-
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Schallabsorptionssystem für
Kraftfahrzeuge in Form eines eine Schalldruckerzeugungsvorrichtung
enthaltenden Helmholtz-Resonators.
-
Bei Schallabsorptionsverfahren für Kraftfahrzeuge
wird ein Helmholtz-Resonator als Schallabsorptionssystem eingesetzt,
das insbesondere im Fahrgastraum auftretenden Stör-Schall im Bereich um die
Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators dämpft. Hierzu werden Helmholtz-Resonatoren
derart ausgelegt, daß deren
Resonanzfrequenzen den Frequenzen des zu absorbierenden Schalls
entsprechen. Die Resonanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators wird
insbesondere durch das Hohlkörpervolumen
des Helmholtz-Resonators bestimmt.
-
Aus der
DE 42 26 885 A1 ist ein
gattungsgemäßes Schallabsorptionssystem
in Form eines aktiven Helmholtz-Resonators bekannt, der einen Lautsprecher
als Schalldruckerzeugungsvorrichtung in seinem Hohlkörper enthält. Durch
diesen Lautsprecher werden Schalldruckwerte im Hohlkörper erzeugt,
mittels derer auch abweichend vom realen Hohlkörpervolumen beliebige gewünschte Hohlkörpervolumina
simulierbar sind. Das jeweils zu simulierende Hohlkörpervolumen
richtet sich nach der Frequenz des zu absorbierenden Schalls.
-
Ein Schallabsorptionssystem zur Schalldämpfung ist
jedoch nicht nur durch die Frequenz des zu absorbierenden Schalls
charakterisiert, sondern auch durch seine Bandbreite und seinen
Absorptionsgrad. Durch den Absorptionsgrad eines Schallabsorptionssystems
wird bestimmt, mit welcher Intensität der zu absorbierende Schall
gedämpft
wird. Die Bandbreite des Schallabsorptionssystems bestimmt den Frequenzbereich,
innerhalb dessen der Schall über
die hauptsächlich
zu absorbierende Frequenz hinaus ebenfalls gedämpft bzw. absorbiert wird.
-
Bei dem aus der
DE 42 26 885 A1 bekannten
Verfahren wird lediglich auf die zu absorbierende Frequenz bzw.
die zu absorbierenden Frequenzen eingegangen. Weitere Charakteristika
von Schallabsorptionssystemen werden nicht behandelt.
-
Aus der
DE 42 28 356 A1 ist ein
Hohlraumresonator mit veränderlicher
Resonanzfrequenz insbesondere zur Lärmreduzierung eines Kolbenmotors
bekannt. Eine über
den gesamten Resonanz-Verstellbereich gleichbleibend hohe Antischallwirkung
soll erzielt werden, indem gleichzeitig mit der Länge auch
die Querschnittsfläche
des Resonatorhalses nach Maßgabe
einer entsprechend gewählten
Resonanz-/Flussimpedanzrelation einreguliert und zusätzlich die
Eigendämpfung
des Resonators mit Hilfe einer im Resonatorhals angeordneten Heizeinrichtung
kompensiert wird.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, mittels
eines Helmholtz-Resonators auf einfache Weise ein möglichst flexibles
Schallabsorptionssystem zu schaffen, dessen Charakteristika mit
möglichst
wenig Aufwand an den jeweils zu absorbierenden Schall angepaßt werden
können.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
der Patentansprüche
1 und 3 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein
eine Schalldruckerzeugungsvorrichtung enthaltender Helmholtz-Resonator
derart weitergebildet, daß mittels
der Schalldruckerzeugungsvorrichtung der Absorptionsgrad und/oder
die Bandbreite des als Schallabsorptionssystem wirkenden Helmholtz-Resonators
vorgegeben werden, indem mindestens ein vom Hohlkörpervolumen
unabhängiger
Parameter des Helmholtz-Resonators, der Auswirkungen auf den Absorptionsgrad bzw.
die Bandbreite des Schallabsorptionssystems aufweist, simuliert
wird.
-
Durch diese Erfindung sind die Absorptionscharakteristika
Absorptionsgrad und Bandbreite unabhängig von der Resonanzfrequenz
des Helmholtz-Resonators bzw. unabhängig von der Frequenz des zu
absorbierenden Schalls beliebig vorgebbar. Hierdurch ist eine einfache
Adaption des Schallabsorptionssystems in Form eines einzigen aktiven
Helmholtz-Resonators auf die jeweiligen Anforderungen an die Schallabsorption möglich.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind die Gegenstände
der Patentansprüche
2, 4 und 5.
