vorgeschlagene Auswertemethode einsetzen. Diese gründet sich auf periodische Schallabläufe, wie sie von luftansaugenden Kolbenmaschinen verursacht werden. Der Arbeitszyklus der Maschine legt die Amplituden der Teiltöne des Gesamtgeräusches phasenstarr zu seinem kinematischen Ablauf fest. Die Frequenzanalye bestätigt, daß die Vektorzeiger der Teiltöne feste Lagenbeziehungen zum Zyklus der Maschinenbauteilebewegung, zum Beispiel eines Kolbens haben.

Eine weitere Voraussetzung ist die Durchführbarkeit von zwei Varianten aus einem Schallquellenkollektiv, die sich nur in der An- bzw. Abwesenheit der zu untersuchenden Quelle unterscheiden.

Im Fall der Luftfilteranlage im Saugsystem als die zu untersuchende Quelle läßt sich das versuchstechnisch relativ leicht verwirklichen. Man entfernt die Schallquellenwirkung Luftfilter total, indem man das Luftfilter durch eine schalldichte Schlauchverbindung zu einem Maximaldämpfer ersetzt. Das Schallabstrahlfeld erhält dann keine Anteile vom ersetzten Bauteil mehr. Das Ausgangsmaterial für die vorgeschlagene Auswertemethode ist eine Sammlung von Paaren von Frequenzspektren die von zwei aufeinander folgenden Schallmessungen stammen. Die eine Messung wird mit dem genannten Maximaldämpfer durchgeführt, die andere mit der zu untersuchenden Variante, bei der die durch den Maximaldämpfer zuvor entfernte Quelle nunmehr wirksam ist. Unter der Voraussetzung, daß die beiden Erfassungsstarts der zu vergleichenden Zeitsignale zueinander immer phasengleich zum Maschinenzyklus erfolgt sind, können die daraus entstandenen Frequenzspektren unmittelbar verglichen werden. Da diese Voraussetzung in der Regel nicht erfüllt ist, muß in diesen Fällen eine Datenkorrektur durchgeführt werden. Diese Korrektur wird weiter unten beschrieben. Das Ziel der Fremdquellenbereinigung wird mit der Differenzbildung der Vektoren jedes Spektralpaares erreicht. Die Fig. 1 zeigt beispielhaft die Positionen zweier Vektoren desselben Spektrenplatzes aus den beiden Spektren der zu vergleichenden Messungen. Die Resultierende 1 zeigt die Summe, das heißt das Gesamtgeräuschsignal. Die Resultierende 2 das Geräuschsignal, welches ohne das Geräusch des interessierenden Teils ermittelt wurde. Die unbekannte Komponente, nämlich das Geräusch des interessierenden Teils, ist durch den Vektor 3 dargestellt.

Aus den bekannten Resultierenden und der bekannten Komponente 1 wird der Vektor 3, also die unbekannte Komponente 2, nach folgender Formel errechnet:

R₂ = R_R - R₁

R₃ = R₁ - R₂

I₂ = I_R - I₁

I₃ = I₁ - I₂

a₂ =

Schritt für Schritt wird so durch den ganzen Frequenzbereich hindurch das Ergebnisspektrum gebildet. Dieses stellt das bis dahin unbekannte Spektrum der zu isolierenden Quelle dar. Mit einem Digital-Analog-Wandler läßt sich ein auf einem Rechenspeicher abgelegtes Zeitsignal, das aus diesem Spektrum erzeugt ist, über Lautsprecher oder Kopfhörer wiedergegeben bzw. mit entsprechenden grafischen Mitteln darstellen. Somit erhält man einen Eindruck des Geräuschs der zu untersuchenden Quelle. Das auf diesem Weg erzeugte Geräusch läßt sich normalerweise versuchstechnisch nicht abbilden. Diese Einschränkung gilt natürlich nicht, wenn die interessierende Schallquelle ein akustisch aktives Glied ist. Dieses läßt sich nach Herauslösen aus dem Schallquellenchor selbstverständlich auch direkt messen.