-
Nach Anspruch 2 ist der zur Vorgabe
des Absorptionsgrades zu simulierende Parameter proportional zur
schwingenden Luftmasse im Hals des Helmholtz-Resonators.
-
Dieser Erfindung liegt der Gedanke
zugrunde, daß ein
Helmholtz-Resonator einem mechanischen, gedämpften Masse-Feder-Resonanzsystem
entspricht, bei dem die Masse durch die schwingende Luft im Hals bzw.
in einer Querschnittsverengung der Öffnung eines Hohlkörpers und
die Feder durch das Hohlkörpervolumen
gebildet werden. Der zur Luftmasse proportionale zu simulierende
Parameter bestimmt maßgeblich
den Absorptionsgrad eines Schalls im Bereich um die Resonanzfrequenz.
Dieser Parameter entspricht der Luftmasse im Hals des simulierten
Helmholtz-Resonators.
-
Nach Patentanspruch 4 ist der zur
Vorgabe der Bandbreite zu simulierende Parameter proportional zur Dämpfung der
schwingenden Luftmasse im Hals des Helmholtz-Resonators. Dieser
zur Dämpfung
proportionale zu simulierende Parameter bestimmt maßgeblich
die Bandbreite des Schallabsorptionssystems im Bereich um die Resonanzfrequenz.
Dieser Parameter entspricht der Dämpfung des simulierten Helmholtz-Resonators.
-
Sowohl die schwingende Luftmasse
als auch die Dämpfung
der schwingenden Luftmasse im Hals des Helmholtz-Resonators sind
Parameter, die vom Hohlkörpervolumen
unabhängig
sind.
-
Nach Patentanspruch 5 wird vorzugsweise
die Simulation mittels eines elektronischen Reglers vorgenommen,
in dem ein Algorithmus enthalten ist, der die zu simulierenden Parameter
des Helmholtz-Resonators enthält.
Vorzugsweise ist dieser Algorithmus eine Formel, die sämtliche
zu simulierende Parameter unabhängig
voneinander aufweist. Eine derartige Formel ist beispielsweise die
Formel der Nachgiebigkeit, die durch das Verhältnis der Auslenkung der schwingenden
Luftmasse zum Produkt des Schalldrucks am Halseingang und der Querschnittsfläche des
Halses definiert ist. Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung ist beispielsweise
eine Adaption des Schallabsorptionssystems auf neue Anforderungen
an die Schallabsorption lediglich durch Umprogrammieren des elektronischen
Reglers möglich.
Konstruktive Maßnahmen
an den realen Abmessungen des Helmholtz-Resonators sind durch die
Simulation der von den realen Werten abweichenden Parameter eines
Helmholtz-Resonators nicht notwendig.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Es zeigt
-
1 die
einzelnen Charakteristika eines Schallabsorptionssystems allgemein,
-
2 eine
erste mögliche
Ausgestaltung der Erfindung mit der Darstellung des Masse-Feder-Resonanzsystems,
von der die Erfindung ausgeht, und
-
3 eine
zweite mögliche
Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere auch die Einflüsse der Schalldruckerzeugungsvorrichtung
berücksichtigt.
-
In
1 ist
auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate der Absorptionsgrad
A dargestellt. Die Frequenz f
0 zeigt die
gewünschte
Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators,
die der Frequenz des zu absorbierenden Schalls entspricht. Die Resonanzfrequenz
f
0 wird vorzugsweise durch das Volumen V
des Hohlkörpers
2 des
Helmholtz-Resonators
1 vorgegeben (
2,
3).
Eine Simulierung eines vom realen Volumen V abweichenden Hohlkörpervolumens
zur Veränderung
der gewünschten
Resonanzfrequenz f
0 gemäß dem aus der
DE 42 26 885 A1 bekannten
Verfahren wird auch bei vorliegender Erfindung bevorzugt angewendet.
Weiterhin ist in
1 die
Bandbreite B des Schallabsorptionssystems dargestellt, die aussagt,
wie groß der
zu dämpfende
Bereich um die Resonanzfrequenz f
0 sein
soll. Die erforderliche Bandbreite B richtet sich nach der Art des
zu absorbierenden Schalls. Beispielsweise würde eine schmale Bandbreite
definiert werden, wenn ein tonaler Störschall absorbiert werden soll.
Die Bandbreite B wird vorzugsweise durch Simulation der Dämpfung d
(vgl.
2) eingestellt.
Der Absorptionsgrad A in
1 bestimmt
die Intensität
der Absorption des Störschalls
bei der Resonanzfrequenz f
0 bzw. innerhalb
der Bandbreite B um die Resonanzfrequenz f
0.
-
Bei sich änderndem Frequenzspektrum des
Störschalls
können
alle zu simulierenden Parameter einzeln oder gemeinsam entsprechend
nachgeführt
werden. Beispielsweise werden die zu simulierenden Parameter derart
nachgeführt,
daß Störgeräusche, die
aufgrund bestimmter Motorordnungen bei sich ändernder Brennkraftmaschinendrehzahl
entstehen, absorbiert werden.
-
Zur Erkennung der zu absorbierenden
Störgeräusche und
zur Abstimmung des Helmholtz-Resonators darauf kann folgendermaßen vorgegangen
werden:
Beispielsweise ist es möglich, das Schallabsorptionssystem
in Form des aktiven bzw. zu simulierenden Helmholtz-Resonators auf zeitabhängige, störende Frequenzkomponenten
abzustimmen. Durch einfache Reglerübertragungsfunktionen können die
Charakteristika des Schallabsorptionssystems (Resonanzfrequenz,
Dämpfung,
Luftmasse) variabel in Echtzeit auf die Frequenz des jeweils zu
absorbierenden Störschalls
(z.B. Motorordnung im Kraftfahrzeug) oder des momentan störendsten
Innengeräusches
abgestimmt werden, wobei auch mehrere Frequenzen gleichzeitig absorbiert
werden können.
-
Zur Ermittlung der zeitabhängigen,
störenden
Frequenzkomponenten in einem Kraftfahrzeug wird beispielsweise folgendermaßen vorgegangen:
Mit
einem Schalldrucksensor (Mikrofon) wird der Schalldruck im Empfangsraum
(Fahrzeuginnenraum) und/oder an einem Ort, an dem die Anregung des
Störschalls
nennenswerten Schalldruck erzeugt (z.B. in/an Schalldämpferanlagen,
Abgasanlagen, Ansaugstutzen oder Lüftungsschächten; im Motorraum; zwischen
Verkleidung und Karosserieblechen, im Teppich), erfaßt. Alternativ
oder zusätzlich
wird mit einem Vibrationssensor, z.B. einem Beschleunigungs-, Schnelle-
oder Wegaufnehmer, an einer Stelle, die von der störenden Anregung
nennenswert zum Schwingen angeregt wird (z.B. Motor, Getriebe, Abgasanlage,
Fahrwerk, Karosserie, Blechflächen,
Scheiben, Innenraumverkleidungen, Gelenkwellenlager) die Beschleunigung,
die Schnelle oder der Weg erfaßt.
-
Die erfaßten Signale werden ggf. mit
einem den Gehöreigenschaften
nachgebildeten Filter, um aus dem physikalischen Zeitsignal die
subjektiv störenden
Frequenzkomponenten ermitteln zu können, und/oder mit einem Hochpaß, Bandpaß oder Tiefpaß gefiltert.
-
Entspricht die Anregung einer Motorordnung,
dann ist es auch möglich,
die Drehzahl und daraus die Anregungsfrequenz als digitalen Zahlenwert
von der elektronischen Brennkraftmaschinensteuerung zu erhalten.
Für geschwindigkeitsabhängige Anregungen
(z.B. Gelenkwellenordnungen) kann man zur Ermittlung der Anregungssfrequenz
einen digitalen Wert von der Motor- und/oder Getriebeelektronik über die
Geschwindigkeit und/oder den gewählten
Gang auswerten.
-
Eine Kombination von gleichzeitig
frequenzkonstanter und frequenzvariabler Absorption bei gleicher oder
unterschiedlicher Bandbreite ist ebenfalls möglich. Beispielsweise werden
Abrollgeräusche
frequenzkonstant breitbandig und gleichzeitig Motorordnungen bzw.
Gelenkwellenordnungen frequenzvariabel tonal absorbiert.
-
In 2 ist
ein Helmholtz-Resonator 1 dargestellt, mit einem realen
Volumen V des Hohlkörpers 2. Der
Helmholtz-Resonator 1 weist
eine Öffnung
in Form eines Halses 3 am Hohlkörper 2 auf. In dem
in 2 dargestellten Beispiel
weist der Hals 3 eine Länge
L und eine Querschnittsfläche
a auf. Innerhalb des Halses 3 schwingt eine Luftmasse m
mit einer Auslenkung x. Wird der Helmholtz-Resonator als Resonanzsystem
vom Typ Masse-Feder betrachtet, wird die Federsteifigkeit durch
die Steifigkeit der Luft im Volumen V bestimmt. Durch die Reibung
zwischen der Luftmasse m und der Innenwand des Halses 3 tritt
eine Dämpfung
d auf, die ebenfalls die Auslenkung x der schwingenden Luftmasse
m beeinflußt.