Das derart gewonnene Spektrum kann den üblichen Auswertungsbehandlungen zugeführt werden, wie:

- das Erstellen von harmonischen Diagrammen,
- das Erstellen von Campbell-Diagrammen,
- das Erstellen von Vergleichs-Diagrammen.

Bei der Anwendung dieser Methode kann man naturgemäß zu dem Ergebnis kommen, daß das Geräusch der Gesamtheit aller Quellen leiser ist, als das der betrachteten Schallquelle allein. Dies hat seine Gültigkeit selbstverständlich nur für einen Mikrofonort; schallenergetisch ist die Summe mehr als die Einzelquelle. Bei Untersuchungen am ganzen Fahrzeug bzw. am Motor sind derartige Löschungsereignisse im stets vorhandenen Interferenzfeld nicht selten.

Neben der Zentralaufgabe bei der Ermittlung des Geräuschs des zu untersuchenden Teils, nämlich der vektoriellen Differenzbildung, ist die vorbereitende Behandlung der Phasenkorrektur noch wesentlich. Dies ist erforderlich, wenn die Meßdatenerfassungs-Starts der zu vergleichenden Zeitsignale unabhängig von der Lage des Maschinenzyklus erfolgen. Zur Durchführung dieser Korrektur ist ein zusätzlicher Meßkanal für ein Referenzsignal erforderlich. Dieser Kanal wird mit einem Signal gespeist, das ein markantes Einmal-Ereignis im Maschenzyklus zeigt. Zweckmäßigerweise sollte es von der Form her ein kurzzeitiger Rechteckimpuls sein, von seiner Natur her ein phasenstarre Lage zur Nockenwellenstellung haben. Sind die Auslöseimpulse nur von der Kurbelwelle zu bekommen, was ohne zerstörende Eingriffe oft nur möglich ist, muß man nach der Auslöschung eines von zwei Kurbelwellenpulsen trachten. Die Auslöschinformation erhält man beispielsweise bei einem Ottomotor vom Zündimpuls eines Zylinders. Wie die Fig. 2 zeigt, kann dabei immer derselbe Kurbelwellenimpuls IK von den zwei eines Zyklus durchgelassen werden. Die Kurve a zeigt das Meßsignal SM, Kurve b das Referenzsignal der Kurbelwelle RK, Kurve c die Zündimpulse Z zur Löschung, wobei jeweils nach den Zündimpulsen ein Auslöschbereich BL definiert wird. Innerhalb des Auslöschbereichs BL wird der zweite Kurbelwellenimpuls IK unterdrückt, so daß, wie Kurve d zeigt, ein einziges Kurbelwellensignal pro Zyklus als Referenzsignal SR gebildet wird.

Die Frequenzanalyse des in Kurve d gezeigten Referenzsignals hat das für Rechteckimpulse typische Spektrum und ist in Fig. 3 dargestellt. Die wichtige Information steckt in der Phasenlage der ersten Spektrallinie F1 = 1/T, weil sie den Zeitpunkt des Starts der Meßdatenerfassung wiedergibt. Diese Phasenlage dient dazu, zwei Mikrofonsignale mit Hilfe der Referenzsignale in Phasenkongruenz zu bringen. Die Fig. 4 stellt die Ausgangssituation dar. Kurve a zeigt das Meßsignal SM1, Kurve b das Referenzsignal SR1, Kurve c das Meßsignal SM2 und Kurve d das Referenzsignal SR2. Ein Zeitversatz zwischen Referenzsignal 1 und Referenzsignal SR2 wird mit Δt bezeichnet. Dieser Zeitversatz Δt ermittelt sich nach der Formel:

Δt = Δϕ/2 . Π . f_z.

Die Phasendifferenz ermittelt sich nach der Formel:

Δϕ = 2Π . f_z . Δt.

Um den Zeitversatz Δt aus den Informationen des Frequenzspektrums der Referenzsignale SR1 und SR2 zu ermitteln, müssen der genaue Rechenwert der Zyklenfrequenz f_z und die zugehörigen Phasenwerte ϕ1 und ϕ2 aus den Spektraldaten bestimmt werden.