-
Im Hohlkörper 2 des Helmholtz-Resonators 1 ist
ein Lautsprecher 4 als Schalldruckerzeugungsvorrichtung
angeordnet. Der Lautsprecher 4 dient vorzugsweise als Innenwandteil
des Hohlkörpers 2.
Bei ruhender Membran des Lautsprechers 4 liegt ein passiver
Helmholtz-Resonator 1 mit realen Parameterwerten, insbesondere
für das
Hohlkörpervolumen
V, die Luftmasse m und die Dämpfung
d, vor. Durch Ansteuerung des Lautsprechers 4 sind diese
realen Parameter des Helmholtz-Resonators veränderbar. Es werden die Parameterwerte
simuliert, durch die die gewünschten
Charakteristika des Schallabsorptionssystems erreicht werden.
-
Hierzu wird der Lautsprecher
4 über einen
Regler
6 mit einem entsprechenden Spannungssignal U als Ansteuersignal
beaufschlagt. Der Regler
6 erhält als Eingangssignal das Signal
eines Schalldrucksensors
5, z. B. in Form eines Mikrofons,
der die Schalldruckwerte p
a an einem gewünschten
Ort im Fahrgastinnenraum erfaßt.
Im Regler
6 sind die gewünschten Charakteristika des
Schallabsorptionssystems, nämlich
die hauptsächlich
zu absorbierende Frequenz f
0, die Bandbreite
B und der Absorptionsgrad A, abgelegt. Der elektronische Regler
6 weist
einen Algorithmus
7 auf, der alle zur Einstellung der gewünschten
Charakteristika zu simulierenden Parameter, nämlich das Hohlkörpervolumen
V, die Dämpfung
d und die Luftmasse m sowie ggf. auch Charakteristika des Lautsprechers
4,
enthält.
Vorzugsweise ist der Algorithmus
7 folgende Formel für die Nachgiebigkeit
des Helmholtz-Resonators:
-
Die zu absorbierende Frequenz wird
als gewünschte
Resonanzfrequenz f0 vorgegeben, die z.B.
durch die Simulierung eines entsprechenden Hohlkörpervolumens V eingestellt
werden kann. Der gewünschten Bandbreite
B und dem gewünschten
Absorptionsgrad A werden eine entsprechende Dämpfung d und eine entsprechende
Masse m zugeordnet. Die Luftmasse m und die Dämpfung d werden bei vorgegebener
Resonanzfrequenz f0 derart bestimmt, daß sich beispielsweise
eine gewünschte
Nachgiebigkeit ergibt. Die gewünschten zu
simulierenden Parameterwerte werden im Regler 6 derart
weiterverarbeitet, daß zu
deren Erzeugung ein geeignetes Spannungssignal U zur Ansteuerung
des Lautsprechers 4 gebildet wird. Durch die Messung der daraufhin
entstehenden Druckwerte pa im Fahrgastinnenraum
mittels des Mikrofons 5 können im Regler die Soll- und
Ist-Werte des zu absorbierenden Schalls verglichen und nachgeregelt
werden. Der Regler 6 weist vorzugsweise ein PDiTk-Übertragungsverhalten
auf.
-
Der Regler 6 kann beispielsweise
derart ausgebildet sein, daß durch
das Ansteuersignal U die Sollwerte der zu simulierenden Parameter
des Helmholtz-Resonators 1 in Form einer Differenz zu den
realen Ist-Werten der Parameter V, m, d des passiven Helmholtz-Resonators 1 erzeugt
werden. Hierzu ist beispielsweise eine Initialisierungsroutine im
Regler 6 vorgesehen, durch die mittels Vorgabe eines definierten
Ansteuersignals U und mittels der Messung der dadurch entstehenden
Druckwerte pa im Fahrgastinnenraum die Ist-Werte
der Parameter V, m, d des passiven Helmholtz-Resonators 1 ermittelt
werden. Hierdurch ist eine automatische Adaption des Reglers 6 auf
konstruktive Änderungen,
wie z. B. Änderungen
der realen Parameter des Helmholtz-Resonators, möglich.
-
Anhand von 3 wird dargestellt, daß der Hals 3 des
Helmholtz-Resonators 1 funktionell als beliebige Quer schnittsverengung
in der Öffnung
des Hohlkörpers 2 eines
Helmholtz-Resonators 1 verstanden wird. In 3 ist der Hals 3 des Helmholtz-Resonators 1 als
großflächige siebartige
Abdeckung des Hohlkörpers 2 ausgestaltet.