Die Zyklenfrequenz f_z läßt sich am Spektrum des Rechtseckimpulses ablesen. Einen typischen Ausschnitt aus dem Spektrum eines hanningfensterbehandelten Rechteckimpulses zeigt Fig. 5. Die Zyklenfrequenz f_z ist auch als Abstand zwischen zwei Kammspitzen

i . f_z und (i + 1) . f_z

abzulesen. Da das Frequenzraster der FFT nicht genau den Ort von f_z trifft, bilden drei Stützstellen um den Genauwert herum den Informationsinhalt zur Bestimmung von f_z. Der Genauwert wird durch Lösung eines Gleichungssystems gefunden, in dem die drei Koordinatenpunkte als Werte einer Parabel 2. Grades gesetzt werden. Der daraus errechenbare Ort des Parabelscheitelwertes ist mit dem gesuchten genauen Wert identisch.

Die Amplitudenspitzen der Vielfachen der Zyklenfrequenz f_z enthalten die Information über den genauen Ort von f_z im Frequenzraster. Sie haben darüberhinaus den Vorteil, daß mit ihrer Verwendung der Meß- und Rechenfehler verkleinert werden kann. In dem Ermittlungsverfahren wird aus diesem Grund die Zyklenfrequenz in 3 Stufen berechnet. Die Berechnung beginnt mit der Harmonischen, die dem Spektrenplatz 50 Hz am nächsten ist. In den folgenden Stufen heißen die Ausgangsfrequenzen 140 Hz und 550 Hz. Damit wird die dem Spektrum innewohnende Zyklenfrequenz f_z genaustmöglichst bestimmt.

Mit diesem Ergebnis als Fundament werden die Frequenzplätze im Raster gesucht, die mit 1 . f_z beginnend, den harmonischen Frequenzen am nächsten kommen. Ziel ist es, jeweils die dem Zeitversatz Δt entsprechende Phasenwinkeldifferenz Δϕ zwischen den zwei Spektren 1 und 2 zu bestimmen. Das Ergebnis dieser Ermittlung ist der genaustmögliche Wert für den Zeitversatz Δt.

Dieser Kenntnisstand gestattet schließlich die Ausführung der eigentlich beabsichtigten Aufgabe, nämlich die Phasenwinkelkorrektur der Meßdaten des Referenzsignals SR1 und Referenzsignals SR2, gemäß Fig. 4. Danach können die beiden zu vergleichenden Spektren behandelt werden, als seien sie zyklengetriggert aufgenommen worden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines Geräuschsignals aus einem Gesamtgeräusch, insbesondere des Signals eines geräuschemittierenden Teils eines Motors, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines Sensors ein Gesamtgeräuschsignal erfaßt und abgespeichert wird und in einem zweiten Verfahrensschritt das das Geräuschsignal erzeugende Teil entfernt wird und das Geräusch der Restschallquelle mittels eines Sensors erfasst und abgespeichert wird, wobei anschließend die beiden abgespeicherten Signale phasenbezogen miteinander verglichen werden und unter Bildung einer vektoriellen Differenz das interessierende Geräusch des geräuschemittierenden Teils ermittelt und angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenbezug für die beiden Messungen bei einem Motor ein Sensor zur Erfassung der Kurbelwellenlage und/oder ein Sensor zur Erfassung der Zündimpulse vorgesehen ist.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des zweiten Verfahrensschrittes das geräuschemittierende Teil entfernt bzw. schalldicht abgekoppelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geräuschemittierende Teil ein Luftfilter ist, welcher während des zweiten Verfahrensschrittes entfernt und durch eine schalldichte Schlauchverbindung zu einem Maximaldämpfer ersetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein eventuell auftretender Zeitversatz zwischen dem Referenzsignal des ersten Verfahrensschrittes und dem Referenzsignal des zweiten Verfahrensschrittes eliminiert wird durch Bestimmung der Zyklenfrequenz und der zugehörigen Phasenwerte 1 und 2.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklenfrequenz aus dem Spetrum eines hanningfensterbehandelten Rechteckimpulses abgeleitet wird.