Eine derartige siebartige Abdeckung kann beispielsweise eine übliche Lautsprecherabdeckung in
Kraftfahrzeugen sein. Hierdurch ist es möglich, daß das erfindungsgemäße Schallabsorptionssystem
mit üblichen
Lautsprecherboxen als passive Helmholtz-Resonatoren realisiert werden
kann. Weiterhin ist in 3 gestrichelt
dargestellt, auf welche Weise das Schallabsorptionssystem derart
weitergebildet werden kann, daß Störeinflüsse des
Schallabsorptionssystems durch die Charakteristika des Lautsprechers 4,
insbesondere durch dessen Frequenzgang, kompensiert werden können. Beispielsweise
kann hierzu im Regler 6 eine Erweiterung vorgesehen sein,
die zur Bildung des Ansteuersignals U ein Signal berücksichtigt,
das durch einen Sensor 8 zur Erfassung der Membranbewegung
des Lautsprechers 4 gebildet und als zweites Eingangssignal dem
Regler 6 zugeführt
wird. In Abhängigkeit
von dem Signal des Sensors 8 kann im Regler 6 dem
Ansteuersignal U ein Signal überlagert
werden, das zur Linearisierung des Übertragungsverhaltens des Lautsprechers 4 führt.
-
Alternativ zu einem Sensor 8 an
der Membran des Lautsprechers 4 kann auch über einen
Sensor 10 der Schalldruck im Volumen 9 hinter
dem Lautsprecher 4 erfaßt werden, der ebenfalls proportional
zur Membranbewegung des Lautsprechers 4 ist. In 3 ist weiterhin dargestellt,
daß die
Kompensation des Lautsprechereinflusses entweder in einem eigenständigen Regler 11 unabhängig vom
Regler 6 durchgeführt
werden kann, daß aber
auch die Kompensation des Lautsprechereinflusses in den Regler 6 mit
der Ansteuerung des Lautsprechers 4 zur gewünschten
Schallabsorption kombiniert werden kann.
-
Darüber hinaus wird ergänzend angemerkt,
daß jedoch
das erfindungsgemäße Schallabsorptionssystem
für beliebig
viele Frequenzen anwendbar ist und durch geeignete Programmierung
des Reglers 6 auch mit nur einem Helmholtz-Resonator 1 realisierbar
ist. Beispielsweise würde
im Algorithmus 7 im Fall mehrerer zu absorbierender Frequenzen
die Summe aller Nachgiebigkeiten für jede zu absorbierende Frequenz
enthalten sein. Somit ist es erfindungsgemäß auch möglich, sowohl zeitlich aufeinanderfolgend
als auch gleichzeitig verschiedene Nachgiebigkeiten mit unterschiedlichen
Resonanzfrequenzen f0, Steifigkeiten des
Hohlkörpervolumens
V, Massen m und Dämpfungen
d nachzubilden. Insbesondere die Formel für die Nachgiebigkeit spiegelt das Übertragungsverhalten
eines Helmholtz-Resonators 1 wieder,
wobei das Hohlkörpervolumen
v, die Masse m und die Dämpfung
d beliebige, auch von den realen Parameterwerten abweichende Werte
annehmen können.
-
Der Schalldrucksensor 5 zur
Regelung der zu simulierenden Parameter V, m, d des erfindungsgemäßen Schallabsorptionssystems
kann je nach Anforderung z.B. in der Nähe des Halses 3 des
Helmholtz-Resonators 1 oder nahe am Ort des Empfängers angebracht
sein.
-
Ergänzend wird darauf hingewiesen,
daß die
zu simulierende Nachgiebigkeit auch unabhängig vom verwendeten Resonator-Hals
einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, eine Hals-Anordnung
mit nur geringer realer Dämpfung
zu verwenden. Dadurch eignet sich der Lautsprecher im aktiven Helmholtz-Resonator
auch zur Wiedergabe von anderen Nutzsignalen, wie z.B. der Radioanlage,
des Telefons, einer Warnanlage oder eines Sound-engineering-Systems.
Das durch die Regelung veränderte Übertragungsverhalten
des Lautsprechers erfordert hierbei eventuell eine geeignete Vorfilterung
des Nutzsignals. Das Nutzsignal wird dem Re gelungssignal an geeigneter
Stelle im Regelkreis aufaddiert.
-
Durch die Erfindung wird ein einfaches
Schallabsorptionssystem mit allen wesentlichen Absorptionscharakteristika
geschaffen, das als virtueller simulierter Helmholtz-Resonator wirkt und
dessen Grundlage lediglich ein beliebig ausgestalteter Helmholtz-Resonator
ist, in dem zur Erzeugung der virtuellen Helmholtz-Resonatoren eine
Schalldruckerzeugungsvorrichtung enthalten ist